磁阻传感器的地磁信号干扰研究和修正

张俊生,冯 波,王志兴,管 军

(南京理工大学 理学院,江苏 南京 210094)

磁阻传感器的地磁信号干扰研究和修正

张俊生,冯 波,王志兴,管 军

(南京理工大学 理学院,江苏 南京 210094)

针对地磁场信号很微弱造成的与弹体横截面采集的两路正交地磁信号直接相关的滚动角值很容易受到弹体环境干扰的问题,对此两路正交地磁信号进行了干扰影响分析及其修正算法研究,介绍了有局限性的椭圆拟合的误差补偿算法。在此基础上,提出了一种相位修正的算法,通过对方位检测系统的地面仿真测试数据和实弹飞行实验数据进行算法验证研究,证明了该算法可有效消除干扰,能够一定程度上消除地磁信号的干扰,对提高滚动角的解算精度具有实用价值。

滚动角;磁阻传感器;方位检测系统;椭圆拟合;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

导航系统在飞行体、舰船、车辆等领域得到了广泛的应用,传统的导航方法利用陀螺技术,但飞行体在应用惯性器件测量姿态时,高过载、高量程、高成本、小体积等问题使得惯性器件受到一定的限制[1]。与惯性导航系统相比,地磁场是天然的矢量场[2],借助地磁方位传感器来实现小型高强度飞行体导航具有很大的优势。在我国境内,地磁总量在40～60 μT之间[3],地磁场的强度比较弱,因此地磁导航也很容易受到飞行体内部结构及试验环境的干扰,本文对这些在实际情况中遇到的问题进行深入研究,重点介绍硬磁干扰、软磁干扰、安装误差和非正交误差对地磁测量精度的影响及减少干扰的修正算法研究。

滚动角的测量精度决定了旋转弹体导航的控制精度和控制效率,而其大小与弹体横截面的两路地磁信号有关,故本文在基于异向磁阻传感器测量地磁信号原理基础上,对弹体横截面的两路正交地磁信号进行干扰分析研究,介绍地磁信号所受的干扰来源,以及干扰对地磁信号正交曲线造成的影响;对椭圆拟合补偿算法和相位修正算法进行了深入的分析;通过方位检测仿真系统和实弹飞行数据进行算法验证,证明了该算法有一定的实用价值。

1 方位检测系统的原理与结构

1.1 弹体横截面地磁信号的测量原理

测量地磁场在弹体横截面上的两路正交分量在原理上可以依赖于固定在弹体横截面上的单个双轴磁阻传感器[1]。如图1所示,在弹体坐标系上,Obybzb平面为弹体的横截面,地磁场B在弹体纵轴方向上的分量为Bbx,在弹体横截面上的投影为Br,三者的关系式为

(1)

(2)

式中:γ0定义为基准角,其大小与偏航角、俯仰角和地磁矢量B有关。由于弹载计算机的运算速度很快,弹体飞行距离较小,可以认为,弹体偏航角、俯仰角和地磁矢量B保持不变,因此式(2)中γ0在本文分析中作常数处理,γ和Bby,Bbz成函数关系。

1.2 方位检测系统的组成结构

该方位检测系统由地磁方位传感器、三维转台(偏航、俯仰、滚动)、模拟弹体、串口通信等部分组成,地磁方位检测系统电路框架图如图3所示。

2 检测系统干扰分析与误差补偿

2.1 干扰分析

地磁信号很微弱,会受到外界环境的干扰,干扰因素包括硬磁干扰、软磁干扰、非正交误差和安装误差等[5-6],在实际中硬磁干扰和软磁干扰为主要干扰来源。

硬磁干扰是由于硬铁材料带来的附加磁场而产生的干扰,图4为硬磁干扰下的两路地磁信号的正交输出曲线,散点图中心位置偏移,即数据向某一方向整体移动。

图5为软磁干扰下的两路正交地磁信号的正交输出曲线,软磁影响来源于地磁场和主平台的软磁材料的交互影响,其磁性大小和方向随着周围环境磁场的大小和方向变化而变化[7]。

在实际的测量环境中,Bby,Bbz的数学表达式为

Bby=Asin(ωt+φ1)+C1
Bbz=Acos(ωt+φ2)+C2

(3)

式中:A为振幅,与传感器的灵敏度有关;φ1,φ2为初相位,其相位差值与软磁干扰、安装误差和非正交误差有关;C1,C2为振幅偏移直流分量,与硬磁干扰有关;ω为弹体旋转角速度。当参数φ1=φ2,C1=C2=0时,两者的正交输出曲线(李萨如图)为理想圆。

