电子罗盘在捷联惯导初始对准中的应用

　　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。
　　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。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。
　　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。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。
　　2　电子罗盘误差及补偿方法
　　电子罗盘误差可分为制造误差、安装误差、姿态信号误差和罗差。前3种误差都和电子罗盘的制造工艺有关,本文仅讨论由磁传感器周围的铁磁材料影响而产生的航向误差,即罗差。罗差是利用地磁场测量航向时所特有的一种误差,分为硬磁材料引起的罗差和软磁材料引起的罗差2种。
　　在无磁干扰的情况下,当载体处于水平时,X和Y轴磁传感器的输出在坐标系中的映射应为圆,Z轴磁传感器输出为常值。而硬磁干扰会使该圆圆心偏移,引起零位误差;软磁干扰会使该圆畸变为椭圆,引起灵敏度误差。因此,在硬软磁干扰的共同作用下,三轴磁传感器的输出在空间中将映射为椭球面。补偿的目的就在于除去两种干扰所造成的零位和灵敏度误差,将椭球面重新映射为球面。
　　3.2　精对准的UKF滤波器设计
　　静基座下载体垂直速度误差可认为是零,只考虑水平速度误差δVx,δVy。精对准时间较短,可将陀螺仪漂移εεy,εz和加速度计漂移 x, y视为常值。电子罗盘航向角δψ误差则近似用一阶马尔科夫过程来描述。三维失准角为φx,φy,φz时,定义系统状态变量X = [φx,φy,φz,δVx,δVy,δψ, x, y,εx,εy,εz]T,噪声变量W=[wgx,wgy,wgz,w x,w y,wMC]T,为N(0,Q)的高斯白噪声。将SINS和GPS输出的水平速度之差和电子罗盘航向角误差作为观测量,定义观测噪声为N(0,R)的高斯白噪声η= [ηδVx,ηδVy,ηδψ]T。