基于SQUID三轴磁强计求取高精度磁总场研究

根据航空超导全张量磁梯度系统中高精度磁总场需求,文中针对基于高灵敏低温超导量子干涉器件(LTS-SQUID)构建的三轴磁强计建立了校正模型,以校正其存在的零偏误差、比例因子误差与非正交误差。同时就SQUID重置后零偏偏大导致的算法寻优困难问题,提出零偏预校正方案,并在预校正基础上用自适应遗传算法对校正参数进行求解。此外,通过校正模型的正演研究了解了总场误差的分布情况,于反演仿真中,可将正演数据的总场误差校正至0.02 nT附近,其中预校正方案实现了零偏初步定位。在安静均匀地球磁场下进行了SQUID三轴求总场实验,将光泵磁力仪采集的数据视为理想总场。实验结果表明,经校正后的三轴实验数据合成的总场与光泵输出的标准差能达到0.2 nT量级以下。

基于高斯牛顿迭代算法的三轴磁强计校正

三轴磁强计存在各轴刻度因子、零偏和轴间非正交性误差,需要研究其校正方法。基于标量校正法思想,对磁强计校正模型进行了推导,提出基于高斯牛顿迭代法的磁强计校正方法。采用高精度质子磁力仪提供磁场基准值。借助无磁转台转动磁强计,转动过程中磁强计连续采样,测量数据更具代表性和实用性。仿真结果表明,磁强计误差从162.135 nT降低到1.467 nT。实验结果表明,校正后,磁强计绕3个轴转动的测量值误差分别从1133.887 nT、1317.554 nT、1303.994 nT降低到36.964 nT、20.922 nT、15.664 nT。表明该方法能有效降低磁强计测量误差,磁强计精度明显得到提高。

基于FLANN的三轴磁强计误差校正研究

提出一种基于函数链接型神经网络(FLANN)的三轴磁强计误差修正方法。由于三轴非正交、灵敏度不一致及零点漂移所引起的误差降低了三轴磁强计的测量精度,因此有必要进行校正。本文先对与三轴磁强计系统参数有关的测量进行详细分析和理论计算;然后,设计矩阵形式的数学模型对该误差进行修正。通过构造相应的FLANN网络结构,实现对模型参数矩阵的辨识。用实际地磁场测量数据进行测试,结果表明,三轴磁强计的转向误差由800 nT修正到12 nT以下。因此,该研究为提高三轴磁强计性能提供了一种可行方法。

基于无迹卡尔曼滤波和设备的三轴磁强计校正

采用无迹卡尔曼滤波(unscented Kalman filter,UKF)磁强计模型参数估计方法,提出对三轴磁强计的总量及分量误差进行校正。采用高精度质子磁力仪提供磁场基准值,借助无磁转台实现磁强计全方位转动,对一款DM-050三轴磁强计进行了参数估计,并将参数估计值运用到总量和分量校正。仿真结果表明,参数估计值与磁强计实际参数值一致。校正后,磁强计总量误差从427.9 nT减少到2.06 nT;X、Y、Z轴分量误差分别减少到1.84 nT、1.96 nT、1.72 nT。而且证明了UKF对磁强计模型参数估计的重复性良好,并研究了噪声幅度大小对UKF的性能影响程度。实验结果表明,磁强计误差从114.94 nT减少到14.47 nT,表明该方法能有效提高磁强计测量精度。

基于滚动时域估计的飞行器姿态估计及三轴磁强计在线校正

针对飞行器姿态估计以及三轴磁强计在线校正问题,提出了一种实时滚动时域估计算法.首先,为了解决在卡尔曼滤波框架下系统约束不能显式求解的问题,设计了滚动时域估计滤波算法.该算法将飞行器姿态估计问题转化为优化问题,显式求解四元数归一化性质,缩小搜索空间的同时提高了搜索效率和精度.其次,滤波时域窗内应用高斯-牛顿迭代法求解最优状态估计值,满足了实时性要求.最后,在没有增加系统状态维数的情况下,在线求解了三轴磁强计校正参数,保证了磁强计量测值以矢量形式输入系统.仿真结果表明,由于合理地利用了历史信息,该方法精度较高,且对初始误差、系统误差均不敏感,具有一定鲁棒性.

