[发明专利]一种应用于地磁导航中的地磁场模型误差补偿方法

说明书

本发明提供了一种应用于地磁导航中的地磁场模型误差补偿方法，该方法是通过分析地磁导航滤波算法进入收敛期后的地磁场测量数据与地磁模型输出数据之间的误差，找到该误差随地理纬度的变化规律；利用傅里叶变换对误差数据进行频率辨识，然后基于主要频率进行数据拟合，获得地磁模型误差的数学模型；以此数学模型为基础，结合地磁误差数据与地理纬度之间的变化规律，在滤波过程中对地磁场模型误差进行实时预测与补偿，最终实现提高地磁导航精度的目的。

技术领域

本发明涉及卫星自主导航技术领域，具体涉及一种应用于地磁导航中的地磁场模型误差补偿方法。

背景技术

地磁导航通过星上磁强计的测量值与地磁模型的输出值(预测值)进行比较而得到轨道修正信息，利用该修正信息可以实现轨道的确定，进而达到航天器自主导航的目的。地磁导航是近地航天器的一种重要的自主导航方式，可实现航天器位置、速度以及姿态信息的自主确定。与传统的GPS卫星导航相比，具有抗干扰能力强、隐蔽性强的优势；与惯性导航相比，地磁导航误差不随时间累积，并且导航系统体积小、功耗低。因此在近地轨道卫星、水下航行器等方面具有很好的应用前景。

利用地磁场为近地航天器进行导航时，需要利用地磁模型来估计预测值，所以地磁场模型是实现地磁导航不可或缺的基础，地磁模型与实际地磁场之间的差别，即地磁模型精度是制约导航定位精度的核心因素，所以提高地磁模型的精度是实现高精度地磁导航的最重要的途径。目前，常用的地磁模型，如国际地磁场参考模型(InternationalGeomagnetic Reference Field，IGRF)、世界地磁场模型(World Magnetic Model，WMM)是采用高斯球谐函数，建立了地磁场与地理位置(经度、纬度、高度)数学关系表达式，这种方法的优点是能够得到一个合理的、全面反映磁场的宏观分布的模型，但是忽略了局部的磁异常信息。另外由于地磁场复杂的空间结构和时间演化特性，尽管人们在研究地磁场方面做了很多努力，地磁模型每五年更新一次，仍然难以得到全球的高精度磁场模型。受到观测资料、分析方法以及模型阶数的限制，国际地磁场模型IGRF的误差可能达到250nT，显然不能满足高精度卫星导航的需求。

基于以上分析可知，研究地磁场模型误差补偿方法是地磁导航研究的重要方向。而国内在这个方向的研究较少，国外研究由于军事应用的背景，不会公开其研究成果。从已公开的资料来看，常用的模型补偿方法是通过建立高斯球谐系数以及系数时间变化量(其中表示高斯球谐系数，表示球谐系数的变化量，下标1表示阶数，上标1表示次数；)的状态方程，并将这些系数作为状态变量，在导航过程中实时修正，从而达到提高导航精度的目的。但是，由于模型的球谐系数多达N*(N+2)个(N为高斯球谐系数的阶数)，这么多状态量的实时估计对星载计算机的计算能力是一个很大的挑战，并且此方法也不适用于工程上的应用。

发明内容

本发明的目的在于，考虑到高精度地磁导航和其工程应用两方面因素，本发明提出一种简单有效的地磁模型误差补偿方法。该方法利用傅里叶变换进行量测残差频率的在线辨识，然后建立残差与地理特征之间的函数表达式，最终达到补偿地磁模型误差，提高地磁导航精度的目的。

为实现上述目的，本发明提供了一种应用于地磁导航中的地磁场模型误差补偿方法，该方法是通过分析地磁导航滤波算法进入收敛期后的地磁场测量数据与地磁模型输出数据之间的误差，找到该误差随地理纬度的变化规律；利用傅里叶变换对误差数据进行频率辨识，然后基于主要频率进行数据拟合，获得地磁模型误差的数学模型；以此数学模型为基础，结合地磁误差数据与地理纬度之间的变化规律，在滤波过程中对地磁场模型误差进行实时预测与补偿，实现提高地磁导航精度的目的。

所述的应用于地磁导航中的地磁场模型误差补偿方法，具体包括：

步骤1)当地磁导航滤波算法稳定后，计算当前卫星轨道周期内地磁场测量数据与地磁场模型输出数据之间的量测残差；

步骤2)利用傅里叶变换辨识量测残差的频率信息；