三轴磁强计测量误差修正方法

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1、第28卷第5期航天器环境T程20llfIi10JJSPA(、ECRAFTENVlRONMENTEN(jINEERING463三轴磁强计测量误差修正方法郝东，绳涛，陈小前(国防科学技术大学航天与材料工程学院，长沙410073)摘要：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50nT

2、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．关键词：三轴磁强计；修正模型；常值漂移；磁环境模拟器中图分类号：V412．4+2；TH762．3文献标识码：A文章编号：1673—1379(2011)05—0463—04DOI：i0．3969巧．issn．1673-1379．2011．05．0120引言三轴磁强计是航天器姿态确定与控制中最常用的低成本敏感剁¨】，满足一般微小卫星低精度姿态确定的要求，具有价格低廉、质量轻、体积小、采样电路简单等特点。在轨运行的很多卫星都采用三轴磁强计作为姿态敏感器件，体现出较好的应用效果[2,4

3、-5]。在使用三轴磁强计之前要先对其进行校正，目前主要有FLANN[6J和正交变换【7J两种方法。这两种方法在建模过程中都做了z轴重合假设和误差角度近似，引入了模型误差，降低了校正精度。本文对三轴磁强计的误差来源进行分析建模，提出三轴磁强计的常值漂移、三轴不正交及灵敏度不一致的误差修正方法，使校正之后的三轴磁强计性能更接近于理想二轴正交磁强计。同时，通过对实验数据的分析发现，外部磁场会引起三轴磁强计微小的附加常值漂移。本文利用VMS-12磁环境模拟器对HMR2300R三轴磁强计进行标定。1校正模型实际三轴磁强计测量误差主要是由于3

4、个坐标轴不正劐71且输出灵敏度不一致、器件电气性能不一致(常值漂移)引起的。而且，常值漂移和传感器内部本身剩磁【8】的影响等原因使得三轴磁强计的磁场测量值往往与实际值存在较大的偏差。下面对常值漂移、三轴不正交、三轴灵敏度不一致3个方面引起的误差进行建模分析和实验测量。1．1常值漂移实验测量由于磁强计加工工艺和测萤电路噪声的影响，三轴磁强计在没有磁场输入时的三轴输出并不为零。因此，零磁场条件下，磁强计输出模型为占=Bo+'，，(1)其中：玩为常值漂移；，，为观测噪声，通常认为是高斯白噪声，服从正态分布N(o，帮)。假设磁强计输出数据

5、为置，⋯，BⅣ，则有专善量=‰+专善巧。(2)由大数定律可知，当Ⅳ一00时，式(2)可化为So。⋯limIⅣ百'尹Bi，(3)即常值漂移的理论公式。为了验证磁强计常值漂移的物性参数特点，在磁环境模拟器中产生零磁场，采样频率10Hz，每次工作时间2min，工作前对三轴磁强计进行断电重启。实验数据求均值以去掉噪声影响，得常值漂移民。图l为x、Y、z3个方向常值漂移10次的实验结果。收稿日期：2011．02．24：修回日期：2011-04—13基金项目：国家自然科学基金(项目编号：50975280)；教育部新世纪优秀人才支持计划(项目编

6、号：NCET-08．0149)作者简介：郝东(1986一)，男，硕士研究生，主要从事微小卫星方面的研究工作。E-mail：haodongnudt@gmail．corn。陈小前(1975一)，男，教授，博士生导师，主要从事研究领域为飞行器总体设计，多学科优化设计、微小卫星。464航天器环境工程第28卷捌-一550广——-T———’_———卜——-!———●—_—r——1———r—-·1薏菱篙甾聿：#㈡j剿貅#砸了考勃面习繁聪1250卜—_卜—弓——{——}——}——卜—1·—弓?。—J0差器：筝i墨考鲁霸喀聪一500卜_■广弓—{—

7、寺—}—卜1-号^图1常值漂移实验结果Fig．1Experimentalresultsforconstantshift从图l中可以看出，每次实验的常值漂移基本稳定，可认为常值漂移是固定不变的。将10次实验得到的常值漂移进行数值平均，得到实验标定结『-。622．69]果：凰=l1320．20l(nT)。【-州．48j1．2三轴不正交及灵敏度校正建模由于加工工艺的限制，理想三轴磁强计的3个坐标轴与实际坐标轴并不重合；并且，三轴磁强计的3个坐标轴通常很难完全正交。理想三轴磁强计的3个磁敏感元件分别安装在Ox、Oy、Oz轴上，磁分量为‰=

8、IBB芝

9、l，实际3个坐标轴为ml、@l、Dzl，实际输出3个磁分量为Bi=[氏B，。芝。]1。理想坐标系与实际坐标系的三轴关系如图2所示。将理想坐标系三轴分量转换到实际坐标系三蜀=4，[言]+4，[昙]+4：[量]=4最矧，c4，其中，4，、4，