海軍裝備部 李 赟

引言：地磁導(dǎo)航具有無源、無輻射、全天候、全地域、能耗低的優(yōu)良特征，其原理是通過地磁傳感器測得的實(shí)時(shí)地磁數(shù)據(jù)與存儲在計(jì)算機(jī)中的地磁基準(zhǔn)圖進(jìn)行匹配來定位。與其它有源制導(dǎo)和導(dǎo)航方式相比，地磁制導(dǎo)與導(dǎo)航在軍事領(lǐng)域有著無可比擬的優(yōu)勢。如果把慣導(dǎo)與地磁匹配技術(shù)組合使用,利用慣導(dǎo)系統(tǒng)的短期高精度彌補(bǔ)地磁匹配系統(tǒng)易受干擾等不足，利用地磁匹配技術(shù)的長期穩(wěn)定性，則可實(shí)現(xiàn)慣性/地磁組合導(dǎo)航。

1 慣性/地磁組合導(dǎo)航系統(tǒng)方案

1.1 慣性/地磁組合導(dǎo)航原理

根據(jù)地球上每一點(diǎn)的經(jīng)緯度和離地心的高度都可以確定該點(diǎn)磁場矢量，只要能夠測定載體所在位置的地磁場特征信息，就可估計(jì)出其所在位置。慣性/地磁組合導(dǎo)航就是利用地球固有的物理場（地磁場）與慣導(dǎo)系統(tǒng)組合，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位的一種無源導(dǎo)航方法。其本質(zhì)是在載體運(yùn)行過程中，通過磁傳感器獲得航跡上的地磁數(shù)據(jù)，與基準(zhǔn)地磁數(shù)據(jù)庫進(jìn)行對比，以此確定載體的估計(jì)位置，并通過與慣性導(dǎo)航設(shè)備構(gòu)成的組合導(dǎo)航濾波器估計(jì)慣性參數(shù)誤差，并以此進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)長航時(shí)、高精度自主導(dǎo)航定位。

1.2 慣性/地磁組合導(dǎo)航系統(tǒng)

慣性/地磁組合導(dǎo)航系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 慣性/地磁組合導(dǎo)航系統(tǒng)框圖

慣性/地磁組合導(dǎo)航系統(tǒng)主要包含地磁信息采集部分（MR3300數(shù)字羅盤及接口電路）、里程計(jì)采集電路、慣導(dǎo)系統(tǒng)以及信息處理計(jì)算機(jī)四部分。HMR3300數(shù)字羅盤測量所在位置的磁場強(qiáng)度，利用地球物理信息，在合適的區(qū)域引入地磁匹配信息進(jìn)行位置誤差修正；采用里程計(jì)獲取載體路程變化，與慣導(dǎo)系統(tǒng)組成的航位推算系統(tǒng)，通過里程計(jì)的輸出和慣導(dǎo)提供的姿態(tài)信息進(jìn)行位置解算，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位；慣導(dǎo)輸出載體姿態(tài)信息，與數(shù)字羅盤、里程計(jì)構(gòu)成組合導(dǎo)航系統(tǒng)，利用組合導(dǎo)航算法實(shí)現(xiàn)長航程、高精度導(dǎo)航定位；信息處理計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)輸入融合與導(dǎo)航算法的實(shí)現(xiàn)，同時(shí)輸出導(dǎo)航信息。

2 HMR3300硬件設(shè)計(jì)

2.1 HMR3300型數(shù)字羅盤介紹

霍尼韋爾HMR3300型數(shù)字羅盤功能如下：

1）以霍尼韋爾HMC1021/HMC1022型單軸或雙軸式磁場傳感器為基礎(chǔ)，提供相對于甲板水平位置的傾斜傳感功能（縱傾與側(cè)傾）；

2）配有三軸磁場傳感器和雙軸式加速度計(jì)，提供對地磁場的X、Y、Z三軸磁場傳感功能。

3）提供外部串行數(shù)字接口和其他管理功能；

4）采用了集成電路的EEPROM模塊，來保證達(dá)到最佳性能所必須的數(shù)字變量。

霍尼韋爾HMR3300型數(shù)字羅盤需要配備專門的開發(fā)套件來使用，為靈活使用該傳感器，本文采用RS422串行通信接口來實(shí)現(xiàn)數(shù)字羅盤的輸出，這樣數(shù)字羅盤可以直接將輸出信息發(fā)送到信息處理計(jì)算機(jī)中，便于信息采集和信息處理。

2.2 電路設(shè)計(jì)

HMR3300型數(shù)字羅盤VCC電壓為+5V供電，具有2個(gè)機(jī)械定位引腳和8個(gè)電氣連接引腳，數(shù)字羅盤輸出接口采用RS-422接口，通過數(shù)字羅盤內(nèi)部的UART模塊實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)以400Hz為輸出頻率，每次輸出1組磁場強(qiáng)度信息，發(fā)送給信息處理計(jì)算機(jī)。串口輸出波特率可調(diào)，默認(rèn)為19200bps，一位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無校驗(yàn)位。

3 軟件接口及實(shí)驗(yàn)

3.1 軟件設(shè)計(jì)

使用串口通信電纜將HMR3300接口電路與信息處理計(jì)算機(jī)連接，編寫程序使用計(jì)算機(jī)串口控件可以很方便的實(shí)現(xiàn)HMR3300數(shù)字羅盤信息的采集以及控制命令的發(fā)送。軟件處理流程如圖2所示。

3.2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

使用接口電路測試電子羅盤，其輸出結(jié)果如圖3所示，磁強(qiáng)度分辨率是0.1毫高斯。

圖2 HMR3300型數(shù)字羅盤工作流程圖

圖3 HMR3300磁強(qiáng)度采集結(jié)果

4 結(jié)束語

地磁導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展有以下幾方面的趨勢：(1)地磁導(dǎo)航自身具有的自主性強(qiáng),隱蔽性好，效費(fèi)比高，應(yīng)用范圍廣等優(yōu)良特征將在地磁導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展中進(jìn)一步得到體現(xiàn)；(2)導(dǎo)航系統(tǒng)將朝著組合式方向發(fā)展。慣導(dǎo)+地磁導(dǎo)航等組合導(dǎo)航方案更具有應(yīng)用背景；(3)新技術(shù)、新方法(如新型傳感器、信息融合新方法等)將促進(jìn)地磁導(dǎo)航技術(shù)時(shí)在軍用民用領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

本文介紹的地磁/慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)可以達(dá)到長航時(shí)、高精度的導(dǎo)航定位要求；介紹的HMR3300型數(shù)字羅盤在該系統(tǒng)中的應(yīng)用、硬件接口和軟件接口可以為數(shù)字羅盤的工程應(yīng)用提供借鑒；通過試驗(yàn)及測試證明該方案工作可靠，滿足系統(tǒng)使用要求。