CN110702102B - 一种用于通航飞机的磁导航系统及其导航方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于通航飞机的磁导航系统，包括磁力传感器模块、数据处理单元、磁力计CPU、陀螺仪模块、加热模块和电源模块，通过磁力计CPU计算的磁力线差值对传感器获得的数据进行补偿，以获取最接近真实磁航向的磁力线，本发明还公开了相应的磁导航方法，通过对磁力传感器的数据进行校准，以完善对传感器的数据补偿，采用本技术方案，排除飞行系统可能存在的多种误差，以计算出最接近真实磁力线的航线，得到的指示航向的磁罗盘定向更加精准，使飞机行驶更加安全可靠。

Description

一种用于通航飞机的磁导航系统及其导航方法

技术领域

本发明属于航空飞行领域，更具体地说，本发明涉及一种用于通航飞机的磁导航系统及其导航方法。

背景技术

现有技术的飞机导航根据所取基准线的不同，有两种航向：以地球子午线(即经线)为基准，从经线北端沿顺时针方向至飞机纵轴在水平面上的投影间的夹角，称为真航向；以地球磁子午线(即磁经线)为基准，从磁经线北端沿顺时针方向至飞机纵轴在水平面上投影间的夹角，称为磁航向；地球子午线与磁子午线的夹角就是磁差。

在磁航向的计算过程中，需要精确的机体三轴磁场数据及陀螺仪测出的橫滚角与俯仰角；在磁力计测量机体三轴磁场数据时存在以下干扰源：磁场传感器本身的误差；环境温度产生的误差；不同飞机机体的软铁、硬铁的影响；安装误差等；因此使用磁航向需要修正各干扰源带来的误差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高精度的用于通航飞机的磁导航系统及其导航方法。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种用于通航飞机的磁导航系统，包括磁力传感器模块、磁力计CPU、数据处理单元、陀螺仪模块、加热模块和电源模块，其中，磁力计由磁力传感器、电源模块、温度传感器、磁力计CPU和加热电路等模块组成以采集周围环境的原始磁场数据，温度传感器集成于磁力计CPU中用于检测CPU周围环境温度，通过该温度传感器触发加热模块维持磁力计CPU在低温状态下工作，磁力计CPU与数据处理单元的信号输入端相连，以传输经过校准后的磁场数据给数据处理单元，陀螺仪模块与数据处理单元的信号输入端相连，以提供用于计算磁航向角的横滚率、俯仰率。

本发明公开的一种用于通航飞机的磁导航系统，所述电源模块提供四个电压输出端，并分别给温度传感器模块、磁力传感器模块、磁力计CPU模块供电及提供参考电压。

本发明公开的一种用于通航飞机的磁导航系统，所述磁力传感器的信号输入端连接于磁力计CPU的其中一个输出引脚，磁力计CPU在接收数据之前会发送一个重置信号给磁传感器以减小磁传感器测量误差。

本发明公开的一种用于通航飞机的磁导航方法，通过所述磁力传感器多次获取原始的磁场数据，再通过标准仪器测出的标准线性数据进行对比，将差值作为磁场补偿数据，以改良原始数据的线性度使其更接近真实数据，且将该数据保存于所述数据处理器。

本发明公开的一种用于通航飞机的磁导航方法，所述磁力计CPU的计算方法包括：

设定飞机的航道为正交三轴空间坐标系，X轴与Y轴为水平面上且相互垂直的两轴，Z轴是重力方向，地磁场方向为E,其在水平面的分量就是磁北的方向，测量的航向角就是磁北与X轴的夹角θ,Bx、By分别为测量的地球磁场强度在X、Y轴上的分量。由于地轴和磁轴存在一定的夹角ρ,所以在测量值上面加上这个角度就是正确的地理北方向，偏转角度因地理纬度的不同而有所差异,可通过手册确定；当仪器设备发生倾斜时，方位值的准确性将要受到很大的影响,航向角误差的大小取决于仪器所处的位置和倾斜角的大小，为减少倾斜角对航向角的影响，在罗盘系统中采用两轴线性倾角传感器来测量俯仰角α和横滚角β，此时水平分量Bx与By为：

