CN101532837A - 一种飞机磁罗盘校准设备 - Google Patents

Abstract

本发明是一种飞机磁罗盘校准设备。其由主要完成地磁、重力加速度信号的采集的传感器部件和主要完成磁方位的解算、显示和存储的手操器部件组成，传感器部件与手操器部件之间通过无线数传模块进行数据交换。本发明通过数字化的形式为飞机磁罗盘校准提供更为精确的磁北基准，解决了常规校准设备存在的机械摩擦、加工精度、读值误差、指针晃动等技术问题且体积小、重量轻、功耗低的校准设备，简化了飞机磁罗盘的校准过程、减少了校准过程的人力及物力投入，提高了飞机磁航向仪表的校准效率及精确度。

Description

一种飞机磁罗盘校准设备

技术领域

本发明涉及测量设备领域，特别是对飞机磁罗盘的航向校准的设备设施。

背景技术

飞机磁罗盘是利用地磁场水平分量作定向基准测量飞机磁航向的仪表，与地平表和高度表一起被称为飞机上最重要的三大仪表系统。一般飞机的应急磁罗盘要求精度在±4°之间，陀螺磁罗盘要求精度在1—1.5°之间。由于飞机上的金属零件会对磁罗盘产生磁干扰，为了确保飞机磁罗盘的要求精度，必须在安装飞机磁罗盘后定期进行航向校准，由于飞机磁罗盘必须排除自身安装位置的磁干扰，所以其校准一般要求装在飞机上进行，这造成磁罗盘的校准标定一直是飞机飞行仪表标定中最麻烦也是必不可少的一项工作。为了保证飞机磁罗盘的精度，磁罗盘的校准设备需提供磁方位基准且要求其精度在0.3°之内。目前在航空航天工业部部颁批准《飞机磁罗盘校准的一般要求》(HB6627-92))中对飞机磁罗盘的航向校准的方法及设备设施中公布了的磁罗盘地面校准方法主要有方位标记法、观测罗盘法、定向仪法、经纬仪法等方法，目前较常采用的观测罗盘法、定向仪法中使用的磁方位基准都是利用最原始的指北针原理，使用一根磁化的指针架在一个宝石轴承上，感应地磁方向，来实现磁罗盘的校准标定。

但这样的校准仪使用过程存在如下难以克服的技术问题：

1)机械式校准仪事实上就是一个指北针，利用最原始的方式找出磁北，存在机械摩擦、加工精度、配重等一系列需要机加工工艺解决的问题。

2)机械式校准仪为刻度盘和指针指示方位值，而人的肉眼视觉差异造成的读值误差就在0.5°左右，并且这样的读值方法与测试人员的经验相关，存在测试上的人为主观因素，增加了测量精度的不确定性。

3)机械式校准仪指针为宝石轴承支架结构，必须安装在水平范围内，这对测试设备的安装提出了更高的要求，同时存在无法克服的指针晃动问题。

4)在测试大型飞机的时候，要求将校准仪安装在磁干扰最小的地方，一般是在飞机机背垂尾附近，这就要求测试人员在几米高的光滑机背上跟着飞机一起转动同时观察机械式校准仪的指示，增加了测试人员的不安全因素及测试成本。

5)当进行定向仪法进行罗盘校准时，定向仪的对准工作直接影响测量精度，此工作由定向仪上的类似步枪准星的瞄准器进行对准，对准精度不高，存在一定人为主观因素而导致测量精度存在不确定性。

6)如果飞机上安装使用的是数字罗盘，用机械式校准仪校验无法实现自动的罗差校准，只能用人工核对误差的方法进行。

由于上述飞机磁罗盘校准设备存在测量精度、核对误差等难以克服的技术难题，难以满足目前对飞机磁罗盘的校准设备的使用要求，严重影响了一般飞机的安全飞行，尤其在国家大力发展航空器背景下，各种飞机的罗盘校准精度、校准速度直接影响飞行安全。

发明内容

采用地面校准方法对飞机磁罗盘校准时，因现行的飞机磁罗盘校准设备主要为机械式校准仪，存在机械摩擦、加工精度、读值误差、指针晃动等诸多无法克服的技术难题。本发明提供一种采用分体式结构，通过三轴磁通门传感器和二轴加速度传感器，利用捷联磁航向算法，以数字化的方式提供磁北方位基准的工作原理制作的飞机磁罗盘的校准设备，来解决通过地面校准方法校准飞机磁罗盘时的存在的上述技术难题。

因此本发明的第一目的，专门针对飞机磁罗盘校准过程中测试人员人身安全的问题，采用分体式结构，免除测试人员在机身上随飞机转动过程中存在的危险。

本发明的第二目的，以数字化的形式为飞机磁罗盘校准提供更为精确的磁北基准，利用捷联磁航向算法进行数字修正，解决机械式校准仪的机加工加工误差问题，提高校准设备的校准精度。

