第19卷 第3期1999年6月北京理工大学学报Journal of Beijing Institute of T echno logy V o l .19 N o.3Jun .1999
0王广龙
(北京理工大学机电工程系，北京 100081) 祖 静 张文栋 马铁华(华北工学院电子工程系，太原 030051)
摘 要 目的 研究飞行体姿态测量方法以及地磁场传感器的姿态测量原理，建立地磁
少林拳术秘诀
场传感器姿态测量数学模型，通过理论推导给出飞行体姿态的计算方法Ζ方法 根据法拉
第电磁感应定律，即线圈切割地磁场磁力线产生感应电动势的原理，设计一种基于地磁场
传感器的姿态测量系统Ζ结果 设计出一种飞行体姿态测量传感器及其测量系统，并进行
了实验数据分析和处理，其中飞行体转速测量误差为0105r s Ζ结论 该地磁场传感器可
应用于高过载旋转飞行体的姿态测量Ζ
关键词 地磁；磁场传感器；姿态测量
分类号 T P 212;P 31812
收稿日期:19980617
0国家杰出青年基金资助项目(59725512)
1 飞行体姿态测量方法
国外用于飞行体姿态的测量主要采用陀螺仪和遥测Ζ陀螺仪是一种用来实现飞行体运动姿态和轨迹控制及其测量的核心部件，它广泛地用于航空、航天以及军事领域Ζ由于传统的陀螺仪有转动部件，其完全的自主性和准备时间过长，因此存在许多不足，如寿命短、尺寸大、价格昂贵等[1,2]Ζ
飞行体姿态遥测主要有太阳方位角传感器遥测、全球定位系统(GPS )遥测、可编程序脉冲调制(PC M )遥测、可编程多芯片模块(M C M )遥测、数字存储遥测(DM T S )和激光自动遥测等Ζ其中采用太阳方位角传感器测量姿态的研究较多，技术也比较成熟ΖGPS 遥测是90年代初发展起来的，目前能够实现姿态测量的GPS 设备有两种方案，即转发器和接收机Ζ飞行体姿态测量采用转发器方案为好，因转发
器设备简单、体积小、重量轻、功耗小、成本低，又具有快速捕获和高动态跟踪能力[3～5]Ζ但最大的缺点是需要外测，即除了飞行体上需要安装测量电路、遥控发射和接收装置外，地面上还需要一套测量设备Ζ因此该方法的发展和应用受到了一定制约Ζ
飞行体姿态测量特别是高过载下姿态测量在国内仍是一大技术难题，很多方法尚处于探索中Ζ本文提出一种新的姿态测量方法，即利用大地磁场特性，采用地磁场传感器测量飞行体的姿态Ζ该地磁场传感器的三轴固联于飞行体上的线圈，测量飞行体坐标系相对地磁场的分量，另外通过辅助方法，确定俯仰、偏航或滚转中的任一量，确定飞行体坐标系在大地坐标系中的姿态角Ζ该地磁场传感器结构简单、尺寸小，能抗高过载和冲击，信号检测电路灵敏度高，工
作稳定、可靠，性能价格比高，且不需要外测，是一种有研究价值和应用前景的姿态测量器件Ζ2 姿态测量原理
地磁场传感器测量姿态的原理是通过安装两个平面夹角为Η的线圈(线圈平面沿飞行体图1 地磁场传感器安装示意图纵轴)随飞行体旋转时，线圈切割地磁场磁力线，磁通
量发生变化而产生感应电动势Ζ根据线圈初始相位,
当飞行体偏离基准线时，感应电动势的大小和方向发
生周期性变化，测量电路记录下每一瞬时的感应电动
势值，通过解算得到飞行体的空间姿态角Ζ
如图1所示，线圈1和线圈2所在平面平行于弹
轴且成Η角安装，当线圈随着飞行体自旋而旋转时，线
圈中产生感应电动势Ζ根据法拉第电磁感应定律，线
圈中产生的感应电动势
Ε=-N d 5d t =-N d d t [B ・S ]=-N d d t [B sin ΧS co s
(Ξt -Υ)],(1)
式中 Ε为线圈中产生的感应电动势;N 为线圈的匝数;S 为线圈的面积;S 为面积矢量;B 为当地地磁场的磁感应强度;B 为磁感应强度矢量;Χ为飞行体纵轴与地磁场矢量的夹角;t 为时间坐标;Ξ为飞行体旋转角速度;
腐蚀与防护
5为线圈磁通量(单匝);Υ为线圈随飞行旋转时的相位角，即飞行体纵轴和线圈决定的平面与当地地磁力线所在平面的夹角Ζ
式(1)中,Χ,Ξ,Υ是随时间变化的量，分别对它们求导
Ε
=-N B S co s Χd Χd t co s (Ξt -Υ)-Ξ-d Υd t sin Χsin (Ξt -Υ)=N B S Ξ-d Υd t sin Χsin (Ξt -Υ)-d Χd t
co s Χco s (Ξt -Υ)Ζ(2)由此，可得出线圈1产生的感应电动势
Ε1=N 1B S 1Ξ-d Υd t sin Χsin (Ξt -Υ)-d Χd t co s Χco s (Ξt -Υ)Ζ(3)
同理，可推出线圈2产生的感应电动势
骈体文钞Ε2=N 2B S 2Ξ-d Υd t sin Χsin (Ξt -Υ-Η)-d Χd t co s Χco s (Ξt -Υ-Η)Ζ(4)根据测量得到的Ε1和Ε2值可出两相邻最大值或相邻零点之间的时间间隔∃t ，则
Ξ=Η ∃t Ζ
(5)解式(3)(4)(5)组成的联立方程组，可求得Χ,Υ,Ξ，则飞行体每一瞬时的运动姿态就由这3个参数唯一确定[6]Ζ
3 应用系统研究
该地磁场传感器及其测量系统已成功地应用于某型导弹的姿态测量中Ζ为了使其能适应导弹系统的装配、发射、飞行及回收等各个环节的要求，可靠地完成导弹系统工作过程的动态
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参数记录，要求地磁场传感器及其电路能够准确完成对全弹道运动参数的记录Ζ启动、断电数图2地磁场传感器姿态测量系统工作原理框图时钟电路地址发生器触发信号触发控制器逻辑控制器RAM A D 转换器放大器地磁场传感器据保存、抗冲击、可重复使用以及不干扰导弹系统的正常工作等Ζ因此，地磁场传感器及其电路
设计的关键是工作可靠、体积小、电路灵敏度高、能抗高过载Ζ实验证明，它比光电敏感器件具有
更高的抗过载能力Ζ系统工作原理框图如图2所示Ζ图中放大器是由3级高稳定超低漂移放大
