基于磁阻传感器的弹体姿态测量技术研究.pdf

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1、硕士论文 基于磁阻传感器的弹体姿态测量技术研究 摘要 近几年来，随着微电子技术、现代传感器技术、计算机技术的快速发展以及相关技 术在新型武器上的不断应用，常规弹药被赋予了新的生命力。飞行弹体姿态信息的获取 无论是对弹体的设计、空气动力学的研究以及弹体制导都有着重要的意义，因此，飞行 弹体姿态信息实时测量成为了目前重要的研究课题。 本课题以某型号弹体的实弹发射实验作为应用背景，设计了基于三轴磁阻传感器的 弹体姿态测量系统方案。进行了传感器特性分析研究，姿态信息解算算法研究，完成了 试验样机系统的软硬件设计，利用设计的试验样机系统进行了实验，对实弹数据进行了 分析研究。具体包括以下内容： ( 1

2、) 分析了常用姿态测量传感器的特性，介绍了地磁场的基本理论及相关参考模 型，论证了基于磁阻传感器的地磁探测用于弹体姿态测量的优势。 ( 2 ) 详细阐述了弹体姿态测量涉及坐标系及其相互转换，推导了姿态解算的数学 模型，重点推导了利用迭代法修正姿态角的过程。 ( 3 ) 设计了两轴磁阻传感器与单轴磁阻传感器正交组合成三轴测量的方案，并结 合了电子经纬仪、光电编码器设计适用于转台实验的硬件系统，对系统的误差源进行了 分析和补偿。 ( 4 ) 进行了转台实验，并利用实验平台利验证了误差补偿的效果。对实弹数据进 行分析，模拟了基于磁阻传感器测量弹体飞行滚动角过零判别的漂移，有进一步研究的 必要性及其价

3、值。 关键词：磁阻传感器、姿态测量、S T M 3 2A R M 处理器、转台实验、误差补偿 A b s t r a c t I nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm i c r o e l e c t r o n i c st e c h n o l o g y ，m o d e m s e n s o rt e c h n o l o g y ，c o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dt h ea p p l i c a t i o n si nw e

4、 a p o n s ，n o r m a la m m u n i t i o n i sg i v e nan e w v i t a l i t y A c q u i s i t i o nt h ev a r i e t yo fp r o j e c t i l ef l i g h ta t t i t u d ei ss i g n i f i c a n tf o r m i s s i l ed e s i g n , a e r o d y n a m i c sa n dt h eg u i d a n c eo fa p r o j e c t i l e S oi

5、ti si n d i s p e n s a b l et os t u d y t h er e a l t i m em e a s u r e m e n to f p r o j e c t i l en i g h ta t t i t u d ei n f o r m a t i o n Am e a s u r e m e n ts c h e m ei s d e s i g n e db a s e do nt h r e e d i m e n s i o nm a g n e t i cs e n s o r s a c c o r d i n gt o t h en

6、e e do fo n et y p eo ft h e T r a j e c t o r yC o r r e c t i n g a m m u n i t i o n 1 1 1 e c h a r a c t e r i s t i c so fc o m m o na t t i t u d em e a s u r e m e n ts e n s o r sa n dt h ec a l c u l a t i o na l g o r i t h ma r e a n a l y z e d ，n l eh a r d w a r ed e s i g na n ds o f

7、 t w a r ed e s i g na r ec o m p l e t e d E x p e r i m e n t sa r ec a r r i e d o u tf o rv e r i f y i n ge f f e c t i v e n e s so fs y s t e m M a i nw o r kc o u l db es u m m a r i z e di nf o l l o w i n g ： ( 1 ) T h ec o m m o nc h a r a c t e r i s t i c so fa t t i t u d em e a s u r

8、e m e n ts e n s o ra r ea n a l y z e d T h eb a s i c t h e o r yo ft h eg e o m a g n e t i cf i e l da n dt h er e f e r e n c em o d e l sa r ei n t r o d u t e d ，a n dt h ea d v a n t a g e s o f m a g n e t i cf i e l dd e t e c t i o nf o ra t t i t u d em e a s u r e m e n ta r ed e m o n

9、s t r a t e di nt h i sd i s s e r t a t i o n ( 2 ) D e t a i l s t h em i s s i l ea t t i t u d em e a s u r e m e n tc o o r d i n a t e s y s t e ma n dt h e i r m u t u a l c o n v e r s i o n , t h ea t t i t u d ec a l c u l a t i o nm a t h e m a t i c a lm o d e li Sd e r i v e d f o c u s

