一种基于9轴惯性测量单元的磁偏角计算方法
一种基于9轴惯性测量单元的磁偏角计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种磁偏角计算方法，具体设及一种基于9轴惯性测量单元的磁偏角 计算方法。
【背景技术】
[0002] 磁偏角是地理上当地磁北和真北的夹角；当用磁力计进行寻北时，虽然精度较高， 但是磁力计只能测量出当地磁北的方向，而磁北的方向相对真北方向存在偏差（即，磁偏 角），会给导航系统的寻北带来误差。
[0003] 通常情况下，地球上的磁偏角都是按期计算，公布，W备查找使用，因此需要通过 查表才能知道此时经缔度下的磁偏角；专利《永磁体磁偏角测量表及测量方法》（申请号 200810121769.3)提供了一种利用永磁体来测量磁偏角的方法，该方法是采用永磁体来测 量磁偏角。
【发明内容】
[0004] 为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种基于9轴惯性测量单元的 磁偏角计算方法。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明提供一种基于9轴惯性测量单元的磁偏角计算方法， 其特征是，包括W下步骤：
[0006] 首先，利用Ξ轴光纤巧螺和Ξ轴MEMS加速度计，通过惯性导航解析式对准的方法， 计算出此时相对于真北的航向角化；
[0007] 然后，利用Ξ轴MEMS加速度计和Ξ轴MEMS磁力计计算出此时相对于磁北的磁航向 角Hm;
[000引最后，计算相对于真北的航向角化和相对于磁北的磁航向角Hm的差值就是此时所 在位置的磁偏角ah。
[0009] 航向角化的计算方法为：
[0010] 在载体静止时，计算出初始的捷联矩阵T，其中捷联矩阵中九个元素分别为：
[0014]式中；
[001引界为当地的缔度；
[0016] Wie为地球自转角速率；
[0017] g为当地重力加速度；
[0018] 仿巧1"分别为载体坐标系下x、y、zS轴光纤巧螺的输出角速率；
[0019] 各?、各J、各?分别为载体坐标系下x、y、zミ轴MEMS加速度计的输出加速度；
[0020]
[0021] 化main为航向角主值；
[0022] 计算出航向角化为：
[0023]
[0024] 捷联矩阵T的表达式如下：
[0025]
[0026] 式中:陆为航向角，Θ为横滚角，γ为俯仰角。
[0027] 磁航向角Hm的计算方法为：
[0028] 当载体在静止状态时，地理坐标系下各轴加速度计的测量值为At=[0 0 g];此时 载体MEMS加速度计的测量值为Ab=[ax ay az]，
[0029] 由Ab = T-lAt，计算出：
[0030]
[0031] 地理坐标系下各轴的磁场强度的测量值为Mt=[0 Μ 0]，此时载体的Ξ轴MEMS磁 力计的测量值为Mb = [Ilk my mz];
[00创由Mb = T-iMt，计算出磁航向角Hm:
[0033]
[0034] 磁偏角ΔΗ的计算方法为：
[0035] ΔΗ=Ημ-Ηο
[0036] ΔΗ〉0,表示此时的磁偏角向西偏；ΔΗ<0,表示此时的磁偏角向东偏。
[0037] 本发明所达到的有益效果：
[0038] 本发明的方法主要通过惯性传感器和算法实时计算出磁偏角，可W准确实时地计 算出任何时刻、任何经缔度下、任何载体姿态下的磁偏角，并便于在工程中通过编程实现。
【具体实施方式】
[0039] 下面对本发明作进一步描述。W下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方 案，而不能w此来限制本发明的保护范围。
[0040]本发明的原理主要是利用了惯性导航系统初始对准的原理;首先利用Ξ轴光纤巧 螺和Ξ轴MEMS加速度计，通过惯性导航解析式对准的方法，就可W精确地计算出此时相对 于真北的航向角化;然后利用Ξ轴MEMS加速度计和Ξ轴MEMS磁力计就可W精确地计算出此 时相对于磁北的磁航向角Hm;最后，相对于真北的航向角化和相对于磁北的磁航向角Hm的差 值就是此时所在位置的磁偏角A H。
[0041 ]本发明的具体实施计算方法如下：
[0042] 1)航向角化的计算方法；
[0043] 由惯性导航解析式对准的方法，在载体静止时，可W计算出初始的捷联矩阵T，其 中捷联矩阵T中九个元素分别为：
[0047] 公式中：
[004引巧为当地的缔度；
[0049] Wie为地球自转角速率；
[0050] g为当地重力加速度；