本发明的第三目的，使用数字滤波、数字显示，解决读值误差、指针晃动等技术难题。

本发明的第四目的，使用提供内准星、更为准确的瞄准镜，提高校准仪的定向精度，使用本发明可按《飞机磁罗盘校准的一般要求》(HB6627-92)中的经纬仪法进行罗盘校准，提供了更多的测量方法。

本发明的第五目的，采用二轴加速度传感器为本发明提供数字水平基准，解决现有飞机磁罗盘校准设备必须严格水平安装的技术难题。

本发明的第六目的，因为采用全数字化的形式提供磁北基准，并且提供了对外的数字接口，为快速校准数字罗盘提供了可能性。

本发明的第七目的，其中传感器部件可脱离手操器部件完全单独使用，从而从形式和功能上完全与机械校准仪相同，适合一部分小型飞机用户的使用习惯。

本发明为解决上述技术问题，采用的技术方案是：

1、本发明采用一体式的，由传感器部件和手操器部件组成，但为解决测试人员安全问题及便于操作，本发明也可采用分体式设计，由传感器部件和手操器部件两个可相互分离的部件组成。其中传感器部件完成地磁、重力加速度信号采集功能；手操器部件完成磁方位的解算、显示和存储。通过分别设在手操器部件及传感部部件上的无线数传模块来实现两大部件间的数据通讯的无线数据传输，，解决了外场测试时的不便。

2、为达到高精度的磁方位测量需采用精度、可靠性高的磁传感器。在传感部部件中采用的三轴磁通门传感器因为测量精度高、不受磁化、重复性好等特点适合本发明。

3、为了方便用户测试，摆脱调平的麻烦，采用了三轴磁通门传感器，对三个轴向的磁场强度进行测量，同时用二轴加速度传感器为三轴磁通门传感器建立水平基准，使磁场强信号在水平面信号上投影，从而测出正确的磁方位。

4、为对磁场强信号进行数字化，用三轴磁通门传感器专用信号调理电路对磁场强信号进行调理，变化为可供A/D采样电路采集的直流电压信号，采集后的场强数字量通过无线传输模块发送给手操器部件。

5、为保证计算精度及实时性，手操器上配备微处理器，通过捷联算法计算出磁方位，微处理器可采用32位微处理器，提高运算及控制能力。

6、为将测量结果量化的显示出来，手操器部件上配备液晶显示器，显示设备工作状态和磁方位值；传感器部件上也配有简单的液器显示器及键盘，方便用户进行设置。

本发明的硬件配置为：

1、传感器部件主要由三轴磁通门传感器、二轴加速度传感器、信号调理电路、多路采样电路、微处理器、无线数传模块、接口转换电路、液晶显示器及键盘、电池及电源管理电路组成。

其中三轴磁通门传感器和二轴加速度传感器同时依次接入信号调理电路、多路采样电路、微处理器；微处理器同时通过无线数传模块与手操器部件进行数据交换；接口转换电路可与手操器部件联接，也可为外部提供数字磁场强度和水平信号。

2、手操器部件主要由液晶显示器、键盘、微处理器、存储器、无线数传模块、电池及电源管理电路、接口转换电路。

其中的手操器部件中的无线数传模块接受来自传感器部件的数字信号后通过手操器的微处理器实时计算出磁方位角送液晶显示器显示。扩展接口可与传感器部件联接，也可为外部数字罗盘提供自动检测接口。

本发明的有益效果：本发明专用于飞机磁罗盘校准，目的是提供一种更为精确的磁北基准且使磁罗盘校准工作更为安全、提高校准精度及避免读值误差、在安装飞机磁罗盘校准设备时不用再精确调整水平且体积小、重量轻、功耗低的校准设备，同时本发明简化了飞机磁罗盘的校准过程、极大减少了校准过程的人力及物力投入，大大提高了飞机磁航向仪表的校准效率，具有很高的技术含量及经济价值，促进了我国航空事业的发展。

附图说明：

图1本发明的电路方块图；

图2本发明的实施例手操器部件主视图；

图3本发明的实施例手操器左视图(带剖面)；

图4本发明的实施例手操器俯视图；

图5本发明的实施例手操器仰视图；

图6本发明的实施例手操器45°立体视图；

图7本发明的实施例传感器正视图(带剖面)；

图8本发明的实施例传感器左视图(带剖面)