Bx＝bxcosα+bysinαsinβ-bzsinαcosβ；

By＝bycosβ+bzsinβ；

θ＝arctan(By/Bx)；

bx/by/bz为机体周围三轴磁场数据，θ为磁航向角。

本发明公开的一种用于通航飞机的磁导航方法，包括以下步骤：

S1、将待测磁力计固定在已验证过的常平架转台的转盘上；

S2、将标准仪器的感应探针同样固定在常平架转台的转盘上且探针与待测磁力计感应轴平行；

S3、转动常平架转台至固定角度，读取FVM400显示的三轴磁强数据并填入磁力计校准程序中；

S4、重复步骤3测量不同角度下的磁强数据；

S5、数据记录完成后，磁力计校准程序会按照采集的数据生成一个补偿文件；

S6、将补偿文件加载至磁力计对磁力计测量值进行补偿，确认磁力计测量值与标准仪器测量值是否相同，若一致则校准完成。

本发明公开的一种用于通航飞机的磁导航方法，所述标准仪器采用的型号为FVM400。

由于飞机存在铁磁物质，会被地磁磁化，从而影响飞机磁罗盘的指示，飞机在不同地理位置，在不同方向上，还存在一个实际的磁经线，称为罗经线。以罗经线北端沿顺时针方向至飞机纵轴在水平面上的投影间的夹角，称为罗航向。地球磁经线与罗经线的夹角就是罗差；在飞机上通过测量地球磁场而指示航向的磁罗盘，在修正了罗差后的数值就是磁航向，如果再修正了磁差就是真航向；采用本技术方案，通过磁力计CPU计算出的磁力线配合标准磁力线进行差值补偿，以排除磁场传感器本身的误差、环境温度产生的误差，飞机材质产生的误差，以计算出最接近真实磁力线的航线，得到的指示航向的磁罗盘定向更加精准，使飞机行驶更加安全可靠。

以下将结合附图和实施例，对本发明进行较为详细的说明。

附图说明

下面对本说明书各幅附图所表达的内容及图中的标记作简要说明：

图1为本发明的数据处理框图；

图2为本发明的磁场原始数据处理框图；

图3为本发明的三种补偿具体内容框图；

图4为本发明的磁航向角的计算框图；

图5为本发明的硬件架构框图。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

图5为本发明的硬件架构框图，如图所示的一种用于通航飞机的磁导航系统，包括磁力传感器模块、数据处理单元、磁力计CPU、陀螺仪模块、加热模块和电源模块，其中，外接的磁力传感器通过磁力传感器模块磁力计CPU相连，以接收磁力传感器输入的原始磁场数据，磁力计CPU中设有用于检测其本身温度的温度传感器，通过该温度传感器触发加热模块维持磁力计CPU在低温状态下工作，磁力计CPU与数据处理单元的信号输入端相连，以输入计算后得出的磁场补偿数据于数据处理单元，陀螺仪模块与数据处理单元的信号输入端电性相连，以通过接收陀螺仪输入的飞行横滚率、俯仰率计算磁航向角；在磁航向的计算过程中，我们需要精确的机体三轴磁场数据及陀螺仪测出的橫滚角与俯仰角；在磁力计测量机体三轴磁场数据时存在以下干扰源：磁场传感器本身的误差；环境温度产生的误差；不同飞机机体的软铁、硬铁的影响；安装误差等。

上述中的电源模块的输入端与电源电性连接且设置有四个电压输出端，并分别电性连接于温度传感器模块、磁力传感器模块、磁力计CPU模块，以分别输出相应的电源电压并提供需要的参考电压。

图1为本发明的数据处理框图，通过所述磁力传感器获取原始的磁场数据且多次测量得出相应的线性数据，再通过标准仪器测出的标准线性数据进行对比，将差值作为磁场补偿数据，以改良原始数据的线性度使其更接近真实磁力线，且将该数据保存于所述数据处理器，由于标准仪器与传感器同样情况下测出磁场数据生成相应的曲线(标准仪器测出数据生成标准曲线，传感器测出数据生成原始曲线，原始曲线存在误差)由于传感器具有良好的线性度，故原始曲线的误差也有良好的线性度，从而保证了数据的可靠性；所以在后续的校准补偿中可以利用传感器线性度良好这一特性，对特殊点进行采样校准从而生成补偿曲线。

图2为本发明的磁场原始数据处理框图，如图所示的CPU控制置位复位对磁力传感器进行两次测量以提高信号精度，此设置/重置操作包括将将流经传感器的电流从一个方向切换到另一个方向，并在两次设置(设置/重置)后测量磁场。设定读数为正，重置读数为负。两个值的大小取平均值以获得传感器原始数据。原始数据通过传感器补偿、类型补偿和尾部补偿得出准确的三轴磁场数据。

图3为本发明的三种补偿具体内容框图，如图所示的传感器补偿包括传感器偏差补偿(针对传感器个体进行补偿)、传感器比例补偿(传感器整体的偏差补偿)、温度偏差补偿(消除温度对传感器的影响)和环境温度偏置补偿(补偿因温度产生的偏差)，该系列补偿时对单个磁力计的偏差进行补偿校准；类型补偿包括对准补偿，该补偿是对某一类型通航飞机安装位置的校准补偿从而消除飞机机体的硬铁和软铁因素对磁力计测量的影响；尾部补偿包括倾斜补偿(消除具体飞机安装时的倾斜等误差)和偶极补偿(消除具体飞机安装时的硬铁和软铁影响)。

