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  • 关于一种基于磁测增强的高空长航无人机导航方案

    来源:www.shuoshisheng.net 发布时间:2019-11-07

    地磁场是地球的固有资源,为航空,航天和导航提供了自然坐标系。地球近地空间中任何一点的地磁矢量都与其他地方的矢量不同,并且与该地方的纬度和经度一一对应。因此,理论上,可以通过确定该点的地磁场矢量来实现全局导航。近年来,地磁导航由于其隐蔽的性能,较高的成本效益和易于使用的特性而得到了广泛的使用和迅速发展,并且误差不会随着时间的推移而累积。 2003年8月,美国国防部的军事关键技术清单提到,他们开发的纯地磁导航系统在地面和空中的定位精度要比30m(CEP)高。俄罗斯新型SS-19导弹采用地磁场轮廓匹配制导方法。导弹进入大气层后,它不会通过抛物线飞行,而是在浓密的大气层中沿着地磁轮廓传播,使美国导弹防御系统无法准确预测打击。导弹的飞行轨迹轨迹大大增强了导弹的穿透能力。在美国生产的波音飞机配备有地磁匹配制导系统,供飞机起飞和降落时使用。基于地磁导航的优势,针对高空远程无人机上传统SINS/GPS组合导航系统中易受干扰的GPS的不安全特性,提出了一种基于磁共振增强的组合导航方案。当GPS处于良好状态时,磁力计可用于定位和定位,以提高SINS/GPS集成导航系统的准确性。当GPS发生故障时,磁场匹配有助于惯性导航,以抑制惯性导航系统输出误差的发散。

    1磁测量姿态和匹配导航原理

    1.1地磁数学模型

    地球周围的磁场由不同来源的各种磁场组成,这些磁场随空间r和时间t的变化而变化。场强B(r,t)可以表示为

    B(R,T)=BM(R,T)+的Ba(R)+ BD(R,T)(1)

    其中, Bm(r,t)是主磁场(也称为核磁场),它是由地幔和芯外层下的高温液态铁镍循环引起的。它随时间缓慢变化,全球平均变化幅度为每年80nt。空间分布为行星尺度,表面强度为nt,占总磁场的95%以上。 Ba(r)是反常场(也称为地壳场),它是在磁化的硬壳岩石中产生的,几乎没有时间变化,表面强度占总磁场的4%以上; Bd(r,t)是干扰磁场,其起源于磁层和电离层,并且包含常规和年度扰动以及磁暴。不规则的干扰,例如亚磁暴,非磁暴期间的干扰磁场通常为几十纳米,磁暴可能超过1000 nt。

    1.2基于地磁测量的定位方法

    三轴磁力计可用于测量空间环境的磁场强度。在线性范围内,其输出与外部磁场成比例,并且轴之间没有交叉耦合。磁力计的测量模型为

    BM=KMB + VM(7)

    其中: Bm是三轴磁力计的输出地磁感应强度; Km是测量轴比例因子; vm是测量噪声和恒定偏差。

    理想情况下,测量方程为

    BB=ABG

    : Bb是磁场强度在载体坐标系上的投影,可以用磁力计测量; Bg是磁场强度在地理坐标系上的投影,可以通过地磁场模型进行计算; A是到载体的地理坐标系坐标系的转换矩阵。

    地磁滤波和定位的基本思想是:首先,将已知的位置信息放入地磁场的数学模型中,以获取地磁矢量在地理坐标系中的投影。然后,用磁力计在载体坐标系中测量地磁矢量。投影;最后,利用磁力计的测量方程和滤波算法进行滤波和定位。

    1.3地磁匹配导航

    地磁匹配是在轨道的预先计划区域中绘制磁匹配特征的参考图(或参考图),并将其存储在载体计算机中。当载体飞越这些区域时,可以通过磁性测量设备实时测量飞行点的匹配特征,并且可以在载体上获得并计算实时地图。通过匹配机器中的参考数据来计算载体的实时坐标位置,导航计算机可以使用该参考数据来计算导航信息。

    在分析比较现有的几种地磁匹配方法之后,本文采用了西北工业大学严登阳提出的地磁匹配方法。该方法简单,实用,准确度高。主要思想是:使用三轴磁力计测量地磁场,并沿载体坐标系的三个坐标轴获得地磁场强度的磁分量[BxbBybBzb]T。通过将磁偏角和磁倾角匹配而获得的粗略位置的经度和纬度用作循环计算的初始经度和纬度值,并将以高度计测量的高度用作周期。将初始高度值H0连续替换到地磁场模型中,以计算地理坐标系中地磁场强度的三轴磁分量[BxgBygBzg]T。当(Bxb-Bxg)2+(Byb-Byg)2+(Bzb-Bzg)2最小时,最后一次替换的经度,纬度和高度是地磁导航输出的位置[] lambda m mhmT系统。具体过程可参考文献。

