● 摘要
地磁导航具有无源定位、全天时全天候全球导航、误差不随时间累积、传感器体积小、能耗低的优点，是近几年来国内外军事导航领域的研究热点之一。地磁信息实时准确获取是实现高精度地磁导航的必要条件，而飞行器中铁磁材料和载流导线等磁场干扰源和磁传感器误差等因素极大影响了地磁测量精度，成为制约地磁导航实用化的关键问题之一。本文以提高航空飞行器地磁测量精度为目标，对地磁导航中的地磁场特性分析、载体磁场标定和补偿、磁传感器的标定和补偿等关键问题进行了研究，并搭建了地磁导航系统综合仿真平台，为研究、验证和评估磁测误差的补偿、地磁导航算法提供了必要的试验环境。论文的创新成果如下：1、针对于高分辨率局部地磁图构建周期长、成本大的问题，提出了一种基于克里金空间插值理论的局部地磁图快速构建的方法。该方法根据空间统计学理论，通过趋势项分离、半方差函数拟合等步骤进行高分辨率局部地磁图的快速准确构建。交叉验证结果表明，该方法与其他空间差值方法相比，可以较为准确地表现局部地磁场中的正常场、异常场及扰动磁场的空间分布特征。采用该方法进行局部地磁图的构建可以减小野外测试工作量，缩短地磁图构建周期。2、针对三轴磁传感器的制造误差影响地磁测量精度的问题，提出了一种基于椭球拟合的快速校准方法。该方法首先将地磁矢量测量数据进行椭球拟合，根据拟合椭球参数估计传感器零偏、灵敏度及各轴不正交等制造误差的各个参数，实现制造误差参数的标定，然后根据制造误差标定参数对地磁矢量测量数据进行补偿，减小制造误差对地磁测量精度的影响。试验结果表明，该方法具有校准精度高、速度快、操作简便的特点，可以将磁场测量精度达到单轴磁传感器测量噪声精度水平。3、针对飞行器水平面内飞行时载体磁场严重干扰地磁场二维水平矢量测量的问题，提出了一种基于椭圆拟合的二维载体磁场快速标定和补偿方法。该方法基于标定点地磁场水平强度不变的思想，将二维载体磁场的标定问题转化为由二维磁场测量数据拟合椭圆和由椭圆参数标定二维载体磁场两步。标定过程中采用椭圆约束的最小二乘法既保证了拟合二次曲线为椭圆，又避免了迭代运算和非线性求解。试验结果表明，该方法操作简便，对标定场地要求低，标定和补偿速度快、精度高，可以将地磁水平矢量测量精度提高到磁传感器精度水平。4、针对飞行器姿态机动中载体磁场干扰地磁场矢量测量的问题，提出了一种基于椭球拟合的载体磁场的快速标定和补偿方法。该方法是二维载体磁场快速标定和补偿方法在三维地磁矢量测量中的推广。当飞行器在空间作航向、俯仰及横滚机动时，对捷联式三轴磁传感器的测量数据进行三维椭球曲面拟合，进一步标定三维载体磁场系数。试验结果表明，采用该方法对载体磁场的标定和补偿具有便捷、快速、准确的优点，可使地磁场矢量的测量精度达到传感器精度水平，大大减小了载体磁场对地磁场测量的干扰。