专利摘要

本发明提供了一种磁场方位测量方法。用于标定可测得磁场方向与地球坐标系夹角关系的标定，可实现磁传感器与其他类传感器的欧拉角标定、标准磁源磁场方向的标定等等。通过建立一套磁测轴坐标系与地球坐标系（或天体坐标系）的标准装置，通过矢量磁传感器与关联地球坐标系（或天体坐标系）的物理量测试仪测得相关物理量构建与地球坐标系（或天体坐标系）关系，再借助地球磁场与地球坐标系（或天体坐标系）关系，来测量磁传感器测量轴与陀螺经纬仪或星敏感器等的测量轴的夹角关系，这样便将磁传感器自身坐标系与陀螺经纬仪或星敏感器等仪器的坐标轴欧拉角关系标定出来，便可用其测评标准磁源线圈磁轴与地球坐标系（或天体坐标系）的相对关系。

权利要求

1.一种磁场方位测量方法，其步骤如下，

一、建立磁测轴坐标系与天体坐标系的标准装置，装置中包括矢量磁传感器、关联天体坐标系的他类传感器，所述的矢量磁传感器与他类传感器安装放置在钢性平台上，钢性平台采用无剩磁、不导磁材料构成；

二、矢量磁传感器与他类传感器组合测得相关物理量构建与天体坐标系的关系，再借助天体磁场与天体坐标系的关系，来测量矢量磁传感器测量轴与他类传感器的测量轴的夹角关系，这样便将矢量磁传感器自身坐标系与他类传感器的坐标轴欧拉角关系标定出来；

三、通过标定可以实现，矢量磁传感器与他类传感器坐标轴的夹角关系，确认矢量磁传感器与他类传感器坐标系的欧拉角(α，β，γ)，通过他类传感器的方向确认功能，可实时测量出矢量磁传感器与天体坐标系相对关系，因此可实现标准磁源线圈磁场轴线或关注区间磁场方向的测试；

所述矢量磁传感器为磁通门传感器，所述他类传感器为星敏感器；

在步骤三中，利用星敏感器的测量值和关于地球旋转的理论知识以及磁通门传感器与星敏感器之间相对定位的估计，参考磁传感器的测量值通过旋转与坐标变换，从参考坐标系转变为磁通门传感器的坐标系并被表达，通过改变相对位置的估计值，代表了磁通门传感器系统的两个磁场测量值的误差可以最小化，以获取相对位置的最优估计，选取不同的MMP设备的位置确保相对位置的唯一解；

将参考磁传感器的REF坐标系的矢量测量值转换到磁通门传感器坐标系，通过这一系列的旋转变换，将REF坐标系通过传统的地面坐标系与惯性坐标系转换到星敏感器坐标系，最终转换到磁通门传感器坐标系。

说明书

技术领域

本发明涉及磁场测量领域，用于标定可测得磁场方向与地球坐标系夹角关系，具体是一种磁场方位测量方法。

背景技术

目前，矢量磁场的精密度是人类探知世界的有效手段及途径，其中，磁场模值测试工具丰富且精度较高，典型磁力仪包括：磁通门传感器、原子磁力仪、质子磁力仪、超导量子干涉仪等，最高精度可达皮特量级；但磁场矢量方向测试很难确保，追根溯源原因在于磁传感器的矢量标定缺乏基准，很难将空间几何坐标系与磁场方向进行直接关联,比如标准磁源线圈是通过骨架作为约束条件并由多股线圈绕制而成，骨架及线圈加工、绕制工艺会引入偏差，因此，线圈的几何轴线与线圈产生的磁场轴线会出现偏差，这一偏差尚无准确方法得以测量。

无法标定标准磁源线圈的磁轴方向，同样无法标定矢量磁传感器与他类传感器的空间坐标轴关系；比较典型的问题为地磁探测卫星用磁通门传感器与星敏感器的联合标定问题；在现代地磁观测卫星中，主要利用磁通门传感器来获得高精度地磁场矢量数据，磁测卫星对磁场数据要求在各分量误差在nT量级；该指标对磁通门空间测量精度提出了较高的要求；地磁场强度的幅值在±50000nT范围变化，假若磁通门空间方位角有2"的误差，则所测磁场数据在某一分量上的误差将达到0.49nT；为满足指标要求，需要将磁通门空间方位角定位精度进行严格控制，需借助星敏感器来确定磁通门空间姿态，而只有已知消除磁通门传感器与星敏感器的欧拉角，并消除或补偿欧拉角误差，才能准确的获得磁通门的姿态。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，进而提供一种磁场方位测量方法，能标定可测得磁场方向与地球坐标系夹角关系，可实现磁传感器与其他类传感器的欧拉角标定、标准磁源磁场方向的标定等。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种磁场方位测量方法，其步骤如下，

