CN106403932B - 一种弹载地磁姿态测量处理算法的验证方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种弹载地磁姿态测量处理算法的验证方法，该方法包括以下步骤：设计地面模拟转台调试装置，根据给定点经纬度计算出地磁偏角D和地磁倾角I；通过改变炮弹的磁偏航角ψ和磁俯仰角φ来验证地磁解算滚转姿态信息的处理算法的正确可行性，并分析弹载地磁组合姿态测量装置的测试误差。该方法根据地磁要素与经、纬度和高度关系，选择山西长治和祖国东南西北各一个城市：新疆乌鲁木齐、哈尔滨漠河、海南海口、江苏连云港验证地磁解算滚转姿态信息的处理算法的正确性，并分析测试误差。根据验证测试结果看，弹载地磁姿态测量装置在各地的测量误差在±5°。
Description
技术领域
本发明属于地磁导航应用技术领域，具体地说，涉及一种弹载地磁姿态测量处理算法的验证方法。
背景技术
地磁场是地球系统的基本物理场，是地球的固有资源，为航空、航天、航海提供了天然的参考系，可应用于航天器或舰船的定位定向及姿态控制。利用地球磁场空间分布的磁导航技术简便高效、性能可靠、抗干扰，一直是世界发达国家不可缺少的基本导航定位手段，如自动化程度很高的波音飞机都装载有磁导航定位系统。当前，地磁技术已广泛应用于地球科学、资源探测、航天航空、交通通讯、地震预测、空间天气、测绘等诸多领域，拥有巨大的应用潜力。
地球磁场同地球引力场一样，是一个地球物理场，它是由基本磁场与变化磁场两部分组成的。基本磁场来源于地球内部，研究它的变化及其起源，一直是地球动力学中的重要内容之一，而变化磁场则与电离层的变化和太阳活动等有关。地磁场是由不同来源的磁场叠加起来构成的，按其来源可把地磁场分为两大部分：一部分为稳定磁场，另一部分主要是起源于地球外部的快速变化磁场。快速变化磁场比稳定磁场弱的多，最大变化也只占总磁场的2％-4％。因此稳定磁场是地磁场的主要部分。地球主磁场的变化极为缓慢，这种变化称为地磁场的长周期变化。地球的变化磁场则是起源于外部并叠加在主磁场之上的各种短周期的地磁场变化。地球基本磁场变化十分缓慢，年变率在千分之一以下。外源场变化的时间尺寸比 较小，变化比较复杂，平静时的外源场的强度不到内源场的千分之一，强扰动时的外源场也在内源场的百分之一以下。因此，在考虑地磁场本身对航天器的影响时，只需考虑内源场中的基本磁场。
炮弹的空中姿态测量，特别是高过载下姿态测量在国内仍是一大技术难题,很多方法尚处于探索中。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术存在的缺陷，提供一种弹载地磁姿态测量处理算法的验证方法。
其具体技术方案为：
一种弹载地磁姿态测量处理算法的验证方法，包括以下步骤：设计地面模拟转台调试装置100，可承载20kg以上载荷，该装置由传感器101、基准102、齿轮箱103、伺服电机104、转动轴105、轴承座106、摇柄107、平板108、底座109、支撑杆110、松紧装置111、支撑座112、拨叉113和法兰盘114组成的机械平台，可搭载≤15kg重器件，可俯仰和滚转运动，俯仰角运动范围±45°；滚转角速度：0-1800°/s；带地磁姿态测量装置的炮弹控制舱通过螺栓与法兰盘114联接，通过伺服电机驱动带地磁姿态测量装置的炮弹控制舱按设定转速曲线滚转运动；通过支撑杆110、松紧装置111和支撑座112可控制炮弹控制舱的俯仰角度(俯仰角误差：±0.1°)；传感器101和基准102测量炮弹控制舱的滚转运动参数(横滚角误差：±0.2°)。根据给定点经纬度计算出地磁偏角D和地磁倾角I；通过改变炮弹的磁偏航角ψ和磁俯仰角φ来验证地磁解算滚转姿态信息的处理算法的正确可行性，并分析弹载地磁组合姿态测量装置的测试误差。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明提供的一种弹载地磁姿态测量处理算法的验证方法根据地磁要素与经、纬度和高度关系，选择山西长治和祖国东南西北各一个城市：新疆乌鲁木齐、哈尔滨漠河、海南海口、江苏连云港验证地磁解算滚转姿态信息的处理算法的正确性，并分析测试误差。根据验证测试结果看，弹载地磁姿态测量装置在各地的测量误差在±5°。
附图说明