图4为本发明的磁航向角的计算框图，如图所示的磁力计CPU的计算方法包括：

设定飞机的航道为三轴空间坐标系，X轴与Y轴均在水平面上且相互垂直，Z轴是重力方向，地磁场方向为E,其在水平面的分量就是磁北的方向，测量的航向角就是磁北与X轴的夹角θ,Bx、By分别为测量的两个方向的地球水平磁场强度。由于地轴和磁轴存在一定的夹角ρ,所以在测量值上面加上这个偏转角度就是正确的地理方向，偏转角度因地理纬度的不同而有所差异,可通过手册确定；当仪器设备发生倾斜时，方位值的准确性将要受到很大的影响,航向角误差的大小取决于仪器所处的位置和倾斜角的大小，为减少倾斜角对航向角的影响，在罗盘系统中采用两轴线性倾角传感器来测量俯仰角α和横滚角β，此时水平分量Bx与By为：

Bx＝bxcosα+bysinαsinβ-bzsinαcosβ；

By＝bycosβ+bzsinβ；

θ＝arctan(By/Bx)；

bx/by/bz为机体周围三轴磁场数据，θ为磁航向角。

飞机导航系统按照工作原理的不同可分为多种：

仪表导航系统：利用飞机上简单仪表所提供的数据通过人工计算得出各种导航参数；这些仪表是空速表、磁罗盘、航向陀螺仪和高度表等。后来由人工计算发展为自动计算而有了自动领航仪。各种简单仪表也逐渐发展成为航向姿态系统和大气数据计算机等。

还有比如无线电导航系统、惯性导航系统、天文导航系统，以及组合导航系统(由以上几种导航系统组合起来所构成的性能更为完善的导航系统)。

根据上述可知，飞机的导航系统是结合多种方式并存的，本文的磁导航是属于仪表导航的一个分支，但是对于复杂多变的外部环境而言，磁导航确是必不可少的重要工具，因此对于磁航向的精准度要求相对比较高，以应对复杂多变的外部环境。

为了保证飞机的载体安全，飞机导航的精度和实用性体现地更加明显，因此本文所采用的磁导航方法属于仪表的一个分支，仪表的数值具有极高的参考性，因此是飞行的重要环节。

本发明的具体实施方法按照校准类型分为三大类：

1、传感器校准实施方法；

2、类型校准实施方法；

3、尾部校准实施方法。

实施例一

传感器校准实施方法：

传感器校准包含传感器偏差补偿(针对传感器个体进行补偿)、传感器比例补偿(传感器整体的偏差补偿)、温度偏差补偿(消除温度对传感器的影响)和环境温度偏置补偿(补偿因温度产生的偏差)该系列补偿时对单个磁力计的偏差进行补偿校准。实施方法如下：

实验条件：静态(非变化)磁清洁的环境，常平架转台，标准测量设备(FVM400)，电脑(含磁力计校准程序：收集数据生成校准文件)电源

试验原理：在开始校准活动之前，使用校准的磁通门磁强计对设备进行验证。磁强计总成安装在夹具上，并安装在磁清洁环境中的水平转盘上。在测试的第一阶段，在收集数据的同时，该单元在水平和垂直方向上旋转一系列已知的角度。在第一阶段结束时，收集的数据用于生成校准文件，并上传到磁强计中。最后，使用校准文件，将磁强计旋转已知角度并与实际轴承进行比较的情况下，执行验证阶段。

试验概述：

1、将待测磁力计固定在已验证过的常平架转台的转盘上

2、将标准仪器(FVM400)的感应探针同样固定在常平架转台的转盘上且探针与待测磁力计感应轴平行。

3、转动常平架转台至固定角度，读取FVM400显示的三轴磁强数据并填入磁力计校准程序中。

4、重复步骤3测量不同角度下的磁强数据

5、数据记录完成后，磁力计校准程序会按照采集的数据生成一个补偿文件

6、将补偿文件加载至磁力计重复测量固定角度的磁强情况，确认磁力计测量值与标准仪器(FVM400)测量值是否相同，若一致则校准完成。

实施例二

类型校准实施方法：

试验简介：在磁力计安装过程中，由于飞机自身具有产生磁场的部件(硬铁)和导磁的部件(软铁)，它们二者都会改变地球磁场。且不同型号飞机安装磁力计的平台也非固定且倾斜角度亦不相同。但是同一型号的飞机的硬铁、软铁及安装平台的倾斜角度等要素大致相同。故在实施安装前且已知将要安装的机型后，先对磁力计进行飞机类型校准。该校准的目的就是大致消除安装飞机的软铁、硬铁的影响和安装平台倾斜的影响。

