張俊生,馮 波,王志興,管 軍

(南京理工大學(xué) 理學(xué)院,江蘇 南京 210094)

磁阻傳感器的地磁信號(hào)干擾研究和修正

張俊生,馮 波,王志興,管 軍

(南京理工大學(xué) 理學(xué)院,江蘇 南京 210094)

針對(duì)地磁場(chǎng)信號(hào)很微弱造成的與彈體橫截面采集的兩路正交地磁信號(hào)直接相關(guān)的滾動(dòng)角值很容易受到彈體環(huán)境干擾的問題,對(duì)此兩路正交地磁信號(hào)進(jìn)行了干擾影響分析及其修正算法研究,介紹了有局限性的橢圓擬合的誤差補(bǔ)償算法。在此基礎(chǔ)上,提出了一種相位修正的算法,通過對(duì)方位檢測(cè)系統(tǒng)的地面仿真測(cè)試數(shù)據(jù)和實(shí)彈飛行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行算法驗(yàn)證研究,證明了該算法可有效消除干擾,能夠一定程度上消除地磁信號(hào)的干擾,對(duì)提高滾動(dòng)角的解算精度具有實(shí)用價(jià)值。

滾動(dòng)角;磁阻傳感器;方位檢測(cè)系統(tǒng);橢圓擬合;相位修正

Abstract:Rolling angle collected by the cross section of missile is directly related to the two orthogonal geomagnetic signals,and it is easy to be disturbed by the environment because of the weak geomagnetic signal.Aiming at this problem,the interference and correction algorithm were analyzed.An ellipse-fitting compensation algorithm was introduced.On this basis,the phase correction algorithm was proposed.The ground simulation test data on the orientation detection system and the real data of bullet were tested and verified.The result shows that the algorithm can eliminate the interference and reduce the impact of interference,and it is of practical value to improve the measurement accuracy of geomagnetic signal and the accuracy of attitude parameters.

Keywords:rolling angle;magnetoresistive sensor;azimuth measurement system;ellipse-fitting;phase correction

導(dǎo)航系統(tǒng)在飛行體、艦船、車輛等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,傳統(tǒng)的導(dǎo)航方法利用陀螺技術(shù),但飛行體在應(yīng)用慣性器件測(cè)量姿態(tài)時(shí),高過載、高量程、高成本、小體積等問題使得慣性器件受到一定的限制[1]。與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)相比,地磁場(chǎng)是天然的矢量場(chǎng)[2],借助地磁方位傳感器來實(shí)現(xiàn)小型高強(qiáng)度飛行體導(dǎo)航具有很大的優(yōu)勢(shì)。在我國境內(nèi),地磁總量在40～60 μT之間[3],地磁場(chǎng)的強(qiáng)度比較弱,因此地磁導(dǎo)航也很容易受到飛行體內(nèi)部結(jié)構(gòu)及試驗(yàn)環(huán)境的干擾,本文對(duì)這些在實(shí)際情況中遇到的問題進(jìn)行深入研究,重點(diǎn)介紹硬磁干擾、軟磁干擾、安裝誤差和非正交誤差對(duì)地磁測(cè)量精度的影響及減少干擾的修正算法研究。

滾動(dòng)角的測(cè)量精度決定了旋轉(zhuǎn)彈體導(dǎo)航的控制精度和控制效率,而其大小與彈體橫截面的兩路地磁信號(hào)有關(guān),故本文在基于異向磁阻傳感器測(cè)量地磁信號(hào)原理基礎(chǔ)上,對(duì)彈體橫截面的兩路正交地磁信號(hào)進(jìn)行干擾分析研究,介紹地磁信號(hào)所受的干擾來源,以及干擾對(duì)地磁信號(hào)正交曲線造成的影響;對(duì)橢圓擬合補(bǔ)償算法和相位修正算法進(jìn)行了深入的分析;通過方位檢測(cè)仿真系統(tǒng)和實(shí)彈飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行算法驗(yàn)證,證明了該算法有一定的實(shí)用價(jià)值。

1 方位檢測(cè)系統(tǒng)的原理與結(jié)構(gòu)

1.1 彈體橫截面地磁信號(hào)的測(cè)量原理

測(cè)量地磁場(chǎng)在彈體橫截面上的兩路正交分量在原理上可以依賴于固定在彈體橫截面上的單個(gè)雙軸磁阻傳感器[1]。如圖1所示,在彈體坐標(biāo)系上,Obybzb平面為彈體的橫截面,地磁場(chǎng)B在彈體縱軸方向上的分量為Bbx,在彈體橫截面上的投影為Br,三者的關(guān)系式為

(1)

(2)

