捷联式地磁矢量测量系统误差分析及校正补偿技术

摘要

地磁场是矢量场，单纯进行总量测量难以获取全面的磁信息。地磁矢量测量能有效克服总量测量的不足，在地磁导航、磁目标探测、磁异测量、数字化地球建设等方面具有重要的应用价值。
　　论文在提出捷联式地磁矢量测量系统的基础上，重点对捷联式地磁矢量系统误差机理、三轴磁传感器校正、惯导与磁传感器坐标系非对准误差校正、惯导干扰分量补偿、系统测试与应用等问题进行研究。主要研究内容和创新点如下：
　　1.深入分析了影响地磁矢量系统误差要素，揭示了捷联式地磁矢量测量系统的误差机理。构建了捷联式地磁矢量测量系统，分析了磁传感器误差、惯导与磁传感器坐标系非对准、惯导干扰等因素对测量结果的影响，揭示了地磁矢量测量系统误差机理，建立了误差综合传递模型，为捷联式地磁矢量测量系统的优化设计及校正补偿提供了理论指导。
　　2.研究了三轴磁传感器系列校正问题，实现了校正优化设计，提升了校正效果。提出了基于L-M算法的磁传感器校正方法，与传统的UKF、RLS、DE、高斯牛顿法、遗传算法等校正方法比较，该算法在初始参数敏感性、校正效果、鲁棒性、计算时间等方面综合优势明显；提出了对称采样策略，增强了磁传感器校正参数的通用性；提出了磁传感器非线性一体化校正模型，校正后误差进一步降低3倍，有效解决了传统校正模型的非线性问题；提出了基于最小二乘支持向量机的温度误差补偿方法，补偿后温度误差降低两个数量级，解决了难以分别进行刻度因子和零偏温度特性测试的问题。
　　3.研究了惯导坐标系与磁传感器坐标系对准问题，建立了两种基于磁/重投影不变原理的非对准校正方法，解决了难以通过机械手段进行对准的难题。提出了基于磁场/重力在固定坐标系投影不变原理的非对准误差校正法，通过建立中间坐标系，分别计算磁传感器/惯导与中间坐标系之间的非对准角，间接实现了磁传感器与惯导之间非对准误差校正；同时，提出了基于磁场/重力在平面垂向投影不变原理的非对准误差校正法。结果表明，两种非对准校正方法均能有效克服机械上难以实现坐标系对准的难题。
　　4．研究了磁干扰补偿问题，提出了磁干扰分量补偿方法，克服了传统总量干扰补偿法的不足。从理论和实验上验证了总量补偿法对分量补偿的失效性，提出了基于直角台的分量补偿法，通过设计辅助设备，提供磁场分量真实值进行分量线性约束；提出了基于惯导姿态相对变化信息的分量补偿法，利用姿态的相对变化，建立分量约束信息，无需获取各姿态下真实分量值；实现了分量补偿。提出了基于基准地磁信息的分量补偿法，利用当地已知地磁信息进行分量补偿，无需提供分量真值，且无需解高维度非线性方程。三种分量补偿法均能有效克服总量补偿法的不足，可根据不同情况选择使用。
　　5.研究了系统性能测试和应用问题，建立了一套捷联式地磁矢量测量系统性能测试与验证方法。开展了三维全姿态静态测试和小范围动态测试，经过校正补偿后，北、天、东测量误差降低到校正补偿前的2.09％，2.0%和3.4%。采用该系统进行区域磁异常图绘制，验证了该系统克服总量测量法的不足的有效性，实现了磁异常总量及矢量的有效测量。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 课题来源及意义

1.2 地磁矢量测量技术研究现状

1.3 矢量测量中的误差校正补偿技术研究现状

1.4 论文的研究内容及章节安排

1.5 本章小结

第二章 捷联式地磁矢量测量系统误差机理分析

2.1 系统结构设计

2.2 系统误差机理及数值分析

2.3 本章小结

第三章 三轴磁传感器校正方法优化研究

3.1 三轴磁传感器校正算法

3.2 数据采样策略影响

3.3 磁传感器非线性的一体化校正

3.4 基于最小二乘支持向量机的温度误差补偿

3.5 本章小结

第四章 惯导与磁传感器坐标系非对准误差校正

4.1 基于磁场/重力在固定坐标系投影不变原理校正法

4.2 基于磁场/重力在平面垂向投影不变原理校正法

4.3 两种非对准校正法效果对比

4.4 本章小结

第五章 磁干扰分量补偿技术

5.1 总量补偿法失效性分析

5.2 基于直角台的分量补偿方法

5.3 基于相对姿态信息的分量补偿方法

5.4 基于基准地磁信息的分量补偿方法

5.5 几种分量补偿方法对比分析

5.6 本章小结

第六章 捷联式地磁矢量测量系统的测试与应用

6.1 捷联式地磁矢量测量系统测试

6.2 基于地磁矢量系统的区域磁异图绘制

6.3 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 主要研究成果及结论

7.2 工作展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果