一种三轴磁传感器标定方法及装置技术领域
本发明涉及三轴磁传感器技术领域，特别是指一种三轴磁传感器标定方法及装
置。
背景技术
三轴磁传感器是地磁航向测量系统的核心设备，在实际使用中，三轴磁传感器存
在零偏误差、灵敏度误差、非正交误差、非对准误差、硬磁干扰及软磁干扰误差。为保证航向
测量的精度，需对三轴磁传感器进行误差参数的标定。为避免室内设备及建筑材料对环境
磁场的干扰，常需在室外进行三轴磁传感器标定实验，使用现有的三轴磁传感器标定设备
进行室外标定实验的缺点是：不便携带，需寻找室外电源为现有的三轴磁传感器标定设备
供电。
三轴磁传感器误差参数标定可分为三轴磁传感器坐标系标定与非对准标定；对于
非对准标定，可以基于定轴转动过程中恒定磁场在转动轴上投影不变的特性，以载体坐标
轴为转动轴进行定轴转动，并对转动过程中三轴磁传感器的测量数据进行主成分分析以确
定非对准误差矩阵，但是，在实际操作中由非理想定轴转动、测量噪声以及数值计算会导致
标定结果存在符号错误。
引入的误差将使标定结果的各分量间不满足正交关系，即标定结果为非正交矩
阵，这将在三轴磁传感器校正过程中引入新的误差。
标定结果存在符号错误及非正交问题的缺点，提供一种能够独立进行且具有符号
修正及非正交修正功能的非对准标定方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种三轴磁传感器标定方法及装置，以解决现有
技术所存在的标定结果存在符号错误及标定设备不便携带且需要室外电源为其供电的问
题。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种三轴磁传感器标定方法，包括：
获取第一组标定点下三轴磁传感器的测量数据；
根据预先存储的三轴磁传感器坐标系标定结果和获取的所述第一组标定点下的
三轴磁传感器的测量数据，标定初始非对准误差矩阵
根据预先存储的所述三轴磁传感器坐标系标定结果及标定的所述初始非对准误
差矩阵对获取的第一组标定点下的三轴磁传感器的测量数据进行校正，将本次校正前
后的测量数据分别表示为hs和
对比hs和对应分量的符号，若hs和对应分量的符号不一致，则将对应分量取
负完成符号修正。
进一步地，一个具体的倾斜状态及航向角对应一个标定点。
进一步地，所述根据预先存储的三轴磁传感器坐标系标定结果和获取的所述第一
组标定点下的三轴磁传感器的测量数据，标定初始非对准误差矩阵包括：
根据预先存储的三轴磁传感器坐标系标定结果校正所述第一组标定点下的三轴
磁传感器的测量数据，并采用主成分分析法标定初始非对准误差矩阵其中，
表示的分量。
进一步地，所述根据预先存储的三轴磁传感器坐标系标定结果校正所述第一组标
定点下的三轴磁传感器的测量数据，并采用主成分分析法标定初始非对准误差矩阵包
括：
对的分量进行标定时，将所述三轴磁传感器绕载体x轴转动，获取第一组标定
点下的三轴磁传感器的n个测量数据
根据预先存储的三轴磁传感器坐标系标定结果对所述第一组标定点下的三轴磁
传感器的n个测量数据进行校正得到校正数据
对校正数据进行去均值处理得到去均值后的数据
计算协方差矩阵并对角化，得到C＝Pdiag(λ1,λ2,λ3)
PT，P＝[P1,P2,P3]，λ1>λ2>λ3，则
其中，λ1,λ2,λ3是对角化后的协方差矩阵的特征值，P＝[P1,P2,P3]是对角化后的协
方差矩阵的特征向量，diag(·)表示对角矩阵，T表示转置；
的分量的标定过程与相同，标定时，所述三轴磁传感器分别绕载体
y轴与z轴转动，数据处理过程与相同，的取值等于各自标定过程的P3。
进一步地，所述其中，表示的均值。
