三轴磁航行测量误差分析及补偿

三轴磁航行测量误差分析及补偿

0飞机误差补偿实验众所周知，三轴磁传感器的洛差修正是一项极其困难的工作。许多科学家努力工作，取得了显著的成就。虽然使用了porzon公式具有很高的补偿精度，但使用系数的方法仍然困难，需要额外的测试程序。这对操作人员有要求，相对工作量大，不适合批处理。针对这种情况,本文通过对捷联式三轴磁航向系统误差成因的分析和大量实验,提出了一套在飞机上简单、快速的误差调节和补偿方法。不但减小了测量误差,而且大大提高了工作效率。1测量原理和误差分析在飞机上,磁航向定义为:飞机纵轴在水平面上的投影与磁子午面的夹角为磁航向角。1.1航姿系统的组成在飞机上,将三轴智能磁传感器沿飞机机体的三个坐标轴安装,即可敏感地磁场沿飞机机体坐标的三个分量(TX,TY,TZ),用垂直陀螺来敏感飞机的姿态角(θ,γ),用下列公式即可求得磁航向角。TX=TX″cosθ+TY″sinθsinγ+TZ″sinθcosγ,TY=TY″cosγ-TZ″sinγ,TZ=-TX″sinθ+TY″cosθsinγ+TZ″cosθcosγ,式中TX″,TY″,TZ″表示在θ≠0,γ≠0时沿机体坐标轴的磁场分量,T;TX,TY,TZ表示在θ≠0,γ=0时沿机体坐标轴的磁场分量,T;θ,γ表示飞机的姿态角,(°)。Φ=arctg|-TY/TX|,(1)式中Φ表示磁航向角,(°)。根据式(1)和TX,TY的符号即可确定磁航向。用智能磁传感器和垂直陀螺可组成简易航姿系统。组成框图如图1所示。(1)采用的HMR2300三轴智能弱磁传感器是基于磁阻传感器的原理,它首先采用磁阻敏感原件,由长而薄的坡膜合金(一种铁镍合金)薄膜制成磁阻敏感元件。将这种磁阻元件设计封装成一维和两维磁敏感方式,其中两维是封装在一起且相互垂直的双磁场传感器。根据其工作原理,其输出信号用仪表放大器进行放大,同时要对磁传感器进行一系列的操作,比如置位复位。磁耦合带可以在桥路上电子化地试加一个偏置磁场,这可以消除不需要的外界磁场,同时提供反馈信号电流,在电流带上形成闭环零磁场测量电路。这些操作都是通过微处理器来实现的。(2)垂直陀螺采用TC-9型二自由度垂直陀螺仪,属于机械式工作原理,垂直准确度优于0.5°,在飞机上用来敏感姿态角(θ,γ)。(3)A/D采样及解算电路是信息处理的综合单元,通过RS232接口电路对三轴智能磁传感器进行初始化,同时接收传感器模块的输出信号。通过高精度A/D转换电路采样姿态角(θ,γ)。计算机电路用51系列中以80C320为核心的基本配置电路,主要完成航向的解算与误差补偿。该芯片的优势是自带两个串行口,使用极为方便。1.2使用环境误差通过分析,三轴磁航向传感器的应用存在以下两类误差:(1)传感器本身的误差,包括每个通道的零位误差;通道间的灵敏度度误差、正交偏差;(2)使用环境误差,包括安装误差和罗差。其中安装误差主要反映在传感器的零位偏差上,一般通过精密工装、精心调节,可将误差消除在较小的范围内。当然该误差也可记在传感器本身的零位上;另外,由于传感器周围铁磁物质的影响,使得航向输出值偏离传感器周围无铁磁物质影响时的磁航向值,这个偏差值就是罗差。当然,罗差本身可分解为传感器的零位误差、灵敏度误差和正交误差。2系统误差原因针对以上分析,在实验室内经过试验研究,发现在有罗差的情况下系统误差原因主要表现为两方面:一种是对传感器零位的影响;另一种是对其灵敏度的影响。当然,罗差也可引起轴间正交误差。可见系统的误差补偿主要可以归结到两点:一是正交误差;二是零位和灵敏度误差。2.1z轴磁传感器输出值的修正在水平状态下,理论上的坐标轴为XOY,但由于制造等原因,实际上为X1OY1(如图2)。OX1和OY1之间存在着正交误差,在水平状态下,OY1轴指向磁北时,OX1轴有一微小的信号输出,而理论上应该为零,那末X轴的读数应该修正为UX=UX1-UY1sinα=UX1-UY1K1,(2)式中α为磁倾角;K1为比例系数。同理可以推出Z轴的校正公式为UZ=UZ1-K2UX1-K3UY1,(3)式中UX,UY,UZ三轴磁传感器的输出值;K2,K3是比例系数。2.2零位和灵敏度误差包括罗氏差的补偿在没有误差的情况下,X,Y轴的输出对应关系可用图3表示,在坐标系上映射出一个圆。(1)uxxxx.当X轴和Y轴有零位误差时如图4所示。那末X和Y轴的零位为δUX=(|UXmax|-|UXmin|)/2,(4)δUY=(|UYmax|-|UYmin|)/2.(5)修正值为UX输出=UX读数-δUX,UY输出=UY读数-δUY.(6)(2)计算表1uxx-uxmin/uumx-uynin当X轴和Y轴的输出灵敏度不一致时,这个圆变为一个椭圆,如图5所示。K=(UXmax-UXmin)/(UYmax-UYmin).(7)假设以X轴输出为基准,那末为UX=UX读数,修正值为UY=UY读数K.(8)2.3灵敏度的影响检验以上讨论了两个水平轴的罗差补偿原理,垂直分量同样受到环境的干扰,经大量的实验数据分析,垂直分量的干扰误差主要影响其零位,当然灵敏度也略有影响。一般情况下,在姿态角(≤30°)不大情况下,灵敏度的影响可省略。这样通过磁子午面上的水平分量值和磁倾角可求出无影响时的垂直分量,通过下式可求出零位修正值来。UZ1=[(|UXmax|+|UXmin|)/2)×tgα.(9)求垂直分量零位误差为δUZ0=UZ1-(UZmax+UZmin)/2.(10)垂直分量修正值为UZ=UZ读数+δUZ0.(11)3x、y-z轴的自动补偿通过以上理论分析,可按以下方法进行补偿:(1)传感器正交误差的补偿:将传感器装在无磁转台上,测出0°,90°,180°,270°时每轴的输出,就可确立K1,K2,K3,然后,通过式(2),式(3)进行修正;(2)零位、灵敏度误差的补偿,在水平状态下,将传感器转一圈,计算机将自动测出X,Y轴的最大和最小输出,通过式(4)～式(11)求出修正值,由计算机进行自动补偿;(3)在飞机上使用时,无须在实验室内修正,将传感器直接装在飞机上后,可进行软件自动补偿,即用一开关指令打开修正程序,同时装订当地的磁倾角值,飞机水平转动一圈后,计算机自动识别X,Y,Z轴读数的最大值和最小值,可由公式算出δUX,δUY,δUZ和比例系数K,实现自动补偿。按照以上方法,在某无人机上进行了实际测试,结果如表1所示。4倾斜状态下误差的变化用这种补偿方法,对HMR2300传感器进行了补偿