10、 i n go nt h eu s eo f i t e r a t i v em e t h o dd e r i v e da t t i t u d ea n g l ec o r r e c t i o np r o c e s s n 圮c o r r e c t i n g a l g o r i t h mf o r a t t i t u d ea n g l em e a s u r e m e n ti Sd e r i v e db a s e do nI t e r a t i v em e t h o d ( 3 ) At h r e e - d i m e n s

11、i o n a lm a g n e t i cs e n s o ri sac o m b i n a t i o no fat w o d i m e n s i o n a lm a g n e t i c s e n s o ra n dao n e d i m e n s i o n a lm a g n e t i cs e n s o r W i t ht h ee l e c t r o n i ct h e o d o l i t ea n dt h eo p t i c a l e n c o d e Lt h ee x p e r i m e n t a ls y s t

12、 e mi sd e s i g n e d ( 4 ) E x p e r i m e n t sc a r r i e do u to nt h er o t a t ep l a t f o r mv e r i f yt h ee f f e c t i v e n e s so fe r r o r c o m p e n s a t i o n T h er e a la m m u n i t i o ns h o o t i n gd a t ap r o v et h ed r i f tw h e nd i s t i n g u i s ht h er o l l a n

13、 g l eb yz e r o - o u t p u t I ti Sv a l u a b l ea n dn e c e s s a r yf o r f u r t h e rr e s e a r c h K e yw o r d s ：M a g n e t or e s i s t i v es e n s o r , A t t i t u d em e a s u r e m e n t , S T M 3 2A R M ，R o t a t e e x p e r i m e n t a lp l a t f o r m ，E r r o rc o m p e n s a

14、 t i o n n 硕士论文 基于磁阻传感器的弹体姿态测量技术研究 目录 摘要I A B S T R A C T I I 1 绪论1 1 1 课题的研究背景及科学意义一1 1 2 国内外姿态测量技术的研究现状与进展1 1 3 本文研究的主要内容一6 2 地磁探测的理论基础7 2 1 引言7 2 1 1 地磁场基本理论。7 2 1 2 地磁场常用模型8 2 1 3 基于三轴磁阻传感器的载体姿态测量原理及数学模型1 0 2 2 姿态角与姿态矩阵1 2 2 2 1 坐标系、姿态参数1 2 2 2 2 姿态矩阵1 4 2 2 3 姿态角的解算1 5 3 弹体姿态测量的试验样机的开发21 3 1 引言

15、21 3 2 弹体姿态测量系统的设计2 l 3 2 1 磁传感器的介绍及选型量系统的设计2 l 3 2 2 微处理器的选择2 4 3 3 系统硬件电路设计2 7 3 3 1 电源电路的设计2 7 3 3 2 磁传感器置位复位电路的设计2 8 3 3 3 放大调理电路的设计2 9 3 4 电磁兼容性设计3 0 3 5 实验转台的设计3l 3 5 1 电子经纬仪3 2 3 5 2 光电编码器3 2 3 5 3 转台的机械结构设计3 3 3 6 本章小结3 5 4 试验样机误差分析及补偿方法3 6 I I I 目录 硕士论文 4 1 误差来源及分析3 6 4 1 1 真北标定误差3 6 4 1 2

16、传感器误差3 6 4 1 3 安装误差。3 7 4 2 安装误差的补偿3 7 4 3 罗差及其补偿。3 9 5 实验及数据分析4 0 5 1 转台实验环境4 0 5 2 磁场方向的标定4 0 5 2 1 调平4 0 5 2 2 定向4 0 5 3 实验数据采集4 l 5 3 1 俯仰轴转动测试4 l 5 3 2 滚动轴转动测试4 2 5 4 实验数据分析4 3 5 5 实弹数据及其分析4 4 5 6 本章小结4 8 6 总结与展望4 9 致谢。5 0 参考文献。5l I V 硕士论文基于磁阻传感器的弹体姿态测量技术研究 1 绪论 1 1 课题的研究背景及科学意义 现代战争中，包括导弹、制导炸弹