图9本发明的实施例传感器俯视图；

图10本发明的实施例传感器仰视图；

图11本发明的实施例传感器45°立体视图(带剖面)；

图中，1.手操器外壳、2.液晶显示屏、3.键盘、4.手操器线路板、5.电源管理及充电电路、6.接口转换电路、7.无线数传模块、8.电池、9.存储器、10.充电接口、11.传感器外壳、12.微处理器及无线数传模块、13.信号调理及采样模块、14.瞄准镜支架、15.瞄准镜、16.三轴磁通门传感器、17.接口转换电路、18.二轴加速度传感器、19.电池、20.编码器、21.云台、22.液晶屏、23.键盘；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细描述：

如图1所示，本发明由手操器部件与传感器部件组成。其中传感器部件主要由三轴磁通门传感器、二轴加速度传感器、编码器、瞄准镜、信号调理电路、采样电路、微处理器、无线数传模块、接口转换电路、液晶显示器及键盘、电池、电源管理电路及充电电路组成。

各部件的具体连接关系及工作过程为：三轴磁通门传感器的磁北方向轴和二轴加速度传感器的水平方向轴重合安装，垂直于地平面方向轴和重力方向轴重合安装。三轴磁通门传感器感应与磁北方向平行、垂直于地平面、垂直于磁北方向同时平行于地平面的三个轴向的地磁分量，而二轴加速度传感器感应地球重力加速度方向。因为两个传感器输出的信号均为高频正弦信号并且非常微弱，所以三轴磁通门传感器和二轴加速度传感器同时依次接入信号调理电路、采样电路、微处理器；通过信号调理电路将信号放大并调整为可供A/D(模拟/数字)转换电路采样的直流线性电压信号，再通过采样电路采集为数字信号后发送给微处理器；瞄准镜通过三角架或其他机械连接装置固定在传感器部件上，并与编码器(也可叫光电编码器)连接，在用三角架或其它方法固定传感器部件后，通过瞄准镜对飞机轴线、远处目标的瞄准可改变编码器的转动角度，从而得到磁方位、远处目标、飞机轴向间的相对夹角，该夹角从编码器中输出时就为数字量，可由用户通过液晶显示器及键盘操作控制微处理器采集、处理；微处理器负责整个传感器的工作管理，包括显示、键盘输入、数据采样、通讯控制、充电控制等；微处理器接收到数字化后的磁信号、地平信号和编码器信号后，通过无线数传模块或接口转换电路(由用户设置决定，接口转换可以为RS422、RS485或RS232等)发送到手操器模块或其它外部设备(如外接的数字罗盘)。也可通过外接数字罗盘等方式为外部提供标准的数字磁场强度和水平信号。

传感器部件上可配有液晶显示器及键盘，方便用户进行设置。

采样电路可采用多路A/D采样电路。

采样电路和微处理器可安装在同一电路板上。

手操器部件主要由液晶显示器、键盘、微处理器、存储器、无线数传模块、电池及电源管理电路、接口转换电路组成。

手操器中的微处理器负责整个手操器的工作管理，包括显示、键盘输入、数据接收、磁方位计算、存储器管理、数字校准、通讯控制、充电控制等。手操器部件中的无线数传模块接受来自传感器部件中的无线数传模块传送的数字信号后输入手操器部件中的微处理器，微处理器利用二轴加速度传感器测量出传感器部件与地球重力加速度轴向之间的夹角对三轴磁通门传感器的磁信号进行修正，同时加入校准修正量值后计算(捷联算法)出正确的水平磁场强度，进一步计算出磁方位角，最后通过液晶显示器显示。所有数据还可通过用户设置记录在存储器中或由接口转换电路(由用户设置决定，接口转换可以为RS422、RS485或RS232等)发送到数字罗首盘等其它外部设备。最后手操器部件完成磁方位角的解算、显示和存储。

采样电路和微处理器可做成一体的。

如图2、3、4、5、6所示的是手操器的实施例，飞机磁罗盘校准设备可采用分体式，传感器部件和手操器部件可自由分离为各自独立的两个部件，其中手操器部件为手操器，手操器主要由外壳、液晶屏、键盘、线路板、电源管理及充电电路、接口转换电路、无线数传模块、电池、存储器、充电接口组成。

在手操器的内部设置线路板，微处理器、电源管理电路、接口转换电路、存储器、无线数传模块、液晶屏、键盘、电池、充电接口是设置或通过线路板完成各自的连接，其中主要部件的具体连接为：无线数传模块将从传感器部件发送的数字信号接收后送入微处理器，微处理器将收到的数字信号经运算后将运算结果送入液晶显示器，由液晶屏显示。