2.2 椭圆拟合补偿算法

椭圆拟合补偿算法补偿过程:将磁阻传感器及模拟弹体固定在方位检测系统上,以固定俯仰角和偏航角旋转360°,分别记录整个过程中yb轴和zb轴上的最大、最小磁场值,通过以下公式进行计算补偿[8]:

(4)

将2.1节中两路地磁信号式(3)代入到椭圆修正算法式(4)中,可求出标度系数Bby,sf和地磁信号振幅偏移量Bby,off:

(5)

2.3 相位修正算法

在实际的测量中,由于安装误差、非正交误差及软磁干扰等因素,2个正交轴测量的地磁信号之间产生相位偏移,造成椭圆的长短轴并非完全与坐标轴重合,而存在一定的夹角ψ,如图6所示。

椭圆拟合补偿算法只是将椭圆中心点修正到原点,完成了平移修正。为了解决旋转修正,提出如下相位修正算法。地磁信号Bby,Bbz由于软磁干扰和安装误差等影响,可以等效于两坐标轴不再正交,其两路信号的相位差发生了变化,图7为地磁投影示意图,yb轴不垂直于zb轴。其中:Br为地磁场在该平面上的投影分量,Bbz是Br在zb轴上的投影分量,夹角为α;Bby是Br在yb轴上的投影分量,yb,zb轴的夹角为90°+θ。

由图7可求出实际测量的两路地磁信号:

Bbz=Brcosα
Bby=Brsin(90°-α+θ)

(6)

由式(6)可知,yb轴的初始相位不为0,需要修正。将式(6)中yb轴信号整理为

Bby=Brsinαcosθ-Bbzsinθ

(7)

(8)

由于zb轴信号初始相位为0,因此不需要修正,则

(9)

由于Bby和Bbz是测量值,当Bbz取得最大值时,α=0,求出Bbz,max对应的Bby,对式(7)整理可求出θ的正弦值:

(10)

3 算法的实验验证

3.1 方位检测系统的地磁信号修正

测量系统转台在电机带动下匀速旋转,其中偏航角和俯仰角固定,抽取旋转一周的数据,绘出弹体横截面上yb轴地磁信号Bby的测量值UBby随时间变化曲线,如图8所示。由图可见,曲线形状近似为正弦波,椭圆补偿后的曲线相对于原始曲线有上下的移动,而消除相差后的曲线相对于椭圆补偿后曲线有左右的平移,相位有一定修正。

图9为1/2周期内滚动角随时间的变化曲线。由图可知,实际的滚动角曲线为斜线,修正后滚动角数据更接近于实际曲线,在实验室条件下,修正最大误差角为9°左右。

3.2 实弹飞行下的地磁信号修正

图10为根据在某基地进行的实弹稳定飞行的部分试验数据所绘制的地磁信号强度随时间的变化曲线,曲线光滑无折痕,弹体坐标系上yb轴和zb轴地磁信号振幅产生偏移,相位差不等于90°,存在干扰,需要进一步修正。

图11为图10中选取一个周期的地磁信号所绘制的李萨如图形曲线,其中各曲线与图9的曲线一致。与2.3节中所分析的一样,原始曲线图形为倾斜的椭圆,且中心点偏离原点。与检测系统的曲线图相比,实弹飞行曲线更光滑,说明弹体速度均匀,环境干扰较小,但从图11中可发现,固有的干扰依然存在,相位修正后的曲线比原始曲线更接近于理想曲线,说明算法体现出一定的抗干扰能力,有实用价值。

4 结论

本文分析了相互垂直的实测地磁信号Bby,Bbz,认为地磁信号会受到各种干扰的影响,在分析的基础上可以得到如下结论:

①硬磁干扰能引起椭圆的圆心发生二维平移,这主要是弹体结构对传感器的磁影响造成的,椭圆补偿算法可有效消除这种干扰;

②安装误差、磁阻传感器制造误差和软磁干扰影响地磁信号Bby,Bbz,引起振幅、相位变化,形成的椭圆具有旋转特性,系统固有,可用上述椭圆补偿算法和相位修正算法进行修正;

③椭圆补偿算法本质是对振幅和振幅偏移量变化进行完全修正,而相位修正算法是对相位差变化实现修正,2种算法的修正原理不同,但可以结合使用,达到修正的目的。

本文采用仿真测试数据、实弹模拟飞行数据对算法进行了深入验证,证明了算法消除干扰的有效性,对安装误差、非正交误差及磁阻传感器的制造误差的校正同样有效。所以,2种算法提高了地磁信号Bby,Bbz测量精度,从而提高了弹体姿态的解算精度,有一定实用价值。

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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

张俊生(1992- ),男,硕士研究生,研究方向为地磁导航。E-mail:1453790797@qq.com。

冯波(1979- ),男,讲师,研究方向为测试计量技术及仪器。E-mail:anchoretf@njust.edu.cn。

TJ303.4

A

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