17、、制导炮弹在内的直接命中率超过5 0 的精确制 导武器使用比例一直呈现出上升的态势【l 】：海湾战争为8 ；科索沃战争为3 5 ；阿富 汗战争为6 0 ；伊拉克战争为6 8 ；2 0 11 年利比亚战争的第一周内，美、英、法等国 使用的武器全部属于精确制导武器。由此可见，在高技术战争中，精确制导武器已经变 得越来越重要，越来越影响着战争的胜败 2 1 。 随着微电子技术、现代传感器技术及计算机技术的飞速发展及相关技术在武器上的 不断应用【3 巧】，常规弹药被赋予了新的生命力，出现了滑翔增程弹、制导炮弹、炮射子 母弹、末敏弹在内的多种新型制导弹药【6 】。这种成本低廉，结构简单，同时具有精确、

18、高效打击能力的新型弹药成为了各国武器发展的重要研究对象【7 】。 为了使弹药具有精确制导能力，需要研究弹体的飞行规律，对弹体飞行中实时的姿 态信息的精确探测成为了制导弹药的研究关键【8 。1 1 1 。一方面，弹药飞行过程中，实时的 姿态参数可以直接提供给弹体制导控制器，作为其制导的基准【1 2 l 列；另一方面，在弹药 研制过程中，弹体飞行姿态参数在试验过程中被记录下来，成为试验验证弹药性能的重 要方法和手段，提高了弹药研发效率。因此，弹体飞行过程中姿态参数的探测对于弹药 的精确制导具有十分重要的意义【1 4 6 1 。 目前，国内外有多种测量一般飞行载体姿态的传感器，常用的飞行载体姿态传感

19、器 包括【1 7 1 ：以地球为基准的红外地平仪、太阳方位角传感器、以惯性空间为基准的陀螺仪 法、以地磁场为基准的磁传感器等。其中，磁传感器具有体积小、重量轻、价格便宜等 优点，不仅经济性好，而且能够适应火炮发射的高过载、高冲击等特殊环境。另外，地 磁场相对稳定，以地磁场为测量基准，通过姿态解算算法获取弹体姿态信息，具有无源、 可全天时、全天候工作、无累积误差、成本低廉、可靠性高等等优点【I 引。 本文源于某型号弹体研制项目，在确定弹体射向的情况下，基于三轴磁阻传感器的 地磁探测技术测量飞行弹体的姿态角。在模拟实验中，俯仰角不变的情况下，利用迭代 的方法得到微小航偏角变化。 1 2 国内外姿态

20、测量技术的研究现状与进展 目前，国际上对飞行姿态参数的测量方法很多种，常用的弹体姿态测量方法有以下 l 绪论硕士论文 几种： ( 1 ) 惯性传感器测量法 飞行载体姿态惯性测量方法主要是利用嵌入在飞行载体内的惯性传感器( 陀螺仪、 加速度计) ，测量载体的线性运动及角运动两部分参数，再根据飞行体的初始条件，利 用牛顿运动定律，计算出载体的飞行姿态信息以及位置参数。 陀螺可以感应载体运动方向，角速度和角加速度，是一种不需要参考信号就可以探 测出载体姿态的内部传感器【1 9 1 。利用陀螺测量弹体飞行姿态时是利用他的定轴性和进动 性建立基准，完成对飞行弹体姿态测量的 2 0 1 。加速度计是一种用

21、来测量载体加速度的器 件，随着M E M S ( M i c r o E l e c t r o M e c h a n i c a lS y s t e m ) 技术的发展，越来越多M E M S 加 速度计被应用到航空航天、智能仪器、消费电子、惯性导航等重要领域。 陀螺近百年的发展经历了以下几个历程：最早是滚珠轴承支承的陀螺；上世纪四十 年代产生的气、液浮的陀螺；上个世纪六十年代出现的挠性转子陀螺；近些年，产生了 以激光、静电，光纤陀螺为代表的新型陀螺【2 1 ) - 2 1 。 I N S ( I n e r t i a lN a v i g a t i o n a lS y s t e

22、 m ) 惯性导航系统是随着惯性器件的发展出现的，这种 导航系统具有完全自主，抗干扰能力强，输出信息量大，实时性强等优点，使得相关技 术在航空航天、消费电子、汽车导航、消费电子、军用领域都得到了广泛的应用。按照 惯性测量单元I M U ( I n e r t i a lM e a s u r eU n i t ) 在载体上的不同形式的安装，我们可以将I N S 分为捷联式I N S 和平台式I N S 。前者是将测量单元直接安装在载体上，利用计算机构建 数学平台，代替机械平台，尽管计算量较大，但是结构简单、可靠性高且方便安装维护。 后者是将测量单元安装在特定的惯性平台上，精度较高，但是结构复杂