航姿参考系统三轴磁强计校正的点积不变法

为改善航姿参考系统中三轴磁强计校正精度,提出了一种基于泊松模型以及矢量点积不变性的校正方法。该方法利用地磁场矢量与一辅助矢量的点积为常数,无需本地地磁场精确数据,能完全确定泊松模型中的12个补偿系数,并能同时实现三轴磁强计的坐标系对准。针对辅助矢量的不同选择对该方法校正结果的影响,在电子罗盘上进行了实验验证及讨论。实验结果表明,该方法可使电子罗盘航向误差均方值减小到0.1°。

三轴磁强计姿态确定

卫星的发展趋向于微小型化 ,研究小型化、廉价和中等精度的自主导航系统是非常必要的。利用三轴磁强计量测的地磁场矢量在仪表坐标系中的分量 ,通过卡尔曼滤波器可以确定低轨道卫星的姿态。根据卫星姿态动力学模型和地磁场模型可推导卫星姿态确定滤波模型 ,进一步提出低轨道卫星姿态确定的滤波算法。仿真算例结果表明 ,三轴磁强计定姿方案可以满足中等姿态精度要求 ,在低轨道卫星自主导航中具有良好的应用前景。

基于椭球拟合的三轴磁强计两步校准法

在传统的基于椭球拟合校准法的基础上,提出了两步校准法。第一步引入中间变量,采用最小二乘法通过求解准线性方程来获得最优解,完成对总磁场和零位偏差的校准。第二步通过求解非线性方程组,完成灵敏度误差和三轴不正交性误差的校准。数值模拟和实际校准实验均表明,该方法能有效校准三轴磁强计由于制造工艺带来的误差,且引入中间变量可以有效避免计算误差的积累,从而有效降低总磁场的校准误差。

卫星姿态确定与三轴磁强计校正

讨论了三轴磁强计观测存在系统误差情况下的地磁姿态确定问题并提出几个可行算法。首先,通过将三轴磁强计系统误差参数扩展到四元数和陀螺常漂组成的原状态量中,提出一个姿态确定扩维UKF滤波器,接着利用姿态确定与参数辨识双重滤波器思想提出2个与姿态信息有关/无关的姿态确定双重UKF滤波器。最后,利用计算机仿真分析了扩维状态系统的可观性并检验了新滤波器的有效性与可行性。

三轴磁强计转向差的自适应校正

三轴磁通门磁强计被广泛地应用于地磁和空间磁场的研究。利用三轴磁强计的输出向量来估计被测磁场的模量，会有转向差存在。转向差是由磁强计三个磁轴的非正交性、各通道定标比例系数的不一致性以及各通道的零点偏置引起的。要精确计算被测磁场的模，校正转向差，就必须估计出磁强计的上述参数。本文提出的校正方法对磁强计的参数进行估计，不需造价昂贵的专用设备。仿真试验及实测数据证明这些方法是行之有效的。

三轴磁强计轨道确定

未来卫星的发展趋向于微小型化 ,采用小型化、廉价和中等精度的自主导航系统是非常必要的。利用三轴磁强计量测得地磁场矢量在仪表坐标系中的分量 ,并通过卡尔曼滤波器来确定卫星的轨道参数。仿真算例结果表明 ,三轴磁强计定轨方案具有一定的精度 ,能满足卫星定轨精度的要求。

基于椭球假设的三轴磁强计标定算法改进

首先对三轴磁力计误差机理进行分析,说明同一地点测量的地磁场矢量符合椭球假设;然后指出传统椭球拟合算法受粗差点影响,拟合后的椭球参数向量误差较大;根据平差理论引入权矩阵对算法进行改进,改进后的算法可以有效剔除粗差点,提高椭球拟合参数向量和校正矩阵的精度;实验表明,采用改进算法标定后,最大最小绝对误差由原来的100nT下降到29nT,均方根误差由21nT下降到6nT;改进算法求出的校正矩阵可直接用于另一组数据点的误差补偿,并取得比传统算法更好的补偿效果。

基于三轴磁强计的姿态控制设计方法

为了降低自主导航的成本以顺应当前卫星向微小型化发展的趋势,对小型化、廉价和中等精度的自主导航系统进行了研究。提出了一种在含有测量噪声情况下的基于三轴磁强计的姿态控制方法,推导出含噪声的基于四元数的姿态动力学和运动学方程,并基于这些方程设计卫星姿态的控制方法。通过理论分析和仿真试验,证明了此方法的可行性。