式中:γ0定義為基準(zhǔn)角,其大小與偏航角、俯仰角和地磁矢量B有關(guān)。由于彈載計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度很快,彈體飛行距離較小,可以認(rèn)為,彈體偏航角、俯仰角和地磁矢量B保持不變,因此式(2)中γ0在本文分析中作常數(shù)處理,γ和Bby,Bbz成函數(shù)關(guān)系。

1.2 方位檢測(cè)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

該方位檢測(cè)系統(tǒng)由地磁方位傳感器、三維轉(zhuǎn)臺(tái)(偏航、俯仰、滾動(dòng))、模擬彈體、串口通信等部分組成,地磁方位檢測(cè)系統(tǒng)電路框架圖如圖3所示。

2 檢測(cè)系統(tǒng)干擾分析與誤差補(bǔ)償

2.1 干擾分析

地磁信號(hào)很微弱,會(huì)受到外界環(huán)境的干擾,干擾因素包括硬磁干擾、軟磁干擾、非正交誤差和安裝誤差等[5-6],在實(shí)際中硬磁干擾和軟磁干擾為主要干擾來源。

硬磁干擾是由于硬鐵材料帶來的附加磁場(chǎng)而產(chǎn)生的干擾,圖4為硬磁干擾下的兩路地磁信號(hào)的正交輸出曲線,散點(diǎn)圖中心位置偏移,即數(shù)據(jù)向某一方向整體移動(dòng)。

圖5為軟磁干擾下的兩路正交地磁信號(hào)的正交輸出曲線,軟磁影響來源于地磁場(chǎng)和主平臺(tái)的軟磁材料的交互影響,其磁性大小和方向隨著周圍環(huán)境磁場(chǎng)的大小和方向變化而變化[7]。

在實(shí)際的測(cè)量環(huán)境中,Bby,Bbz的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

Bby=Asin(ωt+φ1)+C1
Bbz=Acos(ωt+φ2)+C2

(3)

式中:A為振幅,與傳感器的靈敏度有關(guān);φ1,φ2為初相位,其相位差值與軟磁干擾、安裝誤差和非正交誤差有關(guān);C1,C2為振幅偏移直流分量,與硬磁干擾有關(guān);ω為彈體旋轉(zhuǎn)角速度。當(dāng)參數(shù)φ1=φ2,C1=C2=0時(shí),兩者的正交輸出曲線(李薩如圖)為理想圓。

2.2 橢圓擬合補(bǔ)償算法

橢圓擬合補(bǔ)償算法補(bǔ)償過程:將磁阻傳感器及模擬彈體固定在方位檢測(cè)系統(tǒng)上,以固定俯仰角和偏航角旋轉(zhuǎn)360°,分別記錄整個(gè)過程中yb軸和zb軸上的最大、最小磁場(chǎng)值,通過以下公式進(jìn)行計(jì)算補(bǔ)償[8]:

(4)

將2.1節(jié)中兩路地磁信號(hào)式(3)代入到橢圓修正算法式(4)中,可求出標(biāo)度系數(shù)Bby,sf和地磁信號(hào)振幅偏移量Bby,off:

(5)

2.3 相位修正算法

在實(shí)際的測(cè)量中,由于安裝誤差、非正交誤差及軟磁干擾等因素,2個(gè)正交軸測(cè)量的地磁信號(hào)之間產(chǎn)生相位偏移,造成橢圓的長短軸并非完全與坐標(biāo)軸重合,而存在一定的夾角ψ,如圖6所示。

橢圓擬合補(bǔ)償算法只是將橢圓中心點(diǎn)修正到原點(diǎn),完成了平移修正。為了解決旋轉(zhuǎn)修正,提出如下相位修正算法。地磁信號(hào)Bby,Bbz由于軟磁干擾和安裝誤差等影響,可以等效于兩坐標(biāo)軸不再正交,其兩路信號(hào)的相位差發(fā)生了變化,圖7為地磁投影示意圖,yb軸不垂直于zb軸。其中:Br為地磁場(chǎng)在該平面上的投影分量,Bbz是Br在zb軸上的投影分量,夾角為α;Bby是Br在yb軸上的投影分量,yb,zb軸的夾角為90°+θ。

由圖7可求出實(shí)際測(cè)量的兩路地磁信號(hào):

Bbz=Brcosα
Bby=Brsin(90°-α+θ)

(6)

由式(6)可知,yb軸的初始相位不為0,需要修正。將式(6)中yb軸信號(hào)整理為

Bby=Brsinαcosθ-Bbzsinθ

(7)

(8)

由于zb軸信號(hào)初始相位為0,因此不需要修正,則

(9)