[0化1] > ω?：：分别为载体坐标系下x、y、zS轴光纤巧螺的输出角速率。
[0052] 各J、各?、扭分别为载体坐标系下x、y、zミ轴MEMS加速度计的输出加速度。
[0053] 因此，可W计算出此时相对于真北的航向角化，计算方法如下：
[0化4]
[00对 Hg main为航向角主值;计算出航向角Hg为：
[0化6]
[0057] 2)磁航向角Hm的计算方法；
[005引捷联矩阵T的表达式如下：
[0化9
[0060]式中:化为航向角，Θ为横滚角，γ为俯仰角。
[0061] 当载体在静止状态时，地理坐标系下各轴加速度计的测量值为At=[0 0 g];此时 载体MEMS加速度计的测量值为Ab=[ax ay az]，由Ab =厂lAt，计算出：
[0062]
化理坐标系下各轴的磁场强度的测量值为Mt =[0 Μ 0]，此时载体的磁力计的测量值为Mb=[mx my mz];由Mb =厂iMt，计算出磁 航向角Hm:
[0063]
[0064] 3)磁偏角Δ Η的计算方法；
[0065] 由上面计算出的航向角化和磁航向角Hm的差值为此时的磁偏角Δ Η:
[0066] ΔΗ=Ημ-Ηο
[0067] ΔΗ〉0,表示此时的磁偏角向西偏；ΔΗ<0,表示此时的磁偏角向东偏。
[0068] W上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可W做出若干改进和变形，运些改进和变形 也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种基于9轴惯性测量单元的磁偏角计算方法，其特征是，包括以下步骤： 首先，利用三轴光纤陀螺和三轴MEMS加速度计，通过惯性导航解析式对准的方法，计算 出此时相对于真北的航向角Hg; 然后，利用三轴MEMS加速度计和三轴MEMS磁力计计算出此时相对于磁北的磁航向角Hm; 最后，计算相对于真北的航向角Hg和相对于磁北的磁航向角Hm的差值就是此时所在位 置的磁偏角A H。2. 根据权利要求1所述的一种基于9轴惯性测量单元的磁偏角计算方法，其特征是，航 向角Hg的计算方法为： 在载体静止时，计算出初始的捷联矩阵T，其中捷联矩阵中九个元素分别为：式中： 炉为当地的炜度； Wie3为地球自转角速率； g为当地重力加速度；分别为载体坐标系下x、y、z三轴光纤陀螺的输出角速率；分别为载体坐标系下X、y、z三轴MEMS加速度计的输出加速度；Hg main为航向角主值； 计算出航向角Hg为：3. 根据权利要求2所述的一种基于9轴惯性测量单元的磁偏角计算方法，其特征是，捷 联矩阵T的表达式如下：式中:Hc为航向角，Θ为横滚角，γ为俯仰角。4. 根据权利要求3所述的一种基于9轴惯性测量单元的磁偏角计算方法，其特征是，磁 航向角Hm的计算方法为： 当载体在静止状态时，地理坐标系下各轴加速度计的测量值为At= [0 O g];此时载体 MEMS加速度计的测量值为Ab= [ax ay az]， 由Ab = T1At，计算出：地理坐标系下各轴的磁场强度的测量值为Mt= [0 M 0]，此时载体的三轴MEMS磁力计的 测量值为Mb=[mx my mz]; 由Mb = T1Mt，计算出磁航向角Hm:5.根据权利要求4所述的一种基于9轴惯性测量单元的磁偏角计算方法，其特征是，磁 偏角A H的计算方法为： AH=Hm-Hc A H>0，表示此时的磁偏角向西偏；Δ H〈0，表示此时的磁偏角向东偏。
【专利摘要】本发明公开了一种基于9轴惯性测量单元的磁偏角计算方法，包括以下步骤：首先，利用三轴光纤陀螺和三轴MEMS加速度计，通过惯性导航解析式对准的方法，计算出此时相对于真北的航向角HG；然后，利用三轴MEMS加速度计和三轴MEMS磁力计计算出此时相对于磁北的磁航向角Hm；最后，计算相对于真北的航向角HG和相对于磁北的磁航向角Hm的差值就是此时所在位置的磁偏角ΔH。本发明的方法主要通过惯性传感器和算法实时计算出磁偏角，可以准确实时地计算出任何时刻、任何经纬度下、任何载体姿态下的磁偏角，并便于在工程中通过编程实现。
【IPC分类】G01V3/40, G01C1/00
【公开号】CN105486275
【申请号】CN201510800205
【发明人】董冀, 鞠莉娜, 王晓臣, 黄艳辉, 王甫
【申请人】中国兵器工业集团第二一四研究所苏州研发中心
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年11月19日
