电子罗盘在捷联惯导初始对准中的应用

　　0　引　　言

　　捷联惯导系统(SINS)初始对准的主要任务是确定载体坐标系和真实导航坐标系(通常选取为地理坐标系)之间的捷联矩阵初始值,其过程可分为粗对准和精对准两个阶段[1]。

　　粗对准要求在较短的时间内使平台大致对准导航系。理论上可直接利用陀螺仪和加速度计的量测值并以解析法解算出初始捷联矩阵[2]。但在采用MEMS惯性器件的低成本捷联惯导系统中,陀螺仪精度相对较低,用其数据来做初始对准必然会影响对准精度。鉴于静基座情况下,三轴加速度计的量测值仅能得到初始横滚角和俯仰角,本文将利用电子罗盘来提供初始航向角,这样就可以通过三维姿态角得到初始捷联矩阵。不过电子罗盘是通过地磁测量而得到航向角的,外界磁环境会对测量精度产生严重影响。若不能降低或消除外界磁干扰给电子罗盘输出所带来的误差,将会直接影响初始对准精度。本文因此提出了基于椭圆假设的非线性两步估计算法来补偿电子罗盘误差,并利用转台对电子罗盘TCM2进行了误差补偿实验,验证了该补偿算法的有效性。

　　精对准在粗对准的基础上进行,主要任务是提高对准精度。本文基于SINS初始对准的非线性误差模型,设计了线性量测方程下的平淡卡尔曼滤波器(UKF)来完成精对准。UKF假定状态变量满足高斯随机分布,设计了一组最小的特定权重的采样点,这些采样点能完全满足高斯随机变量实际的均值和协方差。当采样点通过非线性系统传递时,后验均值和协方差可以达到泰勒展开式的三阶精度,且具有的较好鲁棒性[3]。

　　1　电子罗盘TCM2航向测量原理

　　TCM2在一个组件内综合了双轴电解倾斜仪和三轴磁强计,具有体积小、重量轻、能耗低、性能好等特点[4]。TCM2中倾斜仪是将电极插入电介质溶液中,当载体发生倾斜时,电介质的空间几何尺寸发生了变化,从而影响了电容大小,再通过一定的测量电路,将电容的变化转化为电压变化输出,可以给出载体的俯仰角γ和横滚角θ。三轴磁强计由3个正交安装的电感线圈组成,它根据地磁感应原理来测定沿载体坐标系三轴方向的磁场强度。

　　在北半球,地磁场向下指向北方,与当地水平面的夹角为磁倾角α,如图1所示。

　　由图1可知,若能确定地磁场水平分量在水平坐标系X和Y轴的值就可以求解出磁航向角:ψ=arctan(Hgy/Hgx)(1)

　　三轴磁强计测量出的是磁场沿载体坐标系三轴的分量分别为Hbx,　Hby,Hbz,为了求磁航向角,需要将测量值转换到当地水平坐标系中,转换关系为:

　　由于地磁北极和地球南北极并不重合,所以磁航向角ψ和地理(真)航向角ψm并不是一个概念,它们之间存在一个磁偏角Δψm,此角度在全国各个地方大小都不相同。在已经磁航向之后,可用式(3)得到当地的地理航向角:ψm=ψ+Δψm(3)