23、、成本高、体积 大。目前，一般的惯性导航系统大都采用捷联方式四矧。 ( 2 ) G P S 定姿 全球定位系统( G l o b a lP o s i t i o n i n gS y s t e m ) 是一种基于空间技术的全球导航卫星系 统( G l o b a lN a v i g a t i o nS a t e l l i t eS y s t e m ) ，它最初是由美国政府主导，目的是为了解决早 期导航系统的局限性，最初出现在上个世纪6 0 年代许。1 9 7 3 年正式实施G P S 项目，最 终由美国国防部( U S D e p a r t m e n to f D e f

24、e n s e ) 完成并于1 9 9 4 年正式投入使用，初期2 4 颗卫星覆盖了全球9 8 的地区。在有4 颗卫星通讯畅通的情况下，可在全球和近地空间 全天候提供时间和定位信息。G P S 技术的快速发展和各种新型算法的产生使得利用G P S 进行姿态测量成为一种发展趋势【2 5 洲。 从全球定位系统投入运营开始，卫星就不间断连续地想地球发射信号，向地面用户 提供精确的位置和速度等数据信号口7 1 。用户在地球表面或者近地空间的任何地方都可以 通过G P S 信号接受终端，接受G P S 信号，确定自己的位置和精确的时间，进而实现导 航，整个过程只需要几十秒钟。G P S 信号广播发射的方

25、式，使得可以同时向所有G P S 信号接收端提供信号。 2 硕士论文 基于磁阻传感器的弹体姿态测量技术研究 由于全球定位系统是美国国防部直接参与研发的，当初设计时出于军事目的，全球 定位系统设计了两种标准。第一是民用标准定位服务，利用民用码定位。民用G P S 单 点定位的精度可达到2 5 m ，利用民用标准测速的精度可达O 1 m s ，时间信号精度达到 2 0 0 n s ，这种服务提供给普通的民众和普通的商业用户。另外一种G P S 服务标准是仅仅 提供给美国军方及一些准许的特殊用户的，利用军码定位，单点定位可以达到1 0 m 的精 剧2 8 1 。 利用G P S 技术进行姿态测量相比

26、传统的惯性传感器测量法具有精度高、实时性强、 成本低、结构简单、体积小、无累积误差等优点。 G P S 最初的设计目的是精密定位和定时，但是不久人们便认识到其用于姿态测量的 可能性。上世纪7 0 8 0 年代，各大公司和军方进行了大量G P S 测姿实验，但是受到G P S 硬件性能和价格的制约，一直进展缓慢。进入上世纪9 0 年代，随着载波相位技术不断 发展和硬件性能的大幅提升，G P S 姿态测量技术得到了迅速的发展。 1 9 9 1 年，美国的A s h t e c h 公司和T r i m b l e 公司都推出了机载G P S 信号干涉测姿系统 的相关产品 2 9 1 。V e c

27、t o r 的天线阵为三角形或十字形，当它的基线长度为1 米时，V e c t o r 的姿态精度为O 3 0 度，如果基线长度为5 米时，精度可以达到O 0 6 度。目前，国外有 厂商推出的姿态测量的多天线平台( 一般有4 个天线) 【3 0 J 。 ( 3 ) 太阳敏感器 由于在某一个特定时刻太阳的光线具有精确的射向角，将这个射向角作为基准角， 可以测量载体的姿态角。太阳敏感器有模拟式和数字式两种太阳敏感器【3 l 】。模拟式太阳 敏感器以光电池为光敏探测器，采用光伏特性原理及模拟量输出，模拟式太阳敏感期的 精度一般较差。基于电荷耦合器件( C C D ) 传感器的新一代数字式太阳敏感器不

28、断发展， 而且使用范围越来越广，其工作原理是利用C C D 图像传感器探测太阳光线通过光线引 入器在探测器上的斑点，根据光线形成的斑点中心来确定太阳方位角。 1 9 4 2 年，太阳方位角测量系统首先由美国加利福尼亚技术研究所研制成功，太阳光 线穿过小孔在惯性旋转的底片上产生光斑点，由于太阳光线具有与时间对应的射向角， 利用这些光点的位置可以确定载体的偏航状态【3 2 】。上世纪6 0 年代，国外出现了利用太 阳敏感器测量姿态角的相关技术。上世纪8 0 年代，我国开始研究利用太阳敏感器测量 姿态角，特别是弹体的滚动角测量。 基于太阳方位角传感器的姿态测量方法具有原理简单，可有效测量旋转飞行体的