一、建立磁测轴坐标系与天体坐标系的标准装置，装置中包括矢量磁传感器、关联天体坐标系的他类传感器，所述的矢量磁传感器与他类传感器安装放置在钢性平台上，钢性平台采用无剩磁、不导磁材料构成。

二、矢量磁传感器与他类传感器组合测得相关物理量构建与天体坐标系的关系，再借助天体磁场与天体坐标系的关系，来测量矢量磁传感器测量轴与他类传感器的测量轴的夹角关系，这样便将矢量磁传感器自身坐标系与他类传感器的坐标轴欧拉角关系标定出来。

三、通过标定可以实现，矢量磁传感器与他类传感器坐标轴的夹角关系，确认矢量磁传感器与他类传感器坐标系的欧拉角(α，β，γ)，通过他类传感器的方向确认功能，可实时测量出矢量磁传感器与天体坐标系相对关系，因此可实现标准磁源线圈磁场轴线或关注区间磁场方向的测试。

进一步的，所述的矢量磁传感器为磁通门传感器。

进一步的，所述的矢量磁传感器为原子磁力仪。

进一步的，所述的他类传感器为陀螺经纬仪，利用其指向真北方向的功能，实时测量出矢量磁传感器与天体坐标系相对关系。

进一步的，所述的他类传感器为星敏感器，利用观测星图确认方向功能，实时测量出矢量磁传感器与天体坐标系相对关系。

本发明的有益效果是：通过采用本发明的技术方案，可标定标准磁源线圈的磁轴在天体坐标系或地球地牢里坐标系的方向，也可标定矢量磁传感器与他类传感器的空间坐标轴关系；准确度高。弥补该技术领域方向的技术空白。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

如图1所示，本实施例所涉及的一种磁场方位测量方法，其步骤如下，

一、建立磁测轴坐标系与天体坐标系的标准装置，装置中包括矢量磁传感器、关联天体坐标系的他类传感器，所述的矢量磁传感器与他类传感器安装放置在钢性平台上，钢性平台采用无剩磁、不导磁材料构成。

二、矢量磁传感器与他类传感器组合测得相关物理量构建与天体坐标系的关系，再借助天体磁场与天体坐标系的关系，来测量矢量磁传感器测量轴与他类传感器的测量轴的夹角关系，这样便将矢量磁传感器自身坐标系与他类传感器的坐标轴欧拉角关系标定出来。

三、通过标定可以实现，矢量磁传感器与他类传感器坐标轴的夹角关系，确认矢量磁传感器与他类传感器坐标系的欧拉角(α，β，γ)，通过他类传感器的方向确认功能，可实时测量出矢量磁传感器与天体坐标系相对关系，因此可实现标准磁源线圈磁场轴线或关注区间磁场方向的测试。

作为本发明的一个实施例，以磁通门传感器与星敏感器测量系统联合标定为例，进行方法说明：

利用星敏感器的测量值和关于地球旋转的理论知识以及磁通门传感器(MAG)与星敏感器(SIM)之间相对定位的估计，参考磁传感器的测量值(REF,设定REF坐标系为“当地的正北、正东以及垂直向下”坐标系，)通过旋转与坐标变换，从参考坐标系转变为磁通门传感器的坐标系并被表达，通过改变相对位置的估计值，代表了磁通门传感器系统的两个磁场测量值的误差可以最小化，以获取相对位置的最优估计，选取不同的MMP设备的位置可以确保相对位置的唯一解。

相对位置通过三欧拉角(α，β，γ)进行参数化，提供三个轴的旋转信息，此处我们选取“ⅢⅡⅢ”的欧拉角作为代表，在使用欧拉角表示坐标旋转变换中，数字Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分别代表绕坐标轴x、y、z转动，从左到右的顺序分别表示第一次转动、第二次转动和第三次转动；如图1所示，包括星敏感器系统1、无磁平台2，磁通门传感器系统3；XYZ轴为星敏感器系统1的坐标轴，X1Y1Z1轴为将XYZ轴绕Z轴转动后的坐标轴，X2Y2Z2轴为将X1Y1Z1轴绕Y轴转动后的坐标轴，X3Y3Z3轴为将X2Y2Z2轴绕Z轴转动后的坐标轴。因此，从星敏感器系统1变换到磁通门传感器系统3的变换矩阵RSIM-CSC可以表示为：