进一步地，所述对比hs和对应分量的符号，若hs和对应分量的符号不一致，则
将对应分量取负完成符号修正之后，所述方法还包括：
将方差贡献率作为指标，评价各分量的标定效果，其中，方
差贡献率低表明标定效果好；
通过叉乘运算利用标定效果好的分量重新计算标定效果差的分量，其中，所述叉
乘运算的顺序按右手定则确定。
进一步地，所述通过叉乘运算利用标定效果好的分量重新计算标定效果差的分
量，其中，所述叉乘运算的顺序按右手定则确定包括：
若αz<αx<αy，则根据正交修正表达式对符号修正后的进行正交修正，正交修正后
的表示为所述正交修正表达式为：
其中，αx,αy,αz分别为分量的方差贡献率。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
上述方案中，通过预先存储的三轴磁传感器坐标系标定结果和获取的所述第一组
标定点下的三轴磁传感器的测量数据，标定初始非对准误差矩阵根据预先存储的所述三
轴磁传感器坐标系标定结果及标定的所述初始非对准误差矩阵对获取的第一组标定点
下的三轴磁传感器的测量数据进行校正，将本次校正前后的测量数据分别表示为hs和
对比hs和对应分量的符号，若hs和对应分量的符号不一致，则将对应分量取负完成
符号修正，消除非对准误差矩阵存在的符号错误，从而能够提高三轴磁传感器的测量数据
校正精度，且无需依赖其他辅助传感器。
本发明实施例还提供一种三轴磁传感器标定装置，包括：
模数转换单元，用于对获取的第一组标定点下的三轴磁传感器的测量数据进行模
数转换，并将模数转换后的信号发送给信息处理单元；
信息处理单元，用于对所述模数转换后的信号进行处理，标定非对准误差矩阵；
第一电源单元，用于为所述三轴磁传感器供电；
第二电源单元，用于为所述模数转换单元、信息处理单元、第一电源单元供电。
进一步地，所述信息处理单元包括：
获取模块，用于获取第一组标定点下的三轴磁传感器的测量数据对应的数字信
号；
标定模块，用于根据预先存储的三轴磁传感器坐标系标定结果和获取的所述第一
组标定点下的三轴磁传感器的测量数据对应的数字信号，标定初始非对准误差矩阵
校正模块，用于根据预先存储的所述三轴磁传感器坐标系标定结果及标定的所述
初始非对准误差矩阵对获取的第一组标定点下的三轴磁传感器的测量数据对应的数字
信号进行校正，将本次校正前后的测量数据分别表示为hs和
符号修正模块，用于对比hs和对应分量的符号，若hs和对应分量的符号不一
致，则将对应分量取负完成符号修正。
进一步地，所述信息处理单元还包括：
评价模块，用于将方差贡献率作为指标，评价各分量的标定效果，所述
方差贡献率低表明标定效果好；
正交修正模块，用于通过叉乘运算利用标定效果好的分量重新计算标定效果差的
分量，所述叉乘运算的顺序按右手定则确定；
其中，所述正交修正模块，具体用于若αz<αx<αy，则根据正交修正表达式对符号修
正后的进行正交修正，正交修正后的表示为所述正交修正表达式为：
其中，αx,αy,αz分别为各分量的方差贡献率。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
上述方案中，通过模数转换单元对获取的第一组标定点下的三轴磁传感器的测量
数据进行模数转换，并将模数转换后的信号发送给信息处理单元；通过信息处理单元对所
述模数转换后的信号进行处理，标定非对准误差矩阵；通过第一电源单元为所述三轴磁传
感器供电；通过第二电源单元为所述模数转换单元、信息处理单元、第一电源单元供电，这
样，能够在室外无电源的条件下长时间进行标定实验，且所述装置结构简单，便于携带。
附图说明
图1为本发明实施例提供的符号修正前后航向角误差示意图；
