[发明专利]一种基于磁传感器组合的飞行器姿态测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于磁传感器组合的飞行器姿态测量方法。

背景技术

现有技术中，对于飞行器飞行姿态参数的获取，可采用的技术很多，如太阳方位角测试法、惯性测量组合是通过测量飞行器的角速度来解算飞行器的姿态角;无陀螺惯性测量组合是通过测量飞行器的加速度来解算飞行器的姿态角，这几种方法仅就飞行器的滚转角测试而言是完全可以的，但是需要昂贵的成本，并且对于高旋飞行器来说，目前的微惯性器件还不能在量程和精度上达到要求。因此，研制能有效提高弹体姿态探测精度，低成本并且抗高过载的方法迫在眉睫。

近年来，随着地磁理论的不断完善以及传感器、微处理器和导航算法的日趋成熟，地磁导航技术获得了快速的发展，并以其隐蔽性好、成本低和精度适中等优点成为了当前测姿导航研究领域的一个热点。地球的磁场比较稳定，它能够在弹体飞行定姿中发挥巨大的作用，其由几种不同来源的磁场迭加构成的。主要可以分为两大部分：一部分是起源于地球内部的稳定磁场，另一部分是来源于地球外部的变化磁场。变化磁场的强度比稳定磁场要弱得多，最大变化量也只占地磁场强度的2～4%，因此稳定磁场是地磁场的主要部分。而且地磁场有相当好的模型，它的强度和方向是位置的函数，具有很好的矢量响应性，可以通过探测地磁场的特性参数，再结合其他已知条件进行解算，得出载体的姿态。

地磁的磁阻传感器测量精度较高，响应速度能够满足弹体姿态测试的要求，是很有前景的姿态测试传感器。利用磁探测技术测量弹丸地磁场的各个信号分量，通过计算获得弹丸的实时空间姿态，作为组合导航系统的导航信息，可以提高系统的整体导航精度及导航性能；而且其误差不随时间积累，体积小、可靠性高、响应速度快、具有高的抗过载能力、不受天气的影响可全天侯工作。

中北大学的曹红松、北京理工大学的冯顺山提出了地磁陀螺组合弹药姿态探测技术，将三维地磁传感器与全固态微机械陀螺捷联安装在弹体上，地磁传感器的敏感轴对准弹体坐标系的三个轴向，陀螺敏感轴对应于弹体纵轴，利用单轴陀螺测量弹体某一姿态角角速率，再利用三轴地磁传感器探测地磁矢量在弹体坐标系上的投影、采用单点算法联立求解弹体的三维姿态，易于满足实时性要求且误差不累积，该方案的全固态特性适合常规弹药使用，但硅微陀螺具有初始温飘特性，必须在使用中进行补偿;此外地磁探测存在盲区，在应用中需要通过添加冗余传感器的方法保证测量数据的连续可靠。

北京理工大学的王广龙与华北工学院的祖静、张文栋、马铁华利用大地磁场特性，采用地磁场传感器测量弹丸姿态。该地磁场传感器的三轴固联于弹体坐标系，用于测量各轴向的地磁场分量，另外通过辅助方法测量俯仰、偏航或滚转中的任一量，从而确定飞行体坐标系在大地坐标系中的姿态角;该地磁场传感器结构简单、抗冲击能力强，设计的信号检测电路灵敏度高、工作稳定，在弱信号放大及电路设计方面采用了特殊处理方法，整个测量系统无需外测，性能价格比高，是一种有研究价值和应用前景的姿态测量器件，己成功应用于某型导弹的姿态测量，且测量精度完全满足要求。但该方法需要使用辅助手段测量任一姿态分量，因此从本质上来讲仍无法完全依靠地磁场实现自主姿态辨识。

现有的利用地磁场探测的方法原理简单，可以全天候工作，抗高过载能力强同时具有好的频响，但其不能独立测定姿态，需要与其他传感器配合才能确定姿态。最常见的是使用磁传感器测出地磁场在载体坐标系三轴上的分量，再结合加速度计或陀螺仪测得的倾斜角度，解算出载体姿态，这种加速度计和磁传感器组合只能在载体静止或线加速度不大的情况下使用。在姿态测试方面，磁传感器主要应用于卫星的姿态测量及控制以及飞机的导航。哈尔滨工业大学的黄旭等人对磁强计、微机械加速度计和微机械陀螺组合定姿进行研究，利用三轴加速度计输出判断载体是否处于线加速运动状态，如果载体处于线加速运动状态，则根据微机械陀螺的测量，采用等效旋转矢量法计算载体姿态;如果未处于线加速运动状态，则利用加速度计和磁传感器计算载体姿态，并可利用此姿态角来校正陀螺漂移。中北大学的祖静、李海涛等人利用无陀螺捷联惯导系统和三轴磁强计构成组合测试系统，以磁强计辅助无陀螺捷联惯导系统限制误差的增长，减小累积误差，提高系统的姿态角解算精度。由此可见，磁传感器虽然具有体积小、成本低、灵敏度高、抗干扰能力强、无积累误差等特性，但由于三轴磁传感器不能提供三个独立方程，使得磁传感器只能结合其他传感器使用，在载体姿态测量中处于辅助测量的地位。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于磁传感器组合的飞行器姿态测量方法，仅通过磁传感器即可实现飞行器姿态角的测量。

实现本发明目的技术方案：