29、滚 转角等优点【3 3 】。但是本方法有明显的缺点：精度不高，且太阳光线很容易受到气候等因 素影响导致了可靠性下降。 ( 4 ) 星敏感器 以星空作为敏感对象，并以恒星为参照系来测量空间姿态的装置就是星传感器。由 于新电子器件及新工艺技术的迅猛发展，星敏感器也迈入了一个新的阶段。星敏感器最 1 绪论 硕士论文 大的优点是空间适用性能优异，所以星敏感器一般在空间飞行器中，比如卫星等的定姿。 按照星敏感器的核心器件可以将星敏感器分为以下两类： 1 ) C C D 图像传感器的星敏感器 C C D ( 电荷耦合器件) 拥有重量和尺寸小，功率损耗小，可靠性高等优点。而且星 敏感器具有对磁场敏感度小，空

30、间适用性非常高等优点，所以一直以来C C D 星敏感器 都是图像传感器的一个主流技术刚。较为典型的C C D 星敏感器有德国的J e n a - O p t r o n i k 的A S T R O 系列，早在1 9 8 9 年就开始使用。法国的S O D E R N 星敏感器以其很长的使用 寿命而受到大量客户青睐。美国的L o c k h e e dM a r t i n 的A S T - 3 0 1 作为主要的传感器应用 于J P L 2 0 0 3 年发射的空间红外望远镜设备上。除此之外，丹麦、意大利等国家的研究院 在星传感器上都处于较为领先的地位。 2 ) C M O SA P S 星

31、传感器 C M O SA P S 星传感器是在2 0 世纪9 0 年代产生的，最早由美国J P L 成功研制。C M O S A P S 星传感器是一种单芯片数字集成成像系统，将光敏单元，驱动电路，控制电路，信 号处理单元、数模转换器、存储模块及数字接口电路等全部集成为一个系统。与C C D 星敏感器相比，C M O SA P S 星传感器使用单电压供电，并且具有低功耗、数据重复可读、 噪声低等优点【3 5 1 。但是C M O SA P S 星传感器的固定噪声、响应不均匀性及暗电流均较 高，这是由于集成了多个C M O S 晶体管得原因。典型的星传感器有F i l lf a c t o r

32、y 的 S T A R l 0 0 0C M O S 星敏感器，体积很小，功耗仅2 W ，但是精度不高。星敏感器除了用 于空间飞行器外还可用于科学实验气球、射电望远镜、导弹等军事领域。 随着星敏感器的应用领域的扩大，星敏感器也必须朝着小体积、低功耗、高精度的 方向发展p 引。 ( 5 ) 摄影测量方法 摄影测量方法是利用摄影或遥感技术获得被测物体的信息，即影像信息或数字信 息，通过分析和处理后确立被测物的大小、位置、及形状的一种方法。摄影测量方法源 于1 9 世纪中期，是采用地面摄影图像，再用同名射线逐点交会的方法进行测量。立体 坐标测量仪和立体测图仪也相继问世。在这段时间，法国首先通过气球从

33、空间摄像，获 得航空照片，制作了平面图。在第一次世界大战期间，飞机用开进行战场侦察，从空中 获取航空图像来分析敌情，制作阵地图纸，这些都促进了摄影测量方法的发展。1 9 2 9 年德国科学家格鲁贝尔提出在立体测图仪器上进行绝对定向和相对定向的理论，之后又 提出了利用立体测图仪器进行单航线微分法测图理论。1 9 5 3 年德国的施密特建立了解释 摄影测量的基本理论。1 9 6 2 年意大利和美国合作，制造成解析测图仪，这是由一台高精 度立体坐标测量仪和一台计算机组成。随着航天飞机的研制成功及成像系统的不断改 进，航天摄影技术也飞速发展。在摄影测量方法的理论方面，已建立了非传统的摄影系 统基本关系