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种磁偏角计算方法，具体设及一种基于9轴惯性测量单元的磁偏角 计算方法。
【背景技术】
[0002] 磁偏角是地理上当地磁北和真北的夹角；当用磁力计进行寻北时，虽然精度较高， 但是磁力计只能测量出当地磁北的方向，而磁北的方向相对真北方向存在偏差（即，磁偏 角），会给导航系统的寻北带来误差。
[0003] 通常情况下，地球上的磁偏角都是按期计算，公布，W备查找使用，因此需要通过 查表才能知道此时经缔度下的磁偏角；专利《永磁体磁偏角测量表及测量方法》（申请号 200810121769.3)提供了一种利用永磁体来测量磁偏角的方法，该方法是采用永磁体来测 量磁偏角。
【发明内容】
[0004] 为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种基于9轴惯性测量单元的 磁偏角计算方法。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明提供一种基于9轴惯性测量单元的磁偏角计算方法， 其特征是，包括W下步骤：
[0006] 首先，利用Ξ轴光纤巧螺和Ξ轴MEMS加速度计，通过惯性导航解析式对准的方法， 计算出此时相对于真北的航向角化；
[0007] 然后，利用Ξ轴MEMS加速度计和Ξ轴MEMS磁力计计算出此时相对于磁北的磁航向 角Hm;
[000引最后，计算相对于真北的航向角化和相对于磁北的磁航向角Hm的差值就是此时所 在位置的磁偏角ah。
[0009] 航向角化的计算方法为：
[0010] 在载体静止时，计算出初始的捷联矩阵T，其中捷联矩阵中九个元素分别为：
[0014]式中；
[001引界为当地的缔度；
[0016] Wie为地球自转角速率；
[0017] g为当地重力加速度；
[0018] 仿巧1"分别为载体坐标系下x、y、zS轴光纤巧螺的输出角速率；
[0019] 各?、各J、各?分别为载体坐标系下x、y、zミ轴MEMS加速度计的输出加速度；
[0020]
[0021] 化main为航向角主值；
[0022] 计算出航向角化为：
[0023]
[0024] 捷联矩阵T的表达式如下：
[0025]
[0026] 式中:陆为航向角，Θ为横滚角，γ为俯仰角。
[0027] 磁航向角Hm的计算方法为：
[0028] 当载体在静止状态时，地理坐标系下各轴加速度计的测量值为At=[0 0 g];此时 载体MEMS加速度计的测量值为Ab=[ax ay az]，
[0029] 由Ab = T-lAt，计算出：
[0030]
[0031] 地理坐标系下各轴的磁场强度的测量值为Mt=[0 Μ 0]，此时载体的Ξ轴MEMS磁 力计的测量值为Mb = [Ilk my mz];
[00创由Mb = T-iMt，计算出磁航向角Hm:
[0033]
[0034] 磁偏角ΔΗ的计算方法为：
[0035] ΔΗ=Ημ-Ηο
[0036] ΔΗ〉0,表示此时的磁偏角向西偏；ΔΗ<0,表示此时的磁偏角向东偏。
[0037] 本发明所达到的有益效果：
[0038] 本发明的方法主要通过惯性传感器和算法实时计算出磁偏角，可W准确实时地计 算出任何时刻、任何经缔度下、任何载体姿态下的磁偏角，并便于在工程中通过编程实现。
【具体实施方式】
[0039] 下面对本发明作进一步描述。W下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方 案，而不能w此来限制本发明的保护范围。
[0040]本发明的原理主要是利用了惯性导航系统初始对准的原理;首先利用Ξ轴光纤巧 螺和Ξ轴MEMS加速度计，通过惯性导航解析式对准的方法，就可W精确地计算出此时相对 于真北的航向角化;然后利用Ξ轴MEMS加速度计和Ξ轴MEMS磁力计就可W精确地计算出此 时相对于磁北的磁航向角Hm;最后，相对于真北的航向角化和相对于磁北的磁航向角Hm的差 值就是此时所在位置的磁偏角A H。
[0041 ]本发明的具体实施计算方法如下：
[0042] 1)航向角化的计算方法；
[0043] 由惯性导航解析式对准的方法，在载体静止时，可W计算出初始的捷联矩阵T，其 中捷联矩阵T中九个元素分别为：
[0047] 公式中：
[004引巧为当地的缔度；
[0049] Wie为地球自转角速率；
[0050] g为当地重力加速度；
[0化1] > ω?：：分别为载体坐标系下x、y、zS轴光纤巧螺的输出角速率。