由于Bby和Bbz是測(cè)量值,當(dāng)Bbz取得最大值時(shí),α=0,求出Bbz,max對(duì)應(yīng)的Bby,對(duì)式(7)整理可求出θ的正弦值:

(10)

3 算法的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 方位檢測(cè)系統(tǒng)的地磁信號(hào)修正

測(cè)量系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺(tái)在電機(jī)帶動(dòng)下勻速旋轉(zhuǎn),其中偏航角和俯仰角固定,抽取旋轉(zhuǎn)一周的數(shù)據(jù),繪出彈體橫截面上yb軸地磁信號(hào)Bby的測(cè)量值UBby隨時(shí)間變化曲線,如圖8所示。由圖可見,曲線形狀近似為正弦波,橢圓補(bǔ)償后的曲線相對(duì)于原始曲線有上下的移動(dòng),而消除相差后的曲線相對(duì)于橢圓補(bǔ)償后曲線有左右的平移,相位有一定修正。

圖9為1/2周期內(nèi)滾動(dòng)角隨時(shí)間的變化曲線。由圖可知,實(shí)際的滾動(dòng)角曲線為斜線,修正后滾動(dòng)角數(shù)據(jù)更接近于實(shí)際曲線,在實(shí)驗(yàn)室條件下,修正最大誤差角為9°左右。

3.2 實(shí)彈飛行下的地磁信號(hào)修正

圖10為根據(jù)在某基地進(jìn)行的實(shí)彈穩(wěn)定飛行的部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)所繪制的地磁信號(hào)強(qiáng)度隨時(shí)間的變化曲線,曲線光滑無折痕,彈體坐標(biāo)系上yb軸和zb軸地磁信號(hào)振幅產(chǎn)生偏移,相位差不等于90°,存在干擾,需要進(jìn)一步修正。

圖11為圖10中選取一個(gè)周期的地磁信號(hào)所繪制的李薩如圖形曲線,其中各曲線與圖9的曲線一致。與2.3節(jié)中所分析的一樣,原始曲線圖形為傾斜的橢圓,且中心點(diǎn)偏離原點(diǎn)。與檢測(cè)系統(tǒng)的曲線圖相比,實(shí)彈飛行曲線更光滑,說明彈體速度均勻,環(huán)境干擾較小,但從圖11中可發(fā)現(xiàn),固有的干擾依然存在,相位修正后的曲線比原始曲線更接近于理想曲線,說明算法體現(xiàn)出一定的抗干擾能力,有實(shí)用價(jià)值。

4 結(jié)論

本文分析了相互垂直的實(shí)測(cè)地磁信號(hào)Bby,Bbz,認(rèn)為地磁信號(hào)會(huì)受到各種干擾的影響,在分析的基礎(chǔ)上可以得到如下結(jié)論:

①硬磁干擾能引起橢圓的圓心發(fā)生二維平移,這主要是彈體結(jié)構(gòu)對(duì)傳感器的磁影響造成的,橢圓補(bǔ)償算法可有效消除這種干擾;

②安裝誤差、磁阻傳感器制造誤差和軟磁干擾影響地磁信號(hào)Bby,Bbz,引起振幅、相位變化,形成的橢圓具有旋轉(zhuǎn)特性,系統(tǒng)固有,可用上述橢圓補(bǔ)償算法和相位修正算法進(jìn)行修正;

③橢圓補(bǔ)償算法本質(zhì)是對(duì)振幅和振幅偏移量變化進(jìn)行完全修正,而相位修正算法是對(duì)相位差變化實(shí)現(xiàn)修正,2種算法的修正原理不同,但可以結(jié)合使用,達(dá)到修正的目的。

本文采用仿真測(cè)試數(shù)據(jù)、實(shí)彈模擬飛行數(shù)據(jù)對(duì)算法進(jìn)行了深入驗(yàn)證,證明了算法消除干擾的有效性,對(duì)安裝誤差、非正交誤差及磁阻傳感器的制造誤差的校正同樣有效。所以,2種算法提高了地磁信號(hào)Bby,Bbz測(cè)量精度,從而提高了彈體姿態(tài)的解算精度,有一定實(shí)用價(jià)值。

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ResearchandCorrectionofGeomagneticSignalInterferenceinMagnetoresistiveSensor

ZHANG Jun-sheng,FENG Bo,WANG Zhi-xing,GUAN Jun

(School of Science,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China)

2016-11-17

張俊生(1992- ),男,碩士研究生,研究方向?yàn)榈卮艑?dǎo)航。E-mail:1453790797@qq.com。

馮波(1979- ),男,講師,研究方向?yàn)闇y(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器。E-mail:anchoretf@njust.edu.cn。

TJ303.4

A

1004-499X(2017)03-0038-05