器组成的弱信号放大电路，用于将地磁场传感器产生的感应电动势放大ΖA D 转换器用于将放大后的
信号转换成数字量，并按编码要求存储在存储器中供后续数据处理Ζ触发方式可以是内触发也可以是外触发，外触发信号由导弹仪器舱提供Ζ逻辑控制器协调系统的工作时序Ζ时钟电路是一个可编程时钟发生器，可由硬件或软件改变时钟频率Ζ地址发生器产生RAM 推进地址Ζ
在一次完整的测量过程中，系统工作经历以下4个状态：待触发，数据采集和存储，数据保持以及数据读出和处理Ζ测量前，系统处于待触发状态，此时内部电池只给触发控制电路供电，输出电流为几ΛA ，可满足长时间待触发Ζ测量结束后回收测量装置，通过读数口把数据从装置读入到地面计算机，再通过解算得到运动姿态参数，为了解导弹系统的工作状况或进行故障分析提供依据Ζ实验中典型的地磁场传感器输出波形如图3所示，转速与时间关系波形如图4所示
黑龙江省国土资源厅Ζ
图3
地磁场传感器输出波形图4 地磁场传感器转速与时间关系波形
4 结 论
文中论述的地磁场传感器经过原理实验论证，已应用于某型导弹的姿态测量中Ζ由于该型导弹飞行时间短、转速低，测量精度完全满足要求Ζ另外，系统在弱信号放大及电路设计方面采用了特殊处理方法，以进一步提高系统的抗干扰能力Ζ由于本系统具有抗高过载能力和性能价格比高等特点，因此，它对旋转飞行体的姿态测量具有很高的推广价值Ζ
参考文献
1 Soderkvist J .D esign of a so lid 2state gyro scop ic senso r of quartz .Senso r and A ctuato rs ,1990,
A (21
～23):293～296363 第3期王广龙等：地磁场传感器及其在飞行体姿态测量中的应用
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2 姚雅红Λ微机械陀螺的发展现状Λ惯导与仪表,1997(1):36～42
3 詹存山，杨再清，马溢清Λ利用GPS卫星载波信号确定载体姿态方法研究Λ导航,1994,30(2):22～28
4 董公昌Λ多路PC M遥测实时数据缓冲接口设计Λ测控技术,1996,15(6):44～47
5 何照才，苏建刚Λ末敏弹外弹道测量方法研究Λ飞行器测控技术,1996(2):19～26
6 马铁华Λ地磁场传感器测自旋弹飞行姿态Λ测试技术学报,1988(2):305～307
Earth M agnetic F ield Sen sor and Its Application i n
Flight Body A ttitude M easurem en t
W ang Guanglong
(D epartm ent of Engineering Safety,Beijing Institute of T echno logy,Beijing100081)
Zu J ing Zhang W endong M a T iehua
(D epartm ent of E lectronics Engineering,N o rth Ch ina Institute of T echno logy,T aiyuan030051)
Abstract A i m To study attitude m easu rem en t m ethod of fligh t body and attitude
m easu rem en t p rinci p le of the earth m agnetic field sen so r.To set up the attitude de2 tecting m ath s m odel of the earth m agnetic field sen so r,and p ropo se the fligh t body attitude calcu lating m ethod.M ethods A cco rding to Faraday electrom agnetis m in2 ducti on w hen a w ire loop incises the m agnetic fo rce line of the earth m ag2 netic field,it w ill b ring abou t the inducti on electrom o tive fo rce,an attitude m easu re2
bichong
m en t system w as designed based on the earth m agnetic field sen so r.Results A n earth
m agnetic field sen so r and attitude m easu ring system w ere designed,and experi m en t data w ere analyzed and p rocessed.It w as p roved that the ro tating speed m easu re2
m en t erro r is0105r s.Conclusion T h is earth m agnetic field sen so r can be u sed to detect attitude of h igh2load ro tating fligh t body.
Key words earth m agnetis m;m agnetic field sen so r;attitude m easu rem en t
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