图2为本发明实施例提供的正交修正前后航向角误差示意图；
图3为本发明实施例提供的三轴磁传感器标定装置的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的三轴磁传感器标定装置的详细结构示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具
体实施例进行详细描述。
本发明针对现有的标定结果存在符号错误及标定设备不便携带且需要室外电源
为其供电的问题，提供一种三轴磁传感器标定方法及装置。
实施例一
参看图1所示，本发明实施例提供的一种三轴磁传感器标定方法，包括：
获取第一组标定点下三轴磁传感器的测量数据；
根据预先存储的三轴磁传感器坐标系标定结果和获取的所述第一组标定点下的
三轴磁传感器的测量数据，标定初始非对准误差矩阵
根据预先存储的所述三轴磁传感器坐标系标定结果及标定的所述初始非对准误
差矩阵对获取的第一组标定点下的三轴磁传感器的测量数据进行校正，将本次校正前
后的测量数据分别表示为hs和
对比hs和对应分量的符号，若hs和对应分量的符号不一致，则将对应分量取
负完成符号修正。
本发明实施例所述的三轴磁传感器标定方法，通过预先存储的三轴磁传感器坐标
系标定结果和获取的所述第一组标定点下的三轴磁传感器的测量数据，标定初始非对准误
差矩阵根据预先存储的所述三轴磁传感器坐标系标定结果及标定的所述初始非对准误
差矩阵对获取的第一组标定点下的三轴磁传感器的测量数据进行校正，将本次校正前
后的测量数据分别表示为hs和对比hs和对应分量的符号，若hs和对应分量的符号不
一致，则将对应分量取负完成符号修正，消除非对准误差矩阵存在的符号错误，从而能
够提高三轴磁传感器的测量数据校正精度，且无需依赖其他辅助传感器。
本实施例中，只需对获取的第一组标定点下的三轴磁传感器的测量数据进行处
理，就能消除非对准误差矩阵存在的符号错误，无需要其他的辅助信息：例如，辅助传感器
和航姿参考信息。
本实施例中，为了获取第一组标定点下三轴磁传感器的测量数据，首先，需将将所
述三轴磁传感器固定在三自由度手动转台上，并将所述三轴磁传感器电源线及信号线与三
轴磁传感器标定装置对应接口相连。对所述转台进行水平校准，打开所述三轴磁传感器标
定装置电源开关，调整所述转台姿态角，并逐个采集不同倾斜状态及航向角条件下的所述
三轴磁传感器的测量数据。
本实施例中，倾斜状态依次取水平、横滚+90°及俯仰+90°，在各倾斜状态下航向角
取值范围为0°-330°，间隔为30°；一个具体的倾斜状态及航向角对应一个标定点，将此时条
件下的标定点作为第一组标定点，所述第一组标定点用于非对准标定。
本实施例中，倾斜状态还可以依次取为水平、横滚±30°、横滚±60°、横滚+90°、俯
仰±30°、俯仰±60°、俯仰+90°，在各倾斜状态下航向角取值范围为0°-330°，间隔为30°；将
此时条件下的标定点作为第二组标定点，所述第二组标定点用于三轴磁传感器坐标系标
定。
本实施例中，获取所述第二组标定点下的三轴磁传感器的测量数据，得到三轴磁
传感器坐标系标定结果，所述三轴磁传感器坐标系标定结果包括：三轴磁传感器误差矩阵
零偏向量其中，
在前述三轴磁传感器标定方法的具体实施方式中，进一步地，所述根据预先存储
的三轴磁传感器坐标系标定结果和获取的所述第一组标定点下的三轴磁传感器的测量数
据，标定初始非对准误差矩阵包括：
根据预先存储的三轴磁传感器坐标系标定结果校正所述第一组标定点下的三轴
磁传感器的测量数据，并采用主成分分析法标定初始非对准误差矩阵其中，
表示的分量。
在前述三轴磁传感器标定方法的具体实施方式中，进一步地，所述根据预先存储
