基于地磁传感器与MEMS陀螺仪组合姿态测量技术研究

摘要

简易制导弹药，主要是对常规炮弹加装弹道修正装置，通过对比弹道与预定弹道，解算出偏差量，从而对弹丸实际飞行轨道进行一次或几次修正，提高弹药射击精度和命中率。姿态解算系统作为修正装置的核心部分，其性能和精度对弹丸修正能力具有较大影响。因此，本文对地磁传感器与MEMS陀螺仪组合姿态测量技术进行了研究。
　　首先研究了地磁场的建模方法，分析了全球地磁场模型，建立了三轴地磁传感器与两轴陀螺仪姿态解算数学模型。设计了基于地磁传感器与MEMS陀螺仪的姿态测量系统，为后续地磁传感器测量误差校正的研究和随机误差滤波算法研究奠定了基础。
　　分析了地磁传感器测量误差的类型和特点，建立了地磁传感器误差模型，基于所建立的模型研究了基于最大似然法的静态校正;利用静态校正得到的补偿参数作为初值，研究了基于最小二乘椭球拟合法的组合在线校正;最后利用组合在线校正方法对地磁传感器进行了校正实验。
　　分析了地磁测量系统随机噪声源种类和特点，利用改进后的六自由度弹道方程建立了卡尔曼滤波模型，分别研究了扩展卡尔曼滤波、无迹卡尔曼滤波;针对滤波算法对初值敏感的问题，研究了对噪声误差的自适应估计。分别利用扩展卡尔曼滤波(EKF)、无迹卡尔曼滤波(UKF)、自适应无迹卡尔曼滤波(AUKF)对地磁传感器进行了滤波实验，对三种滤波结果进行了对比分析。
　　经过调试，所设计的地磁传感器与MEMS陀螺仪的姿态测量系统能够正常工作。针对两种地磁传感器误差校正方法，进行了校正实验，结果证明组合在线校正方法能够有效减小地磁测量系统测量误差。三种滤波算法的实验结果表明自适应无迹卡尔曼滤波(AUKF)对地磁测量系统噪声具有良好的滤除效果。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题的背景及意义

1．2 简易制导弹药姿态测量技术研究现状

1．2．1 简易制导弹药及发展

1．2．2 惯性导航技术

1．2．3 无陀螺姿态测量技术

1．2．4 地磁传感器姿态测量技术

1．3 地磁与陀螺仪组合姿态测量关键技术及研究现状

1．3．1 地磁传感器误差校正

1．3．2 地磁测量噪声非线性滤波

1．4 本文主要研究内容

2 地磁与陀螺仪组合姿态解算技术研究

2．1 坐标系与姿态矩阵

2．1．1 地磁坐标系

2．1．2 地理坐标系

2．1．3 发射坐标系

2．1．4 弹轴坐标系

2．1．5 弹体坐标系

2．1．6 坐标变换

2．2 地磁姿态测量方法研究

2．2．1 地磁场的解析模式

2．2．2 世界磁场模型

2．2．3 姿态角解算模型

2．3 陀螺仪姿态测量方法研究

2．4 本章小结

3 组合姿态测量系统设计

3．1 组合姿态测量系统硬件设计

3．1．1 地磁传感器测量模块关键电路设计

3．1．2 MEMS陀螺仪模块的设计

3．2 组合姿态系统软件设计

3．2．1 系统初始化配置

3．2．2 姿态角计算流程

3．3 本章小结

4 地磁测量组件误差分析与补偿方法研究

4．1 地磁传感器测量误差分析

4．1．1 自身误差分析

4．1．2 环境干扰误差分析

4．1．3 地磁误差模型建立

4．2 基于最大似然法的静态校正

4．3 地磁传感器组合在线校正

4．3．1 基于递推最小二乘椭球拟合法

4．3．2 误差系数的在线组合校正

4．3．3 校正实验与分析

4．4 本章小结

5 地磁传感器输出信号降噪滤波研究

5．1 地磁测量系统随机噪声源分析

5．1．1 地磁测量系统外部噪声源

5．1．2 地磁测量系统内部噪声源

5．2 地磁测量系统非线性滤波研究

5．2．1 卡尔曼滤波模型建立

5．2．2 扩展卡尔曼滤波

5．2．3 无迹卡尔曼滤波

5．2．4 系统参数的自适应估计

5．3 仿真实验与结果分析

5．4 本章小结

6 总结与展望

6．1 主要研究与工作

6．2 研究展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和出版著作情况