摘要:作为无人机航向误差校正的重要方式,罗差修正法的应用至关重要。其不仅有助于罗差系数的合理计算,更对无人机外业精度把控具有重大影响。本文在阐述航向系统及罗差内涵的基础上,对罗差形成的原因进行分析,并指出无人机航向罗差修正法的具体应用。以期有利于罗差修正法应用水平的提升,进而实现无人机作业精度的有效控制。
关键词:无人机;航向测量;罗差修正;地磁
随着科学技术的不断发展,无人机的应用技术不断成熟。当前环境下,在无线电遥控设备和自备的程序控制装置的操纵下,无人机可以实现跟踪、定位、遥控、遥测和数字传输等功能的充分实现,其对于人们社会生产方式的转变和生活质量提升具有重大影响。然而受地磁作用的影响,无人机应用过程中极易产生罗差现象,对其外业应用的精度造成影响。新时期进行无人机罗差修正方法的研究已成为高效应用的基础,本文由此展开分析。
一、航向系统与罗差的基本内涵
航向系统与罗差是相互依存的一组工程概念,其具体包含以下方面的具体内涵。
1.航向系统
航向系统是以陀螺磁罗盘为基础发展起来方位控制系统。现代航向系统包含了磁传感器、模拟电路、A/D转换和单片机等内容。在应用过程中,若以地磁场H为基础,则磁传感器会对飞机纵轴、横轴和竖轴上的分量进行测量,并分别用Hx、Hy、Hz进行表示;然后在模拟电路和A/D转换的作用下,使得转换后的数据单元进入单片机;同时在飞机俯仰角θ、倾斜角γ、地磁场水平分量H0和磁倾角的控制下;人们即可通过公式的应用,实现航向ψ的有效计算[1](如图1)。
图1 数字式磁航向测量系统
2.罗差
飞机运行过程中,罗盘是其方位校正的重要仪器。在罗盘应用过程中,罗经线和磁经线是方位控制的两个重要因素;受地球磁场作用,飞机运行过程中,其罗经线和磁经线往往处于不重合状态,及即两者之间存在一定的角度差;此时人们将罗经线偏离磁经线的角度称为罗差。一般情况下,罗经线位于磁经线以东,则其角度偏差称为正罗差;反之则为负罗差。实践过程中,人们往往会在校罗盘时对其进行修正,在缩小两者偏差的基础上,实现飞行磁航向的有效修正。
二、无人机航向罗差产生的原因
作为地球固有的物理场,磁场在磁体的作用下,对人们的生活具有重大影响。譬如,在现代导航系统中,地磁导航正是利用“近地空间地磁稳定且有方向性”的原理进行导航和定位的[2]。并且,随着人们对地磁研究的深入,导航应用的过程也出现了多元化的发展特征。具体而言,当前的导航系统不仅有地磁定向导航,还有地磁参数递推滤波轨迹导航;另外,地磁匹配定位导航也是其常见的应用形式。无人机应用过程中,地磁定向导航是其主要的技术支撑。
当前环境下,人们对于地磁导航的研究尚不成熟,其容易导致航向测量中的误差产生,从而影响整体的车辆精度。社会实践中,地磁测量系统的偏差难以避免;一般而言,制造误差、安装误差、姿态信号误差和罗差是地磁航向测量系统中误差的四种基本形式。对于无人机而言,导磁材料是造成其罗差产生的重要原因,同时其误差的产生具有唯一性。具体而言,无人机上所搭载的部分材料具有一定的导磁效应,从而造成了无人机系统载体磁场的形成;而这种小型的载体磁场会对无人机磁传感器的信号收集形成干扰,使得其传感器位置地磁场的大小和方向发生改变,从而造成罗差现象的产生。
作为地磁导航误差形成的主要因素,罗差对于无人机外业应用的精度具有重大影响,因此,在其应用过程中,工程人员必须注重地磁测量误差的有效修正,同时科学的补偿因载体磁场干扰而形成的测量误差,进而在保证无人机航向罗差的有效修正的基础上,实现无人机外业应用精度的有效控制。
三、无人机航向的罗差修正方法应用
当前环境下,人们对于无人机航向的精度要求不断提升,这就要求其在创新地磁定向导航应用方式的基础上,实现罗差修正方法的高效应用。其具体应用过程如下:
1罗差修正原理
