三維磁傳感器試驗

三維捷聯(lián)磁傳感器實驗實驗?zāi)康模和ㄟ^三維磁傳感器的實際應(yīng)用實例了解磁傳感器指示航向的原理，以理解磁航向傳感器在導(dǎo)航和定位系統(tǒng)中的應(yīng)用；同時，了解地球磁場的特性，初步掌握磁傳感器的使用方法。三維磁傳感器的工作原理：1．地球磁場的特性磁航向角是磁子午線與飛行器縱軸在水平面上的夾角，它與地球磁場的關(guān)系密不可分。地球磁場強度大約為0.5~0.6高斯，可分解為水平分量和垂直分量，其水平分量與地球表面平行并且總是指向地磁北極，這一特性是所有磁傳感器測量磁航向角的基礎(chǔ)。地球磁場可以用圖1所示的偶極模型來近似表示。此圖說明了地球磁場的方向總是指向磁北極。地球磁場與地表平面之間的夾角被稱為磁傾角?，如圖2所示。當(dāng)需要確定飛行器的航向角（即磁傳感器的指向角）時，僅利用地球磁場在X、Y軸的分量Hx和Hy。圖1：地球磁場偶極模型圖圖2：磁傾角?圖1：地球磁場偶極模型圖圖2：磁傾角?示意圖2．磁傳感器的測量原理三維磁傳感器的三個單相地磁感應(yīng)元件分別沿磁傳感器坐標(biāo)系（OXsYsZs）的三軸安裝，在實際安裝中，磁傳感器坐標(biāo)系s與機體坐標(biāo)系b重合。設(shè)磁地理坐標(biāo)系為OXmYmZm，當(dāng)機體坐標(biāo)系b與磁地理坐標(biāo)系m重合（即磁傳感器坐標(biāo)系s與磁地理坐標(biāo)系m重合）時，三相地磁感應(yīng)器產(chǎn)生的感應(yīng)電勢為：

N0ED(1)其中：en——由地磁水平分量在磁傳感器坐標(biāo)系X軸上產(chǎn)生的感應(yīng)N電勢ED 由地磁垂直分量在磁傳感器坐標(biāo)系Z軸上產(chǎn)生的感應(yīng)電勢當(dāng)機體坐標(biāo)系處于任意姿態(tài)時，三相地磁感應(yīng)器產(chǎn)生的感應(yīng)電勢為：cos屮cos6sinvsin6cos屮cos6sinvsin6—sin6_E_Ncos屮sin6siny—sinvcosysinvsin6siny+cosvcosycos6siny*N0cos屮sin6cosy+sin屮sinysinvsin6cosy—cosvsinycos6cosyEDEbXEbYEbZ=CbEnM屮為磁航向角，6為俯仰角，y為橫滾角。在已知俯仰角上式中，6和橫滾角y情況下，可由E計算出磁航向角屮的公式為：bE=cos6?E+sinysin6?E+cosysin6?E=cos屮?EX bX bY bZ NE=cosy?E—siny?E=-sin屮?EY bY bZ N真實磁航向角為：屮=arctanlE.EIY‘X(3)3．磁航向誤差來源磁航向傳感器作為機載設(shè)備，它的工作情況與飛行器環(huán)境的影響有著密切關(guān)系。由于飛行器上的干擾磁場，公式（3）所得出的磁航向角存在較大的誤差，不能直接使用。干擾磁場可分解為水平分量和垂直分量，其水平分量與地磁水平分量形成的合成磁場與地磁水平分量之間的夾角就是磁羅差，其計算式為：Av=V—屮cmc其中：磁傳感器指示的磁航向飛機的理想磁航向A屮——磁航向的羅差c將干擾磁場引起的磁航向羅差分類如下硬磁誤差：飛行器內(nèi)安裝在磁傳感器附近的部分設(shè)備和裝置會產(chǎn)生干擾磁場，如果干擾磁場的大小和方向相對于飛機航向是不變的，則被稱為硬磁誤差”。軟磁誤差：有些材料能夠感應(yīng)外部磁場而產(chǎn)生自身的磁場，被稱為“軟磁場”。隨著外部磁場大小和方向的不同，軟磁場會在一個很大的范圍內(nèi)變化。如果飛行器中存在這種材料，那么它會對外部的地球磁場做出反應(yīng)而產(chǎn)生自身磁場從而影響磁傳感器的輸出。因為地球磁場的方向會隨著飛行器的飛行高度而變化，所以軟磁場對磁傳感器的影響是一個變化的誤差量。靈敏度誤差：理想情況下，三軸混合磁傳感器中的三個單軸磁傳感器應(yīng)該是完全相同的。然而，不同的磁傳感器有不同的敏感性。也就是說，當(dāng)用三個磁傳感器對同一磁場進行測量，輸出是互不相同的。安裝誤差：理想安裝情況下，三個單軸磁傳感器將與飛行器體坐標(biāo)系的三根軸吻合。如果未能合理安裝，那么三軸混合磁傳感器的輸出會因偏離磁場方向軸而產(chǎn)生誤差。4．磁航向誤差補償?shù)乃奈恢梅椒ǜ鶕?jù)磁傳感器的工作環(huán)境，磁航向羅差修正有四位置和八位置方法?？紤]磁場環(huán)境相對簡單，采用三參數(shù)四位置的羅差修正方法。羅差的計算式為：AV二屮-屮，綜合飛機磁場(包括硬鐵磁場cmc和軟鐵磁場）所產(chǎn)生的羅差，得出以下羅差方程式：Av二A+Bsin屮+Ccos屮 （5）ccc其中：A為圓周羅差，由軟鐵磁場產(chǎn)生Bsinv+Ccosv為半圓羅差，由硬鐵磁場產(chǎn)生；mm進行磁航向補償就是要針對具體的系統(tǒng)環(huán)境測出磁航向誤差公式中的誤差系數(shù)，即羅差方程式中的系數(shù)A、B、C。我們采用四位置羅差補償方法。將磁航向傳感器放置在轉(zhuǎn)臺上，處于水平狀態(tài)。在航向角360°范圍內(nèi)取角距相同的4點：0°、90°、180°、270°進行誤差測試，即將磁傳感器的實際指向?qū)?zhǔn)這四個標(biāo)準(zhǔn)方位，測出在這四個標(biāo)準(zhǔn)方位上的磁航向角，以此獲得4個磁航向誤差量，即：Av二屮一屮 i二1,2,3,4iMii三．實驗步驟：磁航向傳感器的指北特性；利用磁阻羅盤HMR2300對磁航向角進行測量，步驟如下：將磁阻羅盤放置在轉(zhuǎn)臺上，轉(zhuǎn)臺調(diào)平；將磁傳感器接上電源（工作電壓大小見磁傳感器技術(shù)資料），并且通過串口線與PC機相連（提供PC機上采樣數(shù)據(jù)程序等）轉(zhuǎn)臺和磁傳感器的初始航向一致，都指北（航向0度）；每隔30度水平轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)臺改變航向，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，記錄沒有經(jīng)過羅差修正情況下磁傳感器測量的航向角，并計算出磁航向誤差；根據(jù)前面所述的補償原理對磁航向羅差進行四位置標(biāo)定，標(biāo)定后的參數(shù)用于計算真實航向