的三轴磁传感器坐标系标定结果校正所述第一组标定点下的三轴磁传感器的测量数据，并
采用主成分分析法标定初始非对准误差矩阵包括：
对的分量进行标定时，将所述三轴磁传感器绕载体x轴转动，获取第一组标定
点下的三轴磁传感器的n个测量数据
根据预先存储的三轴磁传感器坐标系标定结果对所述第一组标定点下的三轴磁
传感器的n个测量数据进行校正得到校正数据
对校正数据进行去均值处理得到去均值后的数据其中，所述
其中，表示的均值；
计算协方差矩阵并对角化，得到C＝Pdiag(λ1,λ2,λ3)
PT，P＝[P1,P2,P3]，λ1>λ2>λ3，则
其中，λ1,λ2,λ3是对角化后的协方差矩阵的特征值，P＝[P1,P2,P3]是对角化后的协
方差矩阵的特征向量，diag(·)表示对角矩阵，T表示转置；
的分量的标定过程与相同，标定时，所述三轴磁传感器分别绕载体
y轴与z轴转动，数据处理过程与相同，的取值等于各自标定过程的P3。
本实施例中，的分量进行标定后，得到
接着，对进行符号修正：从所述第一组标定点中取一个标定点，若在取的该标定
点下，三轴磁传感器的测量数据hs＝[-3801,46310,28677]T，对该测量数据进行校正，得到：
其中，中的-1表示逆矩阵，对比hs与
第2、3分量存在符号差异，对的第2、3列取负进行符号修正，符号修正后的为：
在前述三轴磁传感器标定方法的具体实施方式中，进一步地，所述对比hs和对应
分量的符号，若hs和对应分量的符号不一致，则将对应分量取负完成符号修正之后，所
述方法还包括：
将方差贡献率作为指标，评价各分量的标定效果，其中，方
差贡献率低表明标定效果好；
通过叉乘运算利用标定效果好的分量重新计算标定效果差的分量，其中，所述叉
乘运算的顺序按右手定则确定。
在前述三轴磁传感器标定方法的具体实施方式中，进一步地，所述通过叉乘运算
利用标定效果好的分量重新计算标定效果差的分量，其中，所述叉乘运算的顺序按右手定
则确定包括：
若αz<αx<αy，则根据正交修正表达式对符号修正后的进行正交修正，正交修正后
的表示为所述正交修正表达式为：
其中，αx,αy,αz分别为各分量的方差贡献率。
本实施例中，αx,αy,αz的作用是衡量的标定效果，αx,αy,αz取值越小说明标
定效果越好，正交修正表达式是以三者间的大小关系为依据的。例如，
若各分量的方差贡献率分别为：9.1×10-7，1.2×10-6，9.5×10-7，对
进行正交修正，则正交修正后的表示为其中，
修正后的为：
本实施例中，正交修正方法能够修正初始非对准矩阵存在的分量间不正交问题，
从而能够提高测量数据校正精度。
本实施例中，分别应用符号修正与正交修正后的标定结果无符号修正的标定
结果以及无正交修正的标定结果对所述三轴磁传感器的测量数据进行校正，并利用转
台提供的姿态角信息计算航向角误差。符号修正前后航向角误差如图1所示，正交修正前后
航向角误差如图2所示，如图1和图2所示，经符号修正与正交修正，校正后航向角最大误差
为0.40°，均方根误差为0.21°；无符号修正校正后航向角最大误差为180.00°，均方根误差
为102.90°；无正交修正校正后航向角最大误差为1.39°，均方根误差为0.62°。
实施例二
参看图3所示，本发明实施例还提供一种三轴磁传感器标定装置，包括：
模数转换单元11，用于对获取的第一组标定点下的三轴磁传感器的测量数据进行
模数转换，并将模数转换后的信号发送给信息处理单元；
信息处理单元12，用于对所述模数转换后的信号进行处理，标定非对准误差矩阵；
第一电源单元13，用于为所述三轴磁传感器供电；
第二电源单元14，用于为所述模数转换单元、信息处理单元、第一电源单元供电。
