Question

我和我的团队正在参加ESA Astro Pi挑战。我们的程序将在ISS上运行3个小时，我们将返回结果并对其进行分析。

我们想研究Sense HAT磁力计的磁强度测量结果与世界磁模型（WMM）的预测之间的联系。我们想研究Sense HAT上磁力计的准确性。

该程序将从Sense HAT中获取微特斯拉中的原始磁力计数据（X，Y和Z），并按照British geological survey's article中所述计算H和F值（本节2.1）。然后将它们以及使用ephem计算的时间戳和位置保存到CSV文件中。

然后，我们将比较来自ISS和WMM的Z，H和F值，并使用我们的数据和差异创建映射（如图6、8和10）。然后，我们将研究Sense HAT磁力计数据的准确性。

我们想将我们的数据与WMM数据进行比较，以了解Sense HAT磁力计的准确性如何，但存在磁力计方向始终不同的问题。因此，我们的数据将始终（与WMM完全不同），因此我们将无法正确比较它们。

我们与Astro Pi支持团队进行了交谈，他们建议“对角度测量进行归一化，以便看起来像是由对准北/南的设备进行的测量。”

不幸的是，我们（和他们）不知道该怎么做，所以他们建议在Stack Exchange上问这个问题。我在Math Stack Exchange，Physics Stack Exchange和Raspberry Pi Forums上问过。毫无生气，他们没有收到任何答案，所以我再次问这个问题。

我们该怎么做？我们拥有时间戳，ISS位置（纬度，经度，海拔），磁数据（X，Y和Z）以及从北方来的方向的数据。

我们想规范化我们的数据，以便我们能够将它们与WMM中的数据正确比较。

这是我们程序的一部分，该程序计算磁力计的值（未获得归一化的数据）：

compass = sense.get_compass_raw()

try:
    # Get raw data (values are swapped because Sense HAT on ISS is in different position)
    # x: northerly intensity
    # y: easterly intensity
    #  z: vertical intensity
    x = float(compass['z'])
    y = float(compass['y'])
    z = float(compass['x'])

except (ValueError, KeyError) as err:
    # Write error to log (excluded from this snippet)
    pass

try:
    # h: horizontal intensity
    # f: total intensity
    # d: declination
    # i: inclination
    h = sqrt(x ** 2 + y ** 2)
    f = sqrt(h ** 2 + z ** 2)
    d = degrees(atan(y / x))
    i = degrees(atan(z / h))

except (TypeError, ValueError, ZeroDivisionError) as err:
    # Write error to log (excluded from this snippet)
    pass

我们的代码中还提供了一些简单的模拟器：https://trinket.io/library/trinkets/cc87813ce7

来自Astro Pi团队的有关磁力计位置和位置的电子邮件的一部分：

Z穿过Sense Hat的中间。

X在USB端口和SD卡插槽之间运行。

Y从HDMI端口延伸到40针引脚接头。


在ISS上，AstroPi的方向是以太网+ USB端口面向甲板，而SD卡插槽朝向天空。   因此，这基本上是从平面绕Y轴旋转。因此，您将Y轴保持不变，并围绕Z和X进行交换。


它可以帮助您查看ISS哥伦布模块内部的Google Street视图，以更好地了解AstroPi的位置；   https://www.google.com/streetview/#international-space-station/columbus-research-laboratory

如果将摄像机向下和向右平移，则会看到绿灯-这就是AstroPi。整个空间站的行进方向朝着可充气的地球球，您可以在左侧看到它。



因此，从广义上讲，SD卡插槽指向方位角，而远离地球中心（即X轴）。   LED矩阵面向空间站的行进方向（Z轴）。

由于国际空间站的轨道路径，Z和Y轴在绕地球移动时将相对于两极不断改变方向。



所以，我猜您想对角度测量进行归一化，以使其看起来像是由对准北/南的设备进行的测量？

Answer 1

我认为您需要创建类似于 NEH （北，东，高/海拔/上）的本地参考坐标系，

Representing Points on a Circular Radar Math approach。

它通常在航空中用作参考系（标题是从中得出的），因此参考系是根据地理位置及其指向北，东和上< / strong>。

现在的问题是aligned North/South和normalizing是什么意思。？？

如果参考设备仅测量投影，则您需要执行以下操作：

dot(measured_vector,reference_unit_direction)

方向为North方向，但作为单位矢量。

如果参考设备也测量了全3D ，那么您需要将参考数据和经过测试的测量数据都转换为同一坐标系。通过使用

transform matrices

如此简单的matrix * vector乘法就可以了...只有然后计算值H,F,Z，我不知道它们是什么，而且太懒了以致无法阅读论文...会期望{{1} }或E,H向量。

但是，如果在测量时刻没有地理位置，则相对于国际空间站的B方向仅以欧拉角的形式，因此根本无法构造3D参考系（除非您有2个已知向量，而不是像UP这样的向量）。在这种情况下，您需要使用选项1 projection （使用点积和北向矢量）。因此，之后您将只处理标量值而不是3D向量。

[Edit1]

通过您的链接：

地磁场矢量B由正交描述分量X（向北强度），Y（向东强度）和Z （垂直强度，向下为正）；

这不是我的专业领域，所以我在这里可能是错的，但这是我的理解方式：

North-磁场矢量
B(Bx,By,Bz)-加速

现在a(ax,ay,az)的大小为F，因此其旋转不变：

B

您需要计算NED参考帧（北，东，下）中B的X，Y，Z值，因此首先需要基向量：

F = |B| = sqrt( Bx*Bx + By*By + Bz*Bz )

您应该使它们可视化地检查它们是否指向正确的方向，如果不通过重新排列交叉操作数取反它们的话（我可能使用了错误的顺序来代替使用Up向量）。现在，只需将Down = a/|a| // gravity points down North = B/|B| // north is close to B direction East = cross(Down,North) // East is perpendicular to Down and North North = cross(East,Down) // north is perpendicular to Down and East, this should convert North to the horizontal plane转换为 NED 即可：

B

现在您可以计算X = dot(North,B) Y = dot(East,B) Z = dot(Down,B)

H

所需的向量数学运算将在上面的转换矩阵链接中找到。

请注意，只有在不存在加速度的情况下（传感器在操作过程中未将机械臂放在机械臂上，或者ISS并未在灼伤……），此方法才有效。否则，您需要获取 NED >框架不同（例如车载系统）

如果这不能正常工作，则可以从ISS位置计算NED，但是为此，您需要知道传感器相对于提供位置的仿真模型的确切方向和位移。我不知道ISS会做什么样的轮换，所以除非万不得已，否则我不会碰那个话题。

恐怕我将有一段时间没有编码时间了……总之，如果没有样本输入数据也没有坐标系统说明，并且所有输入/输出变量都是疯狂的，那么编码……简单的轴取反将使编码无效。整个过程中都有很多重复项，要覆盖所有这些重复项，您最终会有很多版本尝试...

应逐步构建应用程序，但恐怕无法访问仿真或实际硬件是不可能的。还有很多事情可能会出错...使即使简单的程序也难以编写代码...我将首先检查H = sqrt( X*X +Y*Y )，因为它不需要任何“规范化”即可查看是否结果是否正确。如果关闭，则可能表明其他单位或上帝知道...

归一化地磁场磁场

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