飞行器地磁导航中三轴磁力仪的一体化标定机理与方法研究

Getting accurate geomagnetic field value is the prerequisite and foundation for the application of geomagnetic navigation. However, the measuring precision of geomagnetic field is badly influenced by the coupling effect between the field of earth and interference errors. The calibration of geomagnetic sensor and magnetic compensation have become the key factor which restrict the progress of geomagnetic navigation. By analyzing the error sources of aerocraft geomagnetic navigation synthetically, the integrative three-axis magnetometer error model is established to overcome the low geomagnetic measuring precision due to ignore some distortion errors. The cubature kalman filter and robust estimation theory are used to improve real-time ability and robustness of parameter estimation. The quantum theory is introduced to the traditional particle swarm optimization algorithm, the quantum particle swarm optimization is used to optimize the layout of magnetometer gesture. Finally, the validity of the proposed integrative calibration algorithm is tested by experimental method. This project has an important theoretics meaning for extend the research domain and level of geomagnetic navigation, which can also break through the key technique blockage by hesperian nation and has an important practicality value for improve the weapon equipment battle effectiveness of our country.

地磁导航中获取地磁场的精确测量值是进行地磁匹配导航的前提和基础，然而，地磁场信号与各种误差信号耦合在一起严重影响了地磁场的测量精度，地磁传感器的标定与磁补偿技术已经成为制约地磁导航技术发展的关键因素之一。本项目在综合分析飞行器地磁导航中各类误差源影响作用的基础上，通过建立三轴磁力仪的一体化测量模型，从而克服传统建模时对误差源考虑不充分导致的地磁场测量精度较低的问题，通过采用容积卡尔曼滤波方法以及抗差估计理论来提高地磁参数估计的实时性和鲁棒性，通过将量子理论引入到传统的粒子群算法，采用量子粒子群算法来实现对磁力仪空间转动姿态的编排优化，从而改进和提高模型参数估计的精度和稳定性，最后，通过构建实验平台来验证项目中提出的一体化标定算法的有效性。本项目的研究对于推进地磁导航技术的发展具有重要的理论意义，同时，对于打破西方大国的关键技术封锁，提高我国武器装备的性能也具有重大的实际应用价值。

高精度地磁场测量是地磁匹配导航的前提和基础，地磁场测量常用的三轴磁力仪由于生产工艺、捷联安装以及载体机动等因素的影响，将不可避免的产生仪表误差、载体干扰磁场误差、涡流磁场误差和双噪声（即系统噪声和测量噪声），严重影响地磁传感器的精确测量。项目着重研究了地磁测量误差的一体化建模、参数反演估计以及载体姿态优化方法，并通过搭建实验平台，验证了所提补偿方法的有效性。项目主要工作和成果如下：. 对磁力仪所受各类干扰因素进行分析，确立了一体化补偿模型。并对补偿算法进行研究，采用了EKF（扩展卡尔曼滤波）算法和联合估计迭代算法。仿真结果表明，EKF算法各参数均可收敛，联合估计迭代算法解算值均方根误差可达到相应的CRB（Cramer-Rao Band），两种算法均能对地磁场误差进行补偿，证明了所提建模方法和补偿算法的有效性。. 针对捷联于飞行载体内部的三轴磁力仪不能全欧拉空间转动造成的观测数据空间分布病态，以及影响补偿精度的问题。建立了传感器输出与载体转动姿态角之间的相关模型，并采用基于D优化准则的优化方法，并通过粒子群算法进行参数解算。仿真结果表明，经过D优化设计的角度相比于随机取样和均匀取样有着更高的参数估计精度。. 构建实验仿真平台，对项目所提补偿算法进行实验验证。实验结果表明，采用本项目提出的两种补偿方法，对地磁场误差均值和误差标准差抑制比可达90%左右，证明了所提补偿方法的实用性和有效性，具有较强的实际应用价值。