本发明实施例所述的三轴磁传感器标定装置，通过模数转换单元对获取的第一组
标定点下的三轴磁传感器的测量数据进行模数转换，并将模数转换后的信号发送给信息处
理单元；通过信息处理单元对所述模数转换后的信号进行处理，标定非对准误差矩阵；通过
第一电源单元为所述三轴磁传感器供电；通过第二电源单元为所述模数转换单元、信息处
理单元、第一电源单元供电，这样，能够在室外无电源的条件下长时间进行标定实验，且所
述装置结构简单，便于携带。
本实施例中，所述信息处理单元的功能可由个人电脑、平板电脑、可编程逻辑控制
器、智能芯片单元等实现。
如图4所示，本实施例中，所述第一电源单元可以是直流电源3，所述第二电源单元
可以包括：蓄电池4和逆变器5。所述装置除了包括：信息处理单元1、模数(AD)转换单元2、直
流电源3、蓄电池4、逆变器5，所述装置还包括：便携式机箱、电源开关6、充电接口7、电源接
口8、信号接口9及连接导线(其中，实线为供电连接导线，虚线为信号连接导线)；具体的，可
以在所述便携式机箱前面板安装信息处理单元1及电源开关6，在所述便携式机箱底板安装
AD转换单元2、直流电源3、蓄电池4及逆变器5，在所述便携式机箱后面板安装充电接口7、电
源接口8及信号接口9。这样，将各组件安装在所述便携式机箱内，便于携带；且所述装置还
配置有蓄电池及逆变器，能够在室外无电源的条件下长时间进行标定实验。
本实施例中，电源接口用于连接三轴磁传感器三轴磁传感器的电源线，直流电源
通过所述电源接口向三轴磁传感器供电，信号接口用于连接三轴磁传感器的信号线，AD转
换单元用于将三轴磁传感器的测量数据转化为数字信号，信息处理单元用于对所述转化后
的数字信号进行处理，输出标定结果；蓄电池是所述三轴磁传感器标定装置的电源，充电接
口用于连接蓄电池的充电线，电源开关用于接通和断开蓄电池供电连接，逆变器的输入是
蓄电池输出的直流电，输出是220V交流电，逆变器是对蓄电池输出电源进行转换，为信息处
理单元、AD转换单元及直流电源供电，操作简单。
在前述三轴磁传感器标定装置的具体实施方式中，进一步地，所述信息处理单元
包括：
获取模块，用于获取第一组标定点下的三轴磁传感器的测量数据对应的数字信
号；
标定模块，用于根据预先存储的三轴磁传感器坐标系标定结果和获取的所述第一
组标定点下的三轴磁传感器的测量数据对应的数字信号，标定初始非对准误差矩阵
校正模块，用于根据预先存储的所述三轴磁传感器坐标系标定结果及标定的所述
初始非对准误差矩阵对获取的第一组标定点下的三轴磁传感器的测量数据对应的数字
信号进行校正，将本次校正前后的测量数据分别表示为hs和
符号修正模块，用于对比hs和对应分量的符号，若hs和对应分量的符号不一
致，则将对应分量取负完成符号修正。
在前述三轴磁传感器标定装置的具体实施方式中，进一步地，所述信息处理单元
还包括：
评价模块，用于将方差贡献率作为指标，评价各分量的标定效果，所述
方差贡献率低表明标定效果好；
正交修正模块，用于通过叉乘运算利用标定效果好的分量重新计算标定效果差的
分量，所述叉乘运算的顺序按右手定则确定；
其中，所述正交修正模块，具体用于若αz<αx<αy，则根据正交修正表达式对符号修
正后的进行正交修正，正交修正后的表示为所述正交修正表达式为：
其中，αx,αy,αz分别为各分量的方差贡献率。
以上所述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，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也
应视为本发明的保护范围。