磁阻傳感器的地磁信號干擾研究和修正

張俊生,馮 波,王志興,管 軍

(南京理工大學 理學院,江蘇 南京 210094)

磁阻傳感器的地磁信號干擾研究和修正

張俊生,馮 波,王志興,管 軍

(南京理工大學 理學院,江蘇 南京 210094)

針對地磁場信號很微弱造成的與彈體橫截面采集的兩路正交地磁信號直接相關的滾動角值很容易受到彈體環境干擾的問題,對此兩路正交地磁信號進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償算法。在此基礎上,提出了一種相位修正的算法,通過對方位檢測系統的地面仿真測試數據和實彈飛行實驗數據進行算法驗證研究,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的干擾,對提高滾動角的解算精度具有實用價值。

滾動角;磁阻傳感器;方位檢測系統;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

導航系統在飛行體、艦船、車輛等領域得到了廣泛的應用,傳統的導航方法利用陀螺技術,但飛行體在應用慣性器件測量姿態時,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]。與慣性導航系統相比,地磁場是天然的矢量場[2],借助地磁方位傳感器來實現小型高強度飛行體導航具有很大的優勢。在我國境內,地磁總量在40～60 μT之間[3],地磁場的強度比較弱,因此地磁導航也很容易受到飛行體內部結構及試驗環境的干擾,本文對這些在實際情況中遇到的問題進行深入研究,重點介紹硬磁干擾、軟磁干擾、安裝誤差和非正交誤差對地磁測量精度的影響及減少干擾的修正算法研究。

滾動角的測量精度決定了旋轉彈體導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有關,故本文在基于異向磁阻傳感器測量地磁信號原理基礎上,對彈體橫截面的兩路正交地磁信號進行干擾分析研究,介紹地磁信號所受的干擾來源,以及干擾對地磁信號正交曲線造成的影響;對橢圓擬合補償算法和相位修正算法進行了深入的分析;通過方位檢測仿真系統和實彈飛行數據進行算法驗證,證明了該算法有一定的實用價值。

1 方位檢測系統的原理與結構

1.1 彈體橫截面地磁信號的測量原理

測量地磁場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雙軸磁阻傳感器[1]。如圖1所示,在彈體坐標系上,Obybzb平面為彈體的橫截面,地磁場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,三者的關系式為

(1)

(2)

式中:γ0定義為基準角,其大小與偏航角、俯仰角和地磁矢量B有關。由于彈載計算機的運算速度很快,彈體飛行距離較小,可以認為,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處理,γ和Bby,Bbz成函數關系。

1.2 方位檢測系統的組成結構

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

2 檢測系統干擾分析與誤差補償

2.1 干擾分析

地磁信號很微弱,會受到外界環境的干擾,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而產生的干擾,圖4為硬磁干擾下的兩路地磁信號的正交輸出曲線,散點圖中心位置偏移,即數據向某一方向整體移動。

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

在實際的測量環境中,Bby,Bbz的數學表達式為

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;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;C1,C2為振幅偏移直流分量,與硬磁干擾有關;ω為彈體旋轉角速度。當參數φ1=φ2,C1=C2=0時,兩者的正交輸出曲線(李薩如圖)為理想圓。

2.2 橢圓擬合補償算法

橢圓擬合補償算法補償過程:將磁阻傳感器及模擬彈體固定在方位檢測系統上,以固定俯仰角和偏航角旋轉360°,分別記錄整個過程中yb軸和zb軸上的最大、最小磁場值,通過以下公式進行計算補償[8]:

(4)

將2.1節中兩路地磁信號式(3)代入到橢圓修正算法式(4)中,可求出標度系數Bby,sf和地磁信號振幅偏移量Bby,off:

(5)

2.3 相位修正算法

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

橢圓擬合補償算法只是將橢圓中心點修正到原點,完成了平移修正。為了解決旋轉修正,提出如下相位修正算法。地磁信號Bby,Bbz由于軟磁干擾和安裝誤差等影響,可以等效于兩坐標軸不再正交,其兩路信號的相位差發生了變化,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可求出實際測量的兩路地磁信號:

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軸信號整理為

Bby=Brsinαcosθ-Bbzsinθ

(7)

(8)

由于zb軸信號初始相位為0,因此不需要修正,則

(9)

由于Bby和Bbz是測量值,當Bbz取得最大值時,α=0,求出Bbz,max對應的Bby,對式(7)整理可求出θ的正弦值:

(10)

3 算法的實驗驗證

3.1 方位檢測系統的地磁信號修正

測量系統轉臺在電機帶動下勻速旋轉,其中偏航角和俯仰角固定,抽取旋轉一周的數據,繪出彈體橫截面上yb軸地磁信號Bby的測量值UBby隨時間變化曲線,如圖8所示。由圖可見,曲線形狀近似為正弦波,橢圓補償后的曲線相對于原始曲線有上下的移動,而消除相差后的曲線相對于橢圓補償后曲線有左右的平移,相位有一定修正。

圖9為1/2周期內滾動角隨時間的變化曲線。由圖可知,實際的滾動角曲線為斜線,修正后滾動角數據更接近于實際曲線,在實驗室條件下,修正最大誤差角為9°左右。

3.2 實彈飛行下的地磁信號修正

圖10為根據在某基地進行的實彈穩定飛行的部分試驗數據所繪制的地磁信號強度隨時間的變化曲線,曲線光滑無折痕,彈體坐標系上yb軸和zb軸地磁信號振幅產生偏移,相位差不等于90°,存在干擾,需要進一步修正。

圖11為圖10中選取一個周期的地磁信號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節中所分析的一樣,原始曲線圖形為傾斜的橢圓,且中心點偏離原點。與檢測系統的曲線圖相比,實彈飛行曲線更光滑,說明彈體速度均勻,環境干擾較小,但從圖11中可發現,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,說明算法體現出一定的抗干擾能力,有實用價值。

4 結論

本文分析了相互垂直的實測地磁信號Bby,Bbz,認為地磁信號會受到各種干擾的影響,在分析的基礎上可以得到如下結論:

①硬磁干擾能引起橢圓的圓心發生二維平移,這主要是彈體結構對傳感器的磁影響造成的,橢圓補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Bby,Bbz,引起振幅、相位變化,形成的橢圓具有旋轉特性,系統固有,可用上述橢圓補償算法和相位修正算法進行修正;

③橢圓補償算法本質是對振幅和振幅偏移量變化進行完全修正,而相位修正算法是對相位差變化實現修正,2種算法的修正原理不同,但可以結合使用,達到修正的目的。

本文采用仿真測試數據、實彈模擬飛行數據對算法進行了深入驗證,證明了算法消除干擾的有效性,對安裝誤差、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Bby,Bbz測量精度,從而提高了彈體姿態的解算精度,有一定實用價值。

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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,研究方向為地磁導航。E-mail:1453790797@qq.com。

馮波(1979- ),男,講師,研究方向為測試計量技術及儀器。E-mail:anchoretf@njust.edu.cn。

TJ303.4

A

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