三维磁传感器试验

1、三维捷联磁传感器实验实验目的: 通过三维磁传感器的实际应用实例了解磁传感器指示航向的原理，以理解磁航向传感器在导航和定位系统中的应用；同时，了解地 球磁场的特性，初步掌握磁传感器的使用方法。二.三维磁传感器的工作原理： 1地球磁场的特性磁航向角是磁子午线与飞行器纵轴在水平面上的夹角，它与地球磁场的关系密不可分。地球磁场强度大约为 0.50.6高斯，可分解为 水平分量和垂直分量，其水平分量与地球表面平行并且总是指向地磁 北极，这一特性是所有磁传感器测量磁航向角的基础。地球磁场可以用图1所示的偶极模型来近似表示。此图说明了地 球磁场的方向总是指向磁北极。地球磁场与地表平面之间的夹角被称为磁倾角 ，

2、如图2所示。当需要确定飞行器的航向角（即磁传感器的指向角）时，仅利用地球磁场在X、Y轴的分量Hx禾口 Hy。图2:磁倾角图1地球磁场偶极模型图示意图2. 磁传感器的测量原理三维磁传感器的三个单相地磁感应元件分别沿磁传感器坐标系（OXs YsZs）的三轴安装，在实际安装中，磁传感器坐标系 s与机体 坐标系b重合。设磁地理坐标系为 OXmYmZm，当机体坐标系b与 磁地理坐标系m重合（即磁传感器坐标系s与磁地理坐标系m重合） 时，三相地磁感应器产生的感应电势为：En：Em =0Ed 一(1) 其中：En由地磁水平分量在磁传感器坐标系 X轴上产生的感应 电势Ed由地磁垂直分量在磁传感器坐标系 Z轴上

3、产生的感应 电势当机体坐标系处于任意姿态时，三相地磁感应器产生的感应电势 为：-Ebx!Eb =iEbYEbZ 一_CbF _匕门匚M-cos屮 cosQ= cos屮 sin日sin ? sin屮 cos?si n- si nrsinsin v sin cos- cosjdosW sin Geos? +sinW sin ? sinW sin 日 cos? co剖 sin 半-sin j cost sin cost cosEn：0】Ed 一上式中，为磁航向角，二为俯仰角， 为横滚角。在已知俯仰角二和横滚角情况下，可由Eb计算出磁航向角，的公式为：Ex 二 cost Ebxsin sin EbY

4、cos sin 二 EbZ 二 cos EnEy 二 cos * EbY sin EbZ 二sin* En真实磁航向角为：屮=arcta nEY/EX3. 磁航向误差来源磁航向传感器作为机载设备，它的工作情况与飞行器环境的影 响有着密切关系。由于飞行器上的干扰磁场，公式(3)所得出的磁航向角存在较大的误差，不能直接使用。干扰磁场可分解为水平分量 和垂直分量，其水平分量与地磁水平分量形成的合成磁场与地磁水平 分量之间的夹角就是磁罗差，其计算式为：二 cmc丿其中：；m 磁传感器指示的磁航向c.： c磁航向的罗差将干扰磁场引起的磁航向罗差分类如下：1）硬磁误差：飞行器内安装在磁传感器附近的部分设备

5、和装置会产生干扰磁场，如果干扰磁场的大小和方向相对于飞机航向是不变的，则被称为“硬磁误差”。2）软磁误差：有些材料能够感应外部磁场而产生自身的磁场，被称为“软磁 场”。随着外部磁场大小和方向的不同，软磁场会在一个很大的范围 内变化。如果飞行器中存在这种材料，那么它会对外部的地球磁场做 出反应而产生自身磁场从而影响磁传感器的输出。 因为地球磁场的方 向会随着飞行器的飞行高度而变化，所以软磁场对磁传感器的影响是 一个变化的误差量。3）灵敏度误差：理想情况下，三轴混合磁传感器中的三个单轴磁传感器应该是完 全相同的。然而，不同的磁传感器有不同的敏感性。也就是说，当用 三个磁传感器对同一磁场进行测量，输

6、出是互不相同的。4）安装误差：理想安装情况下，三个单轴磁传感器将与飞行器体坐标系的三根 轴吻合。如果未能合理安装，那么三轴混合磁传感器的输出会因偏离 磁场方向轴而产生误差。4. 磁航向误差补偿的四位置方法根据磁传感器的工作环境，磁航向罗差修正有四位置和八位置 方法。考虑磁场环境相对简单，采用三参数四位置的罗差修正方法。罗差的计算式为：肌c=S-J，综合飞机磁场（包括硬铁磁场和软铁磁场）所产生的罗差，得出以下罗差方程式：.c = A Bsin - c Ceos- c（5）其中：A为圆周罗差，由软铁磁场产生Bsi nU Ccosj为半圆罗差，由硬铁磁场产生；进行磁航向补偿就是要针对具体的系统环境测

7、出磁航向误差公 式中的误差系数，即罗差方程式中的系数 A、B、Co我们采用四位置罗差补偿方法。将磁航向传感器放置在转台上，处于水平状态。在航向角 360 范围内取角距相同的4点：0、90、180、270进行误差测试， 即将磁传感器的实际指向对准这四个标准方位， 测出在这四个标准方 位上的磁航向角，以此获得4个磁航向误差量，即： LiMiii =1,2,3,4三.实验步骤：1.磁航向传感器的指北特性；利用磁阻罗盘HMR2300对磁航向 角进行测量，步骤如下：将磁阻罗盘放置在转台上，转台调平；2将磁传感器接上电源（工作电压大小见磁传感器技术资料）， 并且通过串口线与PC机相连（提供PC机上采样数据程序等）；3. 转台和磁传感器的初始航向一致，都指北（航向 0度）；4. 每隔30度水平转动转台改变航向，待数据稳定后，记录没有 经过罗差修正情况下磁传感器测量的航向角， 并计算出磁航向 误差；5. 根据前面所述的补偿原理对磁航向罗差进行四位置标定，标定后的参数用于计算真实航向角；6. 再从