液晶屏可采用OLED宽温显示器。

接口转换电路可与传感器部件联接，也可为外部数字罗盘提供自动检测接口。

编码器可采用绝对值编码盘。

信号调理电路及采样电路可合并为信号调理及采样模块。

如图7、8、9、10、11所示是传感器的实施例。飞机磁罗盘校准设备可采用分体式，传感器部件和手操器部件可自由分离为各自独立的两个部件，其中传感器部件为传感器，传感器由传感器外壳、微处理器及无线数传模块、信号调理及采样模块、瞄准镜支架、瞄准镜、三轴磁通门传感器、接口转换电路、二轴加速度传感器、电池、编码器、云台、液晶屏、键盘组成。

各部件的具体连接及工作过程为：三轴磁通门传感器和二轴加速度传感器同时依次接入信号调理电路、采样电路、微处理器；通过信号调理电路将信号放大并调整为直流线性电压信号后再通过采样电路采集为数字信号后发送给微处理器；瞄准镜通过三角架固定在传感器部件上并与编码器连接，通过瞄准镜对飞机轴线、远处目标的瞄准可改变编码器的转动角度，从而得到磁方位、远处目标、飞机轴向间的相对夹角，该夹角从编码器中输出时就为数字量，可由用户通过液晶显示器及键盘操作控制微处理器采集、处理；微处理器接收到数字化后的磁信号、地平信号和编码器信号后，通过无线数传模块或接口转换电路发送到手操器模块或其它外部设备(如外接的数字罗盘)。也可通过外接数字罗盘等方式为外部提供数字磁场强度和水平信号，完成地磁、重力加速度信号的采集、输出。

信号调理及采样模块中包括信号调理电路、采样电路。

瞄准镜与传感器上部壳体联接，云台与传感器下部壳体联接，上部壳体与下部壳体通过编码器(也可叫光电编码器)可相对转动。

存储器可造用满足使用要求的大容量存储器。

电池可选用锂电池。

Claims (9)

1、一种飞机磁罗盘校准设备，其特征在于，飞机磁罗盘校准设备由主要完成地磁、重力加速度信号采集的传感器部件与主要完成磁方位的解算、显示和存储的手操器部分构成，传感器部件与手操器部件之间通过无线数传模块进行数据交换，其中传感器包括三轴磁通门传感器，二轴加速度传感器、信号调理电路、采样电路、微处理器、无线数传模块、电池及电源管理电路；三轴磁通门传感器和二轴加速度传感器同时依次接入信号调理电路、采样电路、微处理器，微处理器将采集的数据经无线数传模块传输给手操器部件；手操器部件包括液晶显示器、键盘、微处理器、存储器、无线数传模块、电池及电源管理电路；其中手操器部件中的无线数传模块接受来自传感器部件的数字信号后能通过手操器的微处理器解算出磁方位送液晶显示器显示。

2、根据权利要求1所述的飞机磁罗盘校准设备，其特征在于，飞机磁罗盘校准设备可采用分体式，手操器部件和传感器部件为两个可自由分离的两部分，其中手操器部件为手操器，传感器部件为传感器，手操器和传感器之间通过无线数传模块完成数据的交换。

3、根据权利要求1所述的飞机磁罗盘校准设备，其特征在于，飞机磁罗盘校准设备的传感器部件上设置有瞄准镜和编码器，瞄准镜与编码器连接，瞄准镜得到的磁方位、远处目标、飞机轴向间的相对夹角数据可通过与其连接的编码器处理为数字量后送传感器部件内的微处理器采集、处理。

4、根据权利要求1或3所述的飞机磁罗盘校准设备，其特征在于，飞机磁罗盘校准设备的传感器部件上设置的编码器可采用绝对值编码盘。

5、根据权利要求1所述的飞机磁罗盘校准设备，其特征在于，飞机磁罗盘校准设备上设置有接口转换电路，传感器部件中的微处理器可将收到的数字化后的磁信号、地平信号和编码器信号经接口转换电路传输到外接设备。

6、根据权利要求1或5所述的飞机磁罗盘校准设备，其特征在于，飞机磁罗盘校准设备的接口转换电路中的接口转换可以为RS422、RS485或RS232。

7、根据权利要求1所述的飞机磁罗盘校准设备，其特征在于，飞机磁罗盘校准设备的手感器部件的内部设置有线路板，手感器部件内的微处理器、电源管理电路、接口转换电路、存储器、无线数传模块、液晶屏、键盘、电池、充电接口可设置或连接在线路板上，完成手感器部件内的微处理器与电源管理电路、接口转换电路、存储器、无线数传模块、液晶屏、键盘、电池、充电接口的连接。

8、根据权利要求1所述的飞机磁罗盘校准设备，其特征在于，飞机磁罗盘校准设备中的采样电路可与信号调理电路设置在一体，组成信号调理及采样模块。

9、根据权利要求1或8所述的飞机磁罗盘校准设备，其特征在于，飞机磁罗盘校准设备中的采样电路可与微处理器设置成一体，制成微处理器及采样电路。

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