实施例三

尾部校准实施方法：

试验概述：尾部校准指的是磁力计在安装至具体飞机时，对该飞机的软铁、硬铁及平台倾斜角度进行补偿。在安装完成后，将飞机移至水平转台上由于飞机处于水平平台上故橫滚角与俯仰角应该全为零，所以将水平平台上的橫滚角与俯仰角的数据生成倾斜补偿文件。转动平台(平台位置的磁场数据为已知)记录不同角度的磁场数据，生成补偿数据消除飞机的软铁和硬铁影响。

由于飞机存在铁磁物质，会被地磁磁化，从而影响飞机磁罗盘的指示，飞机在不同地理位置，在不同方向上，还存在一个实际的磁经线，称为罗经线。以罗经线北端沿顺时针方向至飞机纵轴在水平面上的投影间的夹角，称为罗航向。地球磁经线与罗经线的夹角就是罗差；在飞机上通过测量地球磁场而指示航向的磁罗盘，在修正了罗差后的数值就是磁航向，如果再修正了磁差就是真航向；采用本技术方案，通过磁力计CPU计算出的磁力线配合标准磁力线进行差值补偿，以排除磁场传感器本身的误差、环境温度产生的误差，飞机材质产生的误差，以计算出最接近真实磁力线的航线，得到的指示航向的磁罗盘定向更加精准，使飞机行驶更加安全可靠。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种用于通航飞机的磁导航方法，包括磁导航系统，该系统设有磁力传感器模块、磁力计CPU、数据处理单元、陀螺仪模块、加热模块、电源模块和CPU温度传感器，其中，磁力传感器模块由磁力传感器组成以采集周围环境的原始磁场数据，CPU温度传感器集成于磁力计CPU中用于检测CPU周围环境温度，通过该CPU温度传感器触发加热模块维持磁力计CPU在低温状态下工作，磁力计CPU与数据处理单元的信号输入端相连，以传输经过校准后的磁场数据给数据处理单元，陀螺仪模块与数据处理单元的信号输入端相连，以提供用于计算磁航向角的横滚率、俯仰率；其中，所述电源模块提供四个电压输出端，并分别给检测磁导航系统温度的温度传感器模块、磁力传感器模块、磁力计CPU模块供电及提供参考电压；所述磁力传感器的信号输入端连接于磁力计CPU的其中一个输出引脚，磁力计CPU在接收数据之前会发送一个重置信号给磁力传感器以减小磁力传感器测量误差；其特征在于，通过所述磁力传感器多次获取原始的磁场数据，再通过标准仪器测出的标准线性数据进行对比，将差值作为磁场补偿数据，以改良原始数据的线性度使其更接近真实数据，且将该补偿数据保存于所述数据处理单元；

磁导航方法步骤如下：S1、将待测磁力计CPU固定在已验证过的常平架转台的转盘上；

S2、将标准仪器的感应探针同样固定在常平架转台的转盘上且探针与待测磁力计CPU感应轴平行；

S3、转动常平架转台至固定角度，读取标准仪器显示的三轴磁强数据并填入磁力计CPU校准程序中；

S4、重复S3测量不同角度下的磁强数据；

S5、数据记录完成后，磁力计CPU校准程序会按照采集的数据生成一个补偿文件；

S6、将补偿文件加载至磁力计CPU对磁力计测量值进行补偿，确认磁力计CPU测量值与标准仪器测量值是否相同，若一致则校准完成。

2.按照权利要求1所述的一种用于通航飞机的磁导航方法，其特征在于，磁力计CPU计算磁强数据的方法包括：

设定飞机的航道为正交三轴空间坐标系，X轴与Y轴为水平面上且相互垂直的两轴，Z轴是重力方向，地磁场方向为E ,其在水平面的分量就是磁北的方向，测量的航向角就是磁北与X轴的夹角θ, Bx、By分别为测量的地球磁场强度在X、Y轴上的分量，由于地轴和磁轴存在一定的夹角ρ, 所以在测量值上面加上这个角度就是正确的地理北方向，偏转角度因地理纬度的不同而有所差异, 可通过手册确定；当仪器设备发生倾斜时，方位值的准确性将要受到很大的影响, 航向角误差的大小取决于仪器所处的位置和倾斜角的大小，为减少倾斜角对航向角的影响，在罗盘系统中采用两轴线性倾角传感器来测量俯仰角α和横滚角β，此时水平分量Bx与By为：

Bx=bxcosα+bysinαsinβ-bzsinαcosβ ；

By=bycosβ+bzsinβ；

θ=arctan(By/Bx)；

bx/by/bz为机体周围三轴磁场数据，θ为磁航向角。