HMR3300在慣性/地磁組合導航系統(tǒng)中的應用

海軍裝備部 李 赟

引言：地磁導航具有無源、無輻射、全天候、全地域、能耗低的優(yōu)良特征，其原理是通過地磁傳感器測得的實時地磁數(shù)據(jù)與存儲在計算機中的地磁基準圖進行匹配來定位。與其它有源制導和導航方式相比，地磁制導與導航在軍事領(lǐng)域有著無可比擬的優(yōu)勢。如果把慣導與地磁匹配技術(shù)組合使用,利用慣導系統(tǒng)的短期高精度彌補地磁匹配系統(tǒng)易受干擾等不足，利用地磁匹配技術(shù)的長期穩(wěn)定性，則可實現(xiàn)慣性/地磁組合導航。

1 慣性/地磁組合導航系統(tǒng)方案

1.1 慣性/地磁組合導航原理

根據(jù)地球上每一點的經(jīng)緯度和離地心的高度都可以確定該點磁場矢量，只要能夠測定載體所在位置的地磁場特征信息，就可估計出其所在位置。慣性/地磁組合導航就是利用地球固有的物理場（地磁場）與慣導系統(tǒng)組合，實現(xiàn)導航定位的一種無源導航方法。其本質(zhì)是在載體運行過程中，通過磁傳感器獲得航跡上的地磁數(shù)據(jù)，與基準地磁數(shù)據(jù)庫進行對比，以此確定載體的估計位置，并通過與慣性導航設備構(gòu)成的組合導航濾波器估計慣性參數(shù)誤差，并以此進行修正，實現(xiàn)長航時、高精度自主導航定位。

1.2 慣性/地磁組合導航系統(tǒng)

慣性/地磁組合導航系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 慣性/地磁組合導航系統(tǒng)框圖

慣性/地磁組合導航系統(tǒng)主要包含地磁信息采集部分（MR3300數(shù)字羅盤及接口電路）、里程計采集電路、慣導系統(tǒng)以及信息處理計算機四部分。HMR3300數(shù)字羅盤測量所在位置的磁場強度，利用地球物理信息，在合適的區(qū)域引入地磁匹配信息進行位置誤差修正；采用里程計獲取載體路程變化，與慣導系統(tǒng)組成的航位推算系統(tǒng)，通過里程計的輸出和慣導提供的姿態(tài)信息進行位置解算，實現(xiàn)導航定位；慣導輸出載體姿態(tài)信息，與數(shù)字羅盤、里程計構(gòu)成組合導航系統(tǒng)，利用組合導航算法實現(xiàn)長航程、高精度導航定位；信息處理計算機實現(xiàn)輸入融合與導航算法的實現(xiàn)，同時輸出導航信息。

2 HMR3300硬件設計

2.1 HMR3300型數(shù)字羅盤介紹

霍尼韋爾HMR3300型數(shù)字羅盤功能如下：

1）以霍尼韋爾HMC1021/HMC1022型單軸或雙軸式磁場傳感器為基礎，提供相對于甲板水平位置的傾斜傳感功能（縱傾與側(cè)傾）；

2）配有三軸磁場傳感器和雙軸式加速度計，提供對地磁場的X、Y、Z三軸磁場傳感功能。

3）提供外部串行數(shù)字接口和其他管理功能；

4）采用了集成電路的EEPROM模塊，來保證達到最佳性能所必須的數(shù)字變量。

霍尼韋爾HMR3300型數(shù)字羅盤需要配備專門的開發(fā)套件來使用，為靈活使用該傳感器，本文采用RS422串行通信接口來實現(xiàn)數(shù)字羅盤的輸出，這樣數(shù)字羅盤可以直接將輸出信息發(fā)送到信息處理計算機中，便于信息采集和信息處理。

2.2 電路設計

HMR3300型數(shù)字羅盤VCC電壓為+5V供電，具有2個機械定位引腳和8個電氣連接引腳，數(shù)字羅盤輸出接口采用RS-422接口，通過數(shù)字羅盤內(nèi)部的UART模塊實現(xiàn)，數(shù)據(jù)以400Hz為輸出頻率，每次輸出1組磁場強度信息，發(fā)送給信息處理計算機。串口輸出波特率可調(diào)，默認為19200bps，一位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無校驗位。

3 軟件接口及實驗

3.1 軟件設計

使用串口通信電纜將HMR3300接口電路與信息處理計算機連接，編寫程序使用計算機串口控件可以很方便的實現(xiàn)HMR3300數(shù)字羅盤信息的采集以及控制命令的發(fā)送。軟件處理流程如圖2所示。

3.2 實驗及結(jié)果

使用接口電路測試電子羅盤，其輸出結(jié)果如圖3所示，磁強度分辨率是0.1毫高斯。

圖2 HMR3300型數(shù)字羅盤工作流程圖

圖3 HMR3300磁強度采集結(jié)果

4 結(jié)束語

地磁導航技術(shù)的發(fā)展有以下幾方面的趨勢：(1)地磁導航自身具有的自主性強,隱蔽性好，效費比高，應用范圍廣等優(yōu)良特征將在地磁導航技術(shù)的發(fā)展中進一步得到體現(xiàn)；(2)導航系統(tǒng)將朝著組合式方向發(fā)展。慣導+地磁導航等組合導航方案更具有應用背景；(3)新技術(shù)、新方法(如新型傳感器、信息融合新方法等)將促進地磁導航技術(shù)時在軍用民用領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

本文介紹的地磁/慣性組合導航系統(tǒng)可以達到長航時、高精度的導航定位要求；介紹的HMR3300型數(shù)字羅盤在該系統(tǒng)中的應用、硬件接口和軟件接口可以為數(shù)字羅盤的工程應用提供借鑒；通過試驗及測試證明該方案工作可靠，滿足系統(tǒng)使用要求。