无人机应用过程中,其自身材料会对地磁场H造成一定的影响,并且材料的类型不同,其影响方式也会存在差异。一般情况下,硬磁材料和软磁材料是无人机铁磁材料的两种基本类型;前者属于永久磁场,并且会随着无人机的转动而产生变化,即其相对于无人机的纵轴、横轴和竖轴,其位置并未发生变化,仅为其对应数值添加了一个常数值。而软磁材料会对无人机的纵轴、横轴和竖轴产生一定影响,引起其磁场分量值Hx、Hy、Hz的变化。从而得到新的地磁场H1。实践过程中,磁场分量值增加的常量与软磁材料具有直接关系,其被人们统称为罗差系数。而一旦软磁材料确定,及罗差系数固定的状况下,人们即可将相关影响因素固化到航向系统的储存器中,进而实现航向罗差的有效修正。因此,对于无人机航向的罗差修正而言,罗差系数确定是其修正控制的核心所在[3]。
2.罗差系数确定
罗差系数与软磁材料的类型具有重大关系,软磁材料应用不同,其对无人机航向偏差的影响也就不同。实践过程中,要实现无人机航向罗差修正的科学合理,其在罗差系数确定过程中就应注重以下要素的考虑:
其一,罗差系数确定过程中,对当前航向ψ的计算至关重要;而一旦地磁场H确定,则整个计算过程对于无人机俯仰角θ和倾斜角γ的给定具有较大依赖,因此,在罗差系数确定及罗差修正过程中,工程人员要对无人机水平状态和非水平状态进行系统考虑,进而确保航向计算方程的相对独立。其二,与无人机倾斜状态相比,其水平状态的保持具有较大难度;因此在在俯仰角θ和倾斜角γ选值中,一旦俯仰角θ取0,且 倾斜角γ选接近飞机盘旋时的角度,其即可称为倾斜状态。其三,为确保罗差系数计算的准确性,工程人员应进行多组试验点的有效选取,并且,其应对选取数据的准确性进行有效验证。需要注意的是,为确保罗差修正的合理,后期计算过程中,其选取的试验点数据应与罗差系数求值给定数值具有差异性。
3.注重实验检测数据的正确性检验
在航向及罗差系数确定后,工程人员可以进行无人机航向的有效修正。需要注意的是,为确保修正结果的准确性,其应对实验检测的数据进行准确性检验。具体而言,在航向ψ确定后,都会存在一个新的航向ψa=ψ+180°与之对应。实践过程中,若无人机俯仰角θ和倾斜角γ不变,初始航向地磁场值H与对应航向地磁场值Ha之和为常量。基于此,人们可以写实现无人机航向罗差修正结果的有效把控。需要注意的是,罗差修正过程中,一旦采用两个航向差180°的试验点测得的数据列写进行第三个航向方程标述,则该方程下的航向与既定航向绝对误差较为迷糊,难以实现铁磁材料罗差系数的准确判断,由此其罗差修正的准确性也会受到影响。因此在具体的计算过程中,其不同状态下的试验点选择应至少保持在4个以上,进而确保罗差系数计算的准确,实现无人机航向罗差的有效修正。
结论
新经济形态下,无人机在社会生活中的应用不断深入,确保其航向罗差的有效控制对于其运行的精确度具有重大影响。实践过程中,电子工程人员只有在明确罗差系数产生原因的基础上,系统把控其修正原理,然后科学规范化的进行罗差系数确定,唯有如此,才能实现罗差修正法应用水平的提升,进而实现无人机作业精度的有效控制。
参考文献:
[1]吴一波,梁少军,申斌.一体化小型无人机航电系统设计与实现[J].湖北大学学报:自科版,2016,38(5):409-413.
[2]洪琪璐,张爱军,王昌明.一种数字磁罗盘全罗差自主优化补偿方法[J].传感技术学报,2017,30(9):1364-1368.
[3]徐东甫,白越,宫勋,等.多旋翼无人机在变控制量下的三轴磁罗盘校正[J].光学精密工程,2016,24(8):1940-1947.
论文作者:刘洋
论文发表刊物:《基层建设》2019年第3期
论文发表时间:2019/4/24
标签:无人机论文; 航向论文; 地磁论文; 过程中论文; 系数论文; 地磁场论文; 误差论文; 《基层建设》2019年第3期论文;