[0052] 各J、各?、扭分别为载体坐标系下x、y、zミ轴MEMS加速度计的输出加速度。
[0053] 因此，可W计算出此时相对于真北的航向角化，计算方法如下：
[0化4]
[00对 Hg main为航向角主值;计算出航向角Hg为：
[0化6]
[0057] 2)磁航向角Hm的计算方法；
[005引捷联矩阵T的表达式如下：
[0化9
[0060]式中:化为航向角，Θ为横滚角，γ为俯仰角。
[0061] 当载体在静止状态时，地理坐标系下各轴加速度计的测量值为At=[0 0 g];此时 载体MEMS加速度计的测量值为Ab=[ax ay az]，由Ab =厂lAt，计算出：
[0062]
化理坐标系下各轴的磁场强度的测量值为Mt =[0 Μ 0]，此时载体的磁力计的测量值为Mb=[mx my mz];由Mb =厂iMt，计算出磁 航向角Hm:
[0063]
[0064] 3)磁偏角Δ Η的计算方法；
[0065] 由上面计算出的航向角化和磁航向角Hm的差值为此时的磁偏角Δ Η:
[0066] ΔΗ=Ημ-Ηο
[0067] ΔΗ〉0,表示此时的磁偏角向西偏；ΔΗ<0,表示此时的磁偏角向东偏。
[0068] W上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可W做出若干改进和变形，运些改进和变形 也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种基于9轴惯性测量单元的磁偏角计算方法，其特征是，包括以下步骤： 首先，利用三轴光纤陀螺和三轴MEMS加速度计，通过惯性导航解析式对准的方法，计算 出此时相对于真北的航向角Hg; 然后，利用三轴MEMS加速度计和三轴MEMS磁力计计算出此时相对于磁北的磁航向角Hm; 最后，计算相对于真北的航向角Hg和相对于磁北的磁航向角Hm的差值就是此时所在位 置的磁偏角A H。2. 根据权利要求1所述的一种基于9轴惯性测量单元的磁偏角计算方法，其特征是，航 向角Hg的计算方法为： 在载体静止时，计算出初始的捷联矩阵T，其中捷联矩阵中九个元素分别为：式中： 炉为当地的炜度； Wie3为地球自转角速率； g为当地重力加速度；分别为载体坐标系下x、y、z三轴光纤陀螺的输出角速率；分别为载体坐标系下X、y、z三轴MEMS加速度计的输出加速度；Hg main为航向角主值； 计算出航向角Hg为：3. 根据权利要求2所述的一种基于9轴惯性测量单元的磁偏角计算方法，其特征是，捷 联矩阵T的表达式如下：式中:Hc为航向角，Θ为横滚角，γ为俯仰角。4. 根据权利要求3所述的一种基于9轴惯性测量单元的磁偏角计算方法，其特征是，磁 航向角Hm的计算方法为： 当载体在静止状态时，地理坐标系下各轴加速度计的测量值为At= [0 O g];此时载体 MEMS加速度计的测量值为Ab= [ax ay az]， 由Ab = T1At，计算出：地理坐标系下各轴的磁场强度的测量值为Mt= [0 M 0]，此时载体的三轴MEMS磁力计的 测量值为Mb=[mx my mz]; 由Mb = T1Mt，计算出磁航向角Hm:5.根据权利要求4所述的一种基于9轴惯性测量单元的磁偏角计算方法，其特征是，磁 偏角A H的计算方法为： AH=Hm-Hc A H>0，表示此时的磁偏角向西偏；Δ H〈0，表示此时的磁偏角向东偏。
【专利摘要】本发明公开了一种基于9轴惯性测量单元的磁偏角计算方法，包括以下步骤：首先，利用三轴光纤陀螺和三轴MEMS加速度计，通过惯性导航解析式对准的方法，计算出此时相对于真北的航向角HG；然后，利用三轴MEMS加速度计和三轴MEMS磁力计计算出此时相对于磁北的磁航向角Hm；最后，计算相对于真北的航向角HG和相对于磁北的磁航向角Hm的差值就是此时所在位置的磁偏角ΔH。本发明的方法主要通过惯性传感器和算法实时计算出磁偏角，可以准确实时地计算出任何时刻、任何经纬度下、任何载体姿态下的磁偏角，并便于在工程中通过编程实现。
【IPC分类】G01V3/40, G01C1/00
【公开号】CN105486275
【申请号】CN201510800205
【发明人】董冀, 鞠莉娜, 王晓臣, 黄艳辉, 王甫
【申请人】中国兵器工业集团第二一四研究所苏州研发中心
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年11月19日
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