34、式，也就是像点坐标同地面坐标变换的严密数学关系式。 4 硕士论文 基于磁阻传感器的弹体姿态测量技术研究 摄影测量方法根据信息采集时传感器的位置可以分为三类，分别是地面摄影测量 法、航空摄影测量法和航天摄影测量法。根据关键技术的不同则可以分为模拟摄影测量 法，数字摄影测量法和解析摄影测量法。根据摄影测量技术应用的领域不同，其可分为 地形摄影测量法及非地形摄影测量法【了丌。 摄影测量方法是测绘学的分支，他的主要用途是测量并绘制各种比例的地形图、搭 建数字的地面模型，提供各种地理信息系统及土地信息系统的基础数据。摄影测量方法 所需解决的主要问题有两个关键：图像的解析和几何定位【3 8 】。几何定位是

35、确立被摄物体 的形状、体积和空间方置。几何定位的原理来自于前方交会方法，依据已知的两个摄影 点和两条方向线，找出这两条摄影光线确定的点交汇的三维坐标。图像解析就是确立影 像对应物体的性质。 中科院王之卓教授( 1 9 0 9 - - 2 0 0 2 ) 建立了航空摄影测量方法中的微分关系式【3 9 1 ，并 提出了在地形复杂区可获得较高精度的航空像片相对定向元素计算式。到如今2 1 世纪， 我国摄影测量技术已得到了飞跃发展，摄影测量方法在实际中的应用也很多，只是应用 范围不够广。 ( 6 ) 地磁探测方法 地磁探测方法是一种通过测试地磁场的各项参数并进行解算得出被测物体姿态的 一种技术。基于地

36、磁探测的技术原理和结构都非常简单，有着价格低廉、抗高过载能力 强等优点，而且可以全天候工作可靠性高。 近些年，地磁探测方法的发展非常迅猛，很多新的地磁探测传感器及应用技术相应 而生。我们都知道地球磁场是弱磁场，用来测试弱磁场的传感器主要有以下几种 4 0 i ： ( 1 )磁通门传感器 磁通门传感器是是基于探测磁场磁性材料在线圈传感器中，它利用磁感应强度与磁 场强度之间的变化关系确定弱磁场。磁通门传感器具有小体积、低功耗、高可靠性及结 构简洁等优点，但由于磁通门需要加外电源激励，这就加大了系统的功率损耗。 ( 2 )感应线圈传感器 感应线圈传感器是基于电磁感应定律为理论来探测磁场，依据通过线圈

37、的磁通变化 来推导磁场的变化，这种传感器原理简单，非常适用于交变磁场。感应线圈最常见的应 用就是红绿灯电路系统。但是感应线圈传感器的缺点是成本高、尺寸大、工艺结构影响 大、电路复杂并且设计难度高。 ( 3 )霍尔效应传感器 霍尔效应传感器很少用于弱磁场的探测，因为其稳定性差、灵敏度低。霍尔效应传 感器一般用在旋转物体或者齿轮位置传感等应用中。较新研发的硅霍尔效应传感器是将 电路集成于芯片，线性度高，主要应用于汽车中的点火系统。 ( 4 )磁阻传感器 5 1 绪论硕士论文 磁阻传感器是根据铁磁材料里发生的磁阻的非均匀材质现象而制成的。当电流通过 一个长又薄的铁磁合金长条时，如果在铁磁合金长条外加

38、一个磁场，磁场的方向与电流 方向相互垂直，那么合金的电阻会发生明显变化。由于磁阻传感器的尺寸小，成本低， 抗干扰强等优点，被大量应用于弹体姿态测试系统或航向等测试系统。 1 3 本文研究的主要内容 本文主要研究了基于磁阻传感器的弹体姿态测量技术的原理及试验样机实现方法， 应用H M C l 0 5 2 两轴磁阻传感器与H M C l 0 5 1 Z 直立式单轴磁阻传感器组合方法设计了 弹体姿态测量单元，并利用电子经纬仪与光电编码器组合构建试验样机，进行了半实物 仿真试验。 第1 章绪论，主要介绍了弹体姿态测试技术课题的背景与研究意义，对目前常用的 姿态测量技进行了介绍，重点分析了基于磁阻传感器