图1是地面模拟转台调试装置的三维示意图；
图2是射角0°、射向300°时磁组合姿态测量装置原始信号；
图3是地磁理论计算长治地区射角0°时理论计算与实测基准曲线；
图4是长治地区射向300°、射角0°～-45°理论计算与实测基准曲线；
图5是长治地区射向315°、射角0°～-45°理论计算与实测基准曲线；
图6是长治地区射向330°、射角0°～-45°理论计算与实测基准曲线；
图7是射角0°、射向300°时磁组合姿态测量装置原始信号；
图8是地磁理论计算乌鲁木齐射角0°时理论计算与实测基准曲线；
图9是乌鲁木齐射向300°、射角0°～-45°理论计算与实测基准曲线；
图10是乌鲁木齐射向315°、射角0°～-45°理论计算与实测基准曲线；
图11是乌鲁木齐射向330°、射角0°～-45°理论计算与实测基准曲线；
图12是射角0°、射向60°时磁组合姿态测量装置原始信号；
图13是地磁理论计算海南海口射角0°时理论计算与实测基准曲线；
图14是海南海口射向30°、射角0°～-45°理论计算与实测基准曲线；
图15是海南海口射向45°、射角0°～-45°理论计算与实测基准曲线；
图16是海南海口射向60°、射角0°～-45°理论计算与实测基准曲线；
图17是射角0°、射向120°时磁组合姿态测量装置原始信号；
图18是地磁理论计算黑龙江漠河射角0°时理论计算与实测基准曲线；
图19是黑龙江漠河射向120°、射角0°～-45°理论计算与实测基准曲线；
图20是黑龙江漠河射向135°、射角0°～-45°理论计算与实测基准曲线；
图21是黑龙江漠河射向150°、射角0°～-45°理论计算与实测基准曲线；
图22是地磁理论计算连云港射角0°时理论计算与实测基准曲线；
图23是连云港射向210°、射角0°～-45°理论计算与实测基准曲线；
图24是连云港射向225°、射角0°～-45°理论计算与实测基准曲线；
图25是连云港射向240°、射角0°～-45°理论计算与实测基准曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方案对本发明的技术方案作进一步详细地说明。
一种弹载地磁姿态测量处理算法的验证方法，包括以下步骤：设计地面模拟转台调试装置100，可承载20kg以上载荷，该装置由传感器101、基准102、齿轮箱103、伺服电机104、转动轴105、轴承座106、摇柄107、平板108、底座109、支撑杆110、松紧装置111、支撑座112、拨叉113和法兰盘114组成的机械平台，可搭载≤15kg重器件，可俯仰和滚转运动，俯仰角运动范围±45°；滚转角速度：0-1800°/s；带地磁姿态测量装置的炮弹控制舱通过螺栓与法兰盘114联接，通过伺服电机驱动带地磁姿态测量装置的炮弹控制舱按设定转速曲线滚转运动；通过支撑杆110、松紧装置111和支撑座112可控制炮弹控制舱的俯仰角度(俯仰角误差：±0.1°)；传感器101和基准102测量炮弹控制舱的滚转运动参数(横滚角误差：±0.2°)。根据给定点经纬度计算出地磁偏角D和地磁倾角I；通过改变炮弹的磁偏航角ψ和磁俯仰角 φ来验证地磁解算滚转姿态信息的处理算法的正确可行性，并分析弹载地磁组合姿态测量装置的测试误差。
根据地磁要素与经、纬度和高度关系，选择山西长治和祖国东南西北各一个城市：新疆乌鲁木齐、哈尔滨漠河、海南海口、江苏连云港验证地磁解算滚转姿态信息的处理算法的正确性，并分析测试误差。根据验证测试结果看，弹载地磁姿态测量装置在各地的测量误差在±5°。
1)山西长治
山西长治的经纬度和高度大致为：经度113.121262°、纬度36.150943°、高度：950米左右。根据地磁理论计算当地磁偏角为-4.036°、磁倾角为52.354°。
图2给出了射角0°、射向300°时磁组合姿态测量装置原始信号。图3给出了射角为0°时，射向从0°起按15°增量检测磁探测基准理论计算值与给定射向检测值的对比曲线，从比较结果看，理论计算值与实际检测值的误差在[-1.27°～1.13°]。图4、5、6分别给出了射向为300°、315°、330°时射角从0°～-45°，磁探测基准理论计算值与射角变化检测值的对比曲线，从几种检测结果看，理论计算值与实际检测值基本一致，最大偏差范围：-3.2°～+2.97°。