基于球形反馈线圈的三轴磁通门磁强计

在高精度三轴磁通门磁强计的设计中,均匀的反馈磁场有助于提高仪器输出的温度稳定性和线性度,同时也可在一定程度上减小由于磁强计各个分量互扰产生的零点偏移。通过简单的物理模型计算,提出了球形反馈线圈的设计方案,并给出了ansys电磁场仿真结果及反馈线圈内部磁场均匀性测试实验结果。经过测试,在此基础上制作的实验样机的线性度达到0.0038%FS,灵敏度温度系数达到0.0000755%FS/℃,且噪声性能也达到9.0807pT/(Hz)～(1/2)。

三分量高温RF SQUID磁强计控制系统的设计与实现

首先介绍了三分量高温RF SQUID磁强计控制系统研制的必要性,然后提出全新的三分量高温RF SQUID磁强计控制系统设计方案,并且给出了实现中的关键电路和关键技术。该三分量高温RF SQUID磁强计控制系统的研制,为三分量高温RF SQUID磁强计在地球物理勘探上的推广应用奠定了坚实的基础。

三轴磁强计与MEMS陀螺的在轨实时标定方法

为了提高基于磁强计和微电子机械(MEMS)陀螺的微小卫星定姿系统的精度,提出在无姿态信息时仅依靠三轴磁强计以及MEMS陀螺的测量信息来实时标定磁强计以及MEMS陀螺的算法.该策略采用无迹卡尔曼滤波(UKF)算法,将磁强计的偏置、刻度因子与非正交误差矩阵以及MEMS陀螺漂移作为状态向量,通过建立基于三轴磁强计及其惯性坐标系磁场矢量的观测方程,以及相应的微分测量方程,实现三轴磁强计与MEMS陀螺的在轨标定.仿真结果表明:通过标定后,磁强计的三轴偏置估计误差均优于0.02mG,刻度因子与非正交误差矩阵的六要素估计误差均优于1×10-4,而MEMS陀螺三轴漂移估计误差分别为1.5°/h、0.45°/h和0.94°/h,从而验证了本策略的可行性.

三轴磁强计实时自校正算法

提出一种三轴磁强计的实时自校正算法.通过分析测量误差因素,建立了三轴磁强计输出的参数模型.在此基础上,根据定点地磁场矢量模不变原则建立校正相关参数的非线性状态空间模型,导出了基于扩展卡尔曼滤波器(Extended Kalman Filter,EKF)求解的校正参数估计算法,并相应给出了易于实现的U-D分解滤波形式.相比离线校正,新算法能够对校正参数进行实时估计,且更易于片上实现.通过数值仿真验证了算法推导的正确性.采用三轴磁强计RM3000进行实测校正试验,验证了算法的有效性,并将结果与离线的TWO-STEP算法进行了对比,得出了相应结论.

三轴磁强计测量误差修正方法

三轴磁强计测量误差修正对卫星姿态确定和控制具有重要意义。文章针对三轴磁强计测量误差的来源进行理论分析,引入磁场输入引起的常值漂移,建立了三轴磁强计测量误差修正模型,并基于该模型在磁环境模拟器中对Honeywell公司的三轴磁强计(HMR2300R)进行标定。实验结果表明改进模型可以将测量误差控制在50 nT以内,满足低成本敏感器在微小卫星姿态确定中的应用要求。

三轴磁强计对微弱磁信号的检测

三轴磁强计广泛地应用于磁信号的检测 ,但转向差的存在限制了对微弱磁信号的检测能力。在分析自适应权向量法原理的基础上 ,提出一种解决方案 ,显著的改善了自适应信号检测的信噪比 。

弹载三轴磁强计的椭球拟合补偿方法

对大型弹箭上安装的三轴磁强计进行标定时,针对操作不便、标定困难等问题,考虑了温度对磁强计的影响,从实际工程应用出发,提出了一种基于最小二乘法的多角度椭球拟合补偿方法。分析了磁强计的误差来源,通过实验探寻了温度对磁强计的影响规律,建立了包含温度影响因素的误差模型,采用最小二乘法的原理对磁强计的输出信号进行了椭球拟合补偿。最后通过标定实验证明了该方法的有效性。