39、测量弹体姿态的测姿技术。最后介 绍本文主要的工作安排。 第2 章基于磁阻传感器的姿态测量原理，本章简要介绍了地磁场的基本理论、常用 地磁场模型和利用三轴磁阻传感器测量载体姿态的基本原理。详细阐述了相关坐标系之 间的关系、姿态矩阵和姿态参数的定义及姿态结算的数学模型，重点推导了利用迭代法 修正偏航角的方法。 第3 章基于磁传感器姿态测量试验样机设计。本章设计了两轴磁阻传感器与单轴磁 阻传感器组合测量的方案。分析了弹载及转台实验对测试样机的硬件要求，以S T M 3 2 微处理器为核心，结合磁阻传感器测量单元，电源模块和通信接口模块，完成了弹体滚 转姿态测量试验样机的电路原理图的设计、元器件焊接以

40、及相关调试等工作。设计了适 用于弹载和转台实验的硬件系统。并利用电子经纬仪、光电编码器组合设计了应用于转 台实验时的平台。 第4 章试验样机的误差分析与补偿，本章分析了测量组合的误差来源，并进行了分 类，重点阐述了安装误差及补偿，并利用实验平台利验证了罗差补偿的效果。 第5 章实验及数据分析，本章进行了试验验证，并对实弹数据进行了模拟仿真，给 出了试验相关过程及数据分析。 第6 章总结与展望，对本次设计过程做了简要的总结和概括，对于仍需要解决的问 题和今后的研究方向题提出了建议。 6 硕士论文基于磁阻传感器的弹体姿态测量技术研究 地磁探测的理论基础 2 1 引言 地磁场是由不同来源的磁场叠加而

41、成的一个磁场矢量场，一般认为，地球表面以及 近地空间中的任意一点的磁场矢量是由地核场、地壳场、外源场三部分分量组成而成的， 任意一点地磁场的大小可以通过磁力测量获取。利用磁传感器探测地磁要素在地下，地 表和近地空间分布和变化规律形成了地磁探测理论。随着电子技术的不断发展以及与地 磁学的深入交叉融合，地磁场在航空航天、导航制导、消费电子、先进武器制导等领域 发挥着越来越大的作用【4 l 】。 本章介绍了地磁场的基本理论、常用地磁场参考模型，详细介绍了地磁探测中常用 的坐标系、姿态角和姿态变换矩阵的相关定义，推导了利用三轴磁阻传感器确定载体姿 态角的数学模型。 2 1 1 地磁场基本理论 磁场是宇

42、宙中天体固有的基本属性包括地球在内的各个行星，恒星，以及银河系等 星系都具有强度不同，结构不同的磁场。 地球有各种各样的物理场，如重力场，温度场，电场，磁场等，地球磁场是其中的 一个基本物理场，图2 1 1 所示为地球磁场模型 4 2 1 。 图2 1 1 地球磁场模型 地磁场是由各种不同起源，不同变化规律的磁场分量叠加而成，它在空间上的分布 7 2 地磁探测的理论基础 硕士论文 和随时间的变化都是复杂的。按照场源位置的不同，可以将地磁场划分为内源场与外源 场；按照随时间变化快慢不同，可将地磁场划分为稳定磁场和变化磁场。总结起来，地 磁场大致可以分为基本磁场、变化磁场、异常磁场这三大部分，详细

43、分类见表2 1 。基 本磁场中有可分成中心偶极子场与非偶极子场两部分。这些不同的磁场成分可由于源的 机制不同，各自都具有不同的随时间变化规律和随空间分布的特点。 表2 1 地球磁场详细分类 磁场成场源位置 强度特征随时间变测量 应用 分化 内源场主磁场地球外核 5 0 0 0 0 “ - - 偶极子场千年尺度全球测量用于导航 7 0 0 0 0 n T 为主的长期变 化和白外 年尺度的 倒转 局部场居里点以 1 0 0 一- 不规则，波随机局部测量地球物理勘 上的地壳 1 0 0 0 0 n T 长可小到探、海底扩张 l m 速率研究等 感应场地壳、上外源场的一般为全台站或临确定地壳和地 地幔、海 1 2 大小球场，但许 时台磁力幔电性 洋 多地方不 仪 规则 外源场规则磁磁层 1 5 0 近似均匀 4 1 0 h 台站磁力确定地壳和地 暴 5 0 0 n T 计幔的电性 不规则电离层 10 0 2 0 0 n T 极光带最 1 0 m i n s 台站或临监测太阳活动 磁暴场强时磁力仪 和亚暴 场 日变化电离层 5 0 2 0 0 n T 全球场 一天 台站磁力电离层潮汐、 计 电性、电场和 发电机过程 脉动磁层 1 0 1 0 0 n T准全球场，1 0 s 快速