旋转矩阵Ri(v)代表了在角度v下的第i轴的坐标系的基本旋转。因此，在初始系统中的物理矢量r，在新的系统中，用下式表示：

r′＝Ri(v)r (2)

目的是将参考磁传感器的REF坐标系的矢量测量值转换到磁通门传感器坐标系，通过这一系列的旋转变换，将REF坐标系通过传统的地面坐标系(CTS)与惯性坐标系(CIS也称J2000)转换到星敏感器坐标系，最终转换到磁通门传感器坐标系。

参考全球CTS坐标系的REF坐标系的定位决定了从REF到CTS的旋转变化，设为RREF-CTS；如果按照地磁学中的惯例，那么这种变换可以表示为：

RREF-CTS＝R3(-Λ)R2(90°+φ) (3)

这里的Φ和Λ是标定位置的天文学中的经度和纬度；对于SAC-C的标定的参考坐标系并不是准确的NED坐标系，因此对应于RREF-CTS有一种更通用的，以“ⅡⅢⅡ”欧拉角变换形式的变换：

关于从CIS到CTS的矢量变换：

rCTS＝SNPrCIS (5)

rCTS＝RCIS-CTS rCIS (7)

这里的R2(-xp)R1(-yp)代表了极性运动的校正；R3(GAST)代表了地球的旋转；N和P是对地球旋转轴的章动和进动的校正；极性运动的值(xp,yp)来自于国际地球自转服务站(IERS)的月期刊；GAST为格林尼治实时观测表。

星敏感器的测量值包含三个角度(Ra，Dec，Rot)，给出了从CIS坐标系到星敏感器坐标系的变换，星敏感器坐标系是与星敏感器摄像头的CCD平面联系在一起的；从CIS坐标系(J2000)到星敏感器坐标系的变换如下所示：

RCIS-SIM＝R3(Rot)R2(90°-Dec)R3(Ra) (8)

从REF坐标系到磁通门传感器坐标系的变换可用如下矩阵表示：

RREF-CSC＝RSIM-CSCRCIS-SIMRCTS-CISRREF-CTS (9)

RREF-CSC＝R3(γ)R2(β)R3(α)RCIS-SIMRCTS-CISRREF-CTS (10)

RCIS-SIM和RCTS-CIS这两个矩阵在公式(9)的右侧的中间位置，会随着测量值的改变而变化，然而由于星敏感器与磁通门传感器系统在平台上被固定而且参考磁传感器在CTS框架中也是固定的，因此初值和终值应该都是常量。.

对于每一组测量值，都可以建立如公式(9)中形式的矩阵，矩阵可以用来将测量值从REF坐标系变换到磁通门传感器坐标系。参数(α，β，γ)及参数(χ，ζ，η)会随着对残差矢量L进行Levenberg-Marquardt最小二乘法计算而改变，残差矢量L如下所示：

这里，O是参考磁传感器与标定支柱之间磁场的偏移。这种偏移既可以通过设置为参数来消除，也可以被选为一个预设的固定值。

作为本发明的一个实施例，陀螺经纬仪不依赖观星、激光标定等辅助条件，因此，在封闭空间标定作用较大；其工作原理：主要由一个高速旋转的转子支承在一个或两个框架上而构成，具有一个框架的称二自由度陀螺仪；具有内外两个框架的称三自由度陀螺仪；经纬仪上安置悬挂式陀螺仪，是利用其具指北性确定真子午线北方向，再用经纬仪测定出真子午线北方向至待定方向所夹的水平角,即真方位角；指北性，是指悬挂式者在受重力作用和地球自转角速度影响下，陀螺轴将产生进动、逐渐向真子面靠拢，最终达到以真子面为对称中心，作角简谐运动的特性。确定真子午线北方向的常用方法，有中天法和逆转点法；总之，陀螺经纬仪可精确测得精确真北方向，目前精度可高达亚角秒级；用上述方法，同样可以得到磁传感器磁轴与地球坐标系夹角关系，基于这个已知夹角关系，在相关测试需求中，便可测得标准磁源线圈等磁场磁轴与地球坐标系的关系。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

磁场方位测量方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。