    2SINS/GPS /磁力仪组合导航方案

    2.1集成导航方案

    基于磁力计增强的捷联惯导/GPS /磁力计组合导航方案采用联邦滤波算法。 SINS系统用作参考系统。来自GPS输出的位置和速度信息被引入本地滤波器1。通过将磁力计输出与来自GPS输出位置的姿态信息相结合,将通过磁场匹配获得的位置引入本地滤波器2。将该信息引入到本地过滤器3中,以在GPS完好时形成高精度的导航方案,并在GPS无效时形成完全自主的导航方案,如图1所示。

    2.2状态方程

    系统状态方程

    X(T)=F(t)的X(t)+ G(T)W(t)的(9)

    使用十八维状态变量。这些变量是平台误差角,速度误差,位置误差,陀螺仪随机常数,陀螺仪一阶马尔可夫过程噪声和加速度计一阶马尔可夫过程噪声。可以参考状态矩阵F(t)和系统噪声矩阵G(t)以及它们的离散化,因为它们不是本文的重点,因此将不再重复。

    2.3测量方程

    2.3.1局部滤波器1的测量方程式

    本地滤波器1是SINS/GPS组合滤波器,其测量方程为

    Z1=H1X + V1(10)

    2.3.2局部滤波器2的测量方程

    局部滤波器2是一种基于SINS /磁测姿态信息组合的滤波器,其测量方程如下。

    Z2=H2X + V2(12)

    根据以上分析的滤波姿态确定原理,推导姿态测量矩阵H2。

    假设磁力计输出的磁矢量为MbMAG,惯性导航系统的磁矢量为MbSINS,惯性导航系统的姿态传递矩阵为C ^ bn,真实的姿态传递矩阵为Cbn,真实地理的磁场矢量系统是Mn,然后是:

    MbMAG=Mb + V2=CbnMn + V2(13)

    2.3.3局部滤波器3的测量方程

    局部滤波器3是基于SINS /地磁位置信息组合的滤波器,其测量方程如下。

    Z3=H3X + V3(17)

    由SINS求解的位置观测矢量为ZSINS,而由地磁导航系统获得的位置观测矢量为ZGNS,因此,

    Z3=[] ZSINS-ZGNS(18)

    位置信息观测矩阵

    H3=03×6diag([1,1,1])03×[] 9(19)

    3仿真分析

    仿真参数设置如下:惯性导航系统的陀螺仪随机常数为0.1°/h,随机漂移均方误差为0.1°/h,一阶马尔可夫噪声驱动的白噪声均方误差为0.1°/h,相关时间为3600s;加速度计一阶马尔可夫噪声驱动的白噪声均方误差为10-4g,相关时间为1800s; GPS接收机水平位置测量误差为5m,垂直位置测量误差为10m,速度测量误差为0.2m/s;强大的测量精度为0.1 nt;模拟时间设置为1000秒。

    3.1 GPS卫星导航系统完好时的仿真

    当GPS卫星导航系统状况良好时,磁力计用于滤波和定位,校正SINS/GPS组合的姿态,还用于磁场匹配和定位辅助的SINS/GPS组合导航,以进一步改善导航系统。组合导航的准确性。仿真结果表明该方案取得了较好的效果。统计得到误差数据后,位置误差为1.88m,速度误差为0.084m/s,姿态精度优于0.01°。位置误差曲线,速度误差曲线和姿态误差曲线如图2至图4所示。

    3.2 GPS卫星导航系统故障仿真

    由于磁力计用于过滤和定位,因此需要GPS卫星导航系统提供的位置信息。因此,当GPS发生故障时,磁力计仅用于磁场匹配和定位,并辅助惯性导航,从而提高了导航精度。在这种情况下进行仿真。统计得到误差数据后,位置误差为20.75m,速度误差为0.63m/s。在仿真期间,姿态误差保持在0.1°以内。位置误差曲线,速度误差曲线和姿态误差曲线如图5-7所示。

    4结论

    本文研究了基于SINS/GPS /磁力仪的高空长寿命无人机组合导航方案。提出了将磁力计同时用于姿态和定位的方案,并推导了每个局部滤波器的观测方程。对GPS和GPS故障都进行了仿真和分析。当GPS处于良好状态时,磁力计将GPS输出的位置信息组合起来进行滤波和定位,从而校正SINS/GPS组合系统的姿态,并进行磁场匹配定位,以进一步提高组合导航精度。当GPS发生故障时,磁场会被匹配。辅助惯性导航可抑制惯性导航系统输出误差的发散。这为GPS卫星导航系统不断受到干扰的环境中的高空长寿命无人机提供了更可靠的导航方案。

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