2)新疆乌鲁木齐
新疆乌鲁木齐地窝堡国际机场经纬度和高度大致为：经度87.475686°、纬度43.905444°、高度：750米左右。根据地磁理论计算当地磁偏角为3.248°、磁倾角为63.432°。
图7给出了射角0°、射向300°时磁组合姿态测量装置原始信号。图8给出了射角为0°时，射向从0°起按20°增量检测磁探测基准理论计算值与给定射向检测值的对比曲线，从比较结果看，理论计算值与实际检测值的误差在[-3.32°～1.58°]。图9、10、11分别给出了射向为300°、315°、330°时射角从0°～-45°，磁探测基准理论计算值与射角变化检测值的对比曲线。从几种检测结果看，理论计算值与实际检测值基本一致，最大偏差范围：-3.32°～+4.74°。
3)海南海口
海南海口美兰国际机场经纬度和高度大致为：经度110.460701°、纬度19.938063°、高度：72米左右。根据地磁理论计算当地磁偏角为-1.500°、磁倾角为26.571°。
图12给出了射角0°、射向60°时磁组合姿态测量装置原始信号。图13给出了射角为0°时，射向从0°起按20°增量检测磁探测基准理论计算值与给定射向检测值的对比曲线，从比较结果看，理论计算值与实际检测值的误差在[-4.11°～3.38°]。图14、15、16分别给出了射向为30°、45°、60°时射角从0°～-45°，磁探测基准理论计算值与射角变化检测值的对比曲线。从几种检测结果看，理论计算值与实际检测值基本一致，最大偏差范围：-4.57°～+3.58°。
4)黑龙江漠河
黑龙江漠河机场经纬度和高度大致为：经度121.539303°、纬度52.972439°、高度：430米左右。根据地磁理论计算当地磁偏角为5.652°、磁倾角为71.431°。
图17给出了射角0°、射向150°时磁组合姿态测量装置原始信号。图18给出了射角为0°时，射向从0°起按20°增量检测磁探测基准理论计算值与给定射向检测值的对比曲线，从比较结果看，理论计算值与实际检测值的误差在[-2.46°～2.80°]。图19、20、21分别给出了射向为120°、135°、150°时射角从0°～-45°，磁探测基准理论计算值与射角变化检测值的对比曲线。从几种检测结果看，理论计算值与实际检测值基本一致，最大偏差范围：-3.03°～+2.80°。
5)江苏连云港
江苏连云港新浦汽车站经纬度和高度大致为：经度119.170689°、纬度34.606303°、高度：35米左右。根据地磁理论计算当地磁偏角为-5.167°、磁倾角为50.227°。
图22给出了射角为0°时，射向从0°起按20°增量检测磁探测基准理论计算值与给定射向检测值的对比曲线，从比较结果看，理论计算值与实际检测值的误差在[-2.93°～2.87°]。图23、24、25分别给出了射向为210°、225°、240°时射角从0°～-45°，磁探测基准理论计算 值与射角变化检测值的对比曲线。从几种检测结果看，理论计算值与实际检测值基本一致，最大偏差范围：-4.22°～+2.87°。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。
Claims (1)
1.一种弹载地磁姿态测量处理算法的验证方法，其特征在于，包括以下步骤：
设计地面模拟转台调试装置，可承载20kg以上载荷，该装置由传感器、基准、齿轮箱、伺服电机、转动轴、轴承座、摇柄、平板、底座、支撑杆、松紧装置、支撑座、拨叉和法兰盘组成的机械平台，能俯仰和滚转运动，俯仰角运动范围±45°；滚转角速度：0-1800°/s；带地磁姿态测量装置的炮弹控制舱通过螺栓与法兰盘联接，通过伺服电机驱动带地磁姿态测量装置的炮弹控制舱按设定转速曲线滚转运动；通过支撑杆、松紧装置和支撑座能控制炮弹控制舱的俯仰角度，俯仰角误差：±0.1°；传感器和基准测量炮弹控制舱的滚转运动参数，横滚角误差：±0.2°，根据给定点经纬度计算出地磁偏角D和地磁倾角I；通过改变炮弹的磁偏航角ψ和磁俯仰角φ来验证地磁解算滚转姿态信息的处理算法的正确可行性，并分析弹载地磁组合姿态测量装置的测试误差。
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