地磁匹配导航半实物仿真系统高精度标校技术研究

作     者：宗海涛 

作者单位：西安理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：席晓莉;宋忠国

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 080401[工学-精密仪器及机械] 081105[工学-导航、制导与控制] 080203[工学-机械设计及理论] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：地磁匹配导航 半实物仿真 高精度标校 磁场实时模拟 组合导航 

摘      要：地磁匹配导航作为一种新型无源导航方式,具有极重要的军事应用价值,近年来在国内外被广泛关注和研究。而地磁匹配导航半实物仿真系统通过重构特定区域背景地磁环境,将地磁匹配导航仪实物引入到闭环仿真中,充分考察数字仿真无法描述的系统误差,且成本更低,精度、效率更高。因此,搭建地磁匹配导航半实物仿真系统,验证接近不同实际应用场景下的地磁匹配导航精度及性能,可为开展地磁匹配导航演示验证提供理论依据和技术支撑。 地磁匹配导航半实物仿真系统通过屏蔽实验室环境的背景地磁场并通过三维赫姆霍兹线圈实时重构飞行载体所处地磁环境,通过地磁匹配导航装置采集所模拟磁场进而利用该磁场数据修正惯导,以此达到评估地磁/惯性组合导航系统综合性能的目的。为使办实物仿真系统运行结果更具实际指导价值,对系统的闭环实时性和磁场模拟及采集精度均提出较高需求。因此,在系统各组成模块搭建完成后对整个系统进行高精度标校至关重要。本文针对已有系统硬件环境,对系统的高精度标校技术进行了研究,充分考虑半实物仿真中包含环境磁场模拟延迟,地磁匹配等各个环节与实际应用场景的差异,通过标校研究提升了整个系统仿真场景的真实性及实验结果的精度。具体工作如下: (1)通过梳理地磁匹配导航半实物仿真系统的工作原理,具体应用需求和所需达到的技术指标,对影响整个系统的各组成部件的主要误差来源进行综合分析,初步定位到了为提升系统半实物仿真性能所需重点解决的技术问题并给出了对应的标校方案,为开展具体标校工作奠定理论基础及方向。 (2)对半实物仿真系统中的磁场模拟系统进行了高精度标校。首先分析了磁场模拟过程中的误差源,包括:磁屏蔽室剩磁影响;程控电源影响;三轴亥姆霍兹线圈影响;磁场模拟实时响应电流冲激影响等方面。对其中的核心误差因素三轴亥姆霍兹线圈误差,从单轴,多轴及实时性等方面采用最小二乘法算法对模拟磁场进行了初步校正,补偿了磁场生成过程中三轴亥姆霍兹线圈互耦,控制电流精度、信号抖动等各种因素对模拟磁场精度的影响,最终实现磁场模拟误差在±20nT内。 (3)对半实物仿真系统中的地磁/惯导组合导航装置根据实际应用场景进行了相应的改造并对匹配算法应用在实际环境中针对性的进行了改进。在惯导数值仿真模块中引入更为精确的捷联式惯导数学模型,利用采集所模拟地磁场在嵌入式系统中实现了 ICCP和MAGCOM地磁匹配导航算法,以此修正惯导指示位置信息。在地磁/惯导组合导航仪中考虑实际应用场景中存在进出地磁匹配区的判别是否启动地磁匹配算法等问题,本文针对该方面问题从算法层面上增加了相关在线实时决策模块。在半实物仿真系统配备了大型转台和具体MEMS惯性组件实物后,通过惯导与磁导航装置数据实时交互最终达到闭环仿真延迟为20ms。 (4)设计半实物仿真试验,对标校后的地磁匹配导航半实物仿真系统进行检验,验证了上述标校工作对系统性能精度的提升。 本文的研究为开展地磁匹配算法半实物仿真实验提供了稳定高效的平台,证实了半实物仿真系统在地磁导航方面的实际可应用性。