電子羅盤消除固定位置變磁場干擾方法

周陽

摘 要：文章針對位置固定的變磁場干擾源，提出了基于特定位置等比例關(guān)系的雙磁傳感器校準(zhǔn)補(bǔ)償法，對電子羅盤方位角進(jìn)行二次校準(zhǔn)，將變磁場干擾源對電子羅盤的干擾由15°減小到0.7°以內(nèi)。該方法具有采集運(yùn)算簡單、成本低廉、使用方便、容錯(cuò)率高等諸多優(yōu)點(diǎn)，為變磁場干擾源的校準(zhǔn)補(bǔ)償提供了新的思路。

關(guān)鍵詞：電子羅盤;變磁場干擾;二次校準(zhǔn)

中圖分類號：TN97 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）08-0158-04

The method of Electronic Compass to Eliminate the Interference of Fixed Position and Variable Magnetic Field

Zhou Yang

（Beijing Keeven Aviation Instrument Co.， Ltd.， Beijing， 101300， China）

Abstract：Aiming at the variable magnetic field interference source at a fixed location， this paper proposes a dual magnetic sensor calibration and compensation method based on the proportional relationship of a specific location. The azimuth angle of the electronic compass is calibrated twice， and the interference of the variable magnetic field interference source on the electronic compass is reduced by 15° decrease to within 0.7°. This method has many advantages such as simple acquisition operation， low cost， convenient use， high error tolerance， etc. It provides a new idea for the calibration and compensation of variable magnetic field interference sources.

Key words：electronic compass; variable magnetic field interference; secondary calibration

高精度電子羅盤能夠通過校準(zhǔn)大幅降低周邊固有磁場的干擾，準(zhǔn)確指示方位角，但卻對變化的磁場干擾束手無策。在電子羅盤的使用過程中，都會盡量避免鐵、磁物質(zhì)的靠近。但有些電子羅盤搭載平臺存在來源于平臺內(nèi)部的變磁場干擾，隨著電子羅盤一同運(yùn)動(dòng)。這類干擾源具有相對位置固定、磁場變化的特點(diǎn)。此時(shí)，常用的技術(shù)途徑有以下3種：①讓變磁場暫時(shí)停止變化或使用磁屏蔽材料隔絕干擾;②另辟蹊徑使用雙GPS、ARHS等系統(tǒng)指示方位角，繞開變磁場的干擾;③測出變磁場干擾源對周圍磁場的影響，再根據(jù)磁場的變化量逆推，對電子羅盤方位角進(jìn)行補(bǔ)償。在某些使用場景下，既無法屏蔽變磁場干擾，同時(shí)由于搭載平臺限制，也無法使用價(jià)格昂貴、重量大、空間需求大的雙GPS、ARHS系統(tǒng)。此時(shí)第3種技術(shù)途徑就成了唯一可行的解決方案。

1 變磁場干擾測試及補(bǔ)償方法

1.1 變磁場干擾重要規(guī)律

模擬實(shí)際使用場景搭建測試環(huán)境，磁鋼和電子羅盤固定在測試工裝相應(yīng)位置，選用某型磁阻傳感器和擁有大量程的霍爾傳感器分別進(jìn)行測試。將磁傳感器置于工裝上不同位置，在工裝不同朝向時(shí)，分別記錄無磁鋼時(shí)和不同磁鋼姿態(tài)下電子羅盤和磁傳感器的讀數(shù)，進(jìn)行整理比較。假設(shè)G磁鋼是磁鋼姿態(tài)變化引起磁傳感器某軸讀數(shù)的變化量，即有磁鋼時(shí)的磁傳感器讀數(shù)減去無磁鋼時(shí)讀數(shù)，表征著磁鋼對磁傳感器所在位置磁場的影響。通過大量實(shí)驗(yàn)和歸納總結(jié)，發(fā)現(xiàn)在一定區(qū)域范圍內(nèi)，當(dāng)磁傳感器沿磁鋼形成的虛擬磁力線布置時(shí)，有如下重要規(guī)律：

（1）G磁鋼隨著距離的增大迅速減小。例如距離磁鋼1cm處G磁鋼約為±200000，10cm處為±1500，20cm處±200，30cm處±65，40cm處±30。而測試地點(diǎn)地磁的讀數(shù)略小于±300。

（2）在測試工裝朝向不同方位時(shí)，G磁鋼為定值。如圖1為距離磁鋼10cm處G磁鋼變化規(guī)律，橫軸為磁鋼N級朝向，分為8個(gè)方向。可以看到東南西北4個(gè)方向的曲線基本重合。而磁傳感器其他兩軸也完全符合這一規(guī)律。

（3）磁鋼處于同一姿態(tài)時(shí)，對沿著磁鋼形成的虛擬磁感線方向的磁場影響值方向相同，值成正比關(guān)系，即：

G磁鋼A =K×G磁鋼B

其中G磁鋼A和G磁鋼B為磁鋼形成的虛擬磁感線上兩個(gè)不同位置，由磁鋼姿態(tài)變化引起的磁場變化矢量。圖2～5為工裝朝北時(shí)，磁鋼轉(zhuǎn)動(dòng)引起10cm、20cm、30cm、40cm處G磁鋼變化曲線。橫軸為磁鋼不同姿態(tài)，3條曲線分別代表x、y、z三軸。初步測試時(shí)磁傳感器手動(dòng)擺放，位置誤差偏大。后續(xù)實(shí)驗(yàn)中，隨著磁傳感器位置、航姿精度的提高，曲線一致性更加明顯，規(guī)律被一再驗(yàn)證。

1.2 雙磁傳感器補(bǔ)償

根據(jù)以上3條規(guī)律，在先不考慮平臺其他部位干擾的條件下，提出一種基于雙磁傳感器的測試、補(bǔ)償方法，可有效測得磁鋼姿態(tài)變化對電子羅盤位置處磁場的影響分量G磁鋼。將一個(gè)編號為B的磁傳感器放置在電子羅盤的磁通門附近（也可使用電子羅盤三軸磁傳感器讀數(shù)，即將電子羅盤當(dāng)做B磁傳感器），另一個(gè)編號為A的磁傳感器放置在符合上述關(guān)系且便于在平臺上安置的位置，保持A、B磁傳感器和電子羅盤3軸同向。設(shè)實(shí)驗(yàn)中磁傳感器某軸的輸出為：

G = G地+G磁鋼+ G干擾

G地和G干擾分別為該軸的地磁分量和環(huán)境干擾分量。由于2個(gè)磁傳感器距離較近，在遠(yuǎn)離外界強(qiáng)磁干擾的情況下可得：

G干擾A≈G干擾B，G地A=G地B

所以：GA-GB=G磁鋼A-G磁鋼B

又有：G磁鋼A=K×G磁鋼B（K-1）×G磁鋼B=GA-GB

設(shè)k=K-1，最終得到：

G磁鋼B=（GA-GB）/k

其中，GA、GB為A、B磁傳感器上同一個(gè)軸的讀數(shù)。而由于A、B磁傳感器位置固定不變時(shí)，其變化量的比值k為定值可以求得。于是可根據(jù)上式輕松求得在磁傳感器B處——即電子羅盤處磁鋼姿態(tài)變化引起的影響分量。

上述實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)和推理提供了一種全新的思路，使用2個(gè)小巧、廉價(jià)的磁傳感器以異常簡單的方法推算磁鋼姿態(tài)變化引起的電子羅盤附近的磁場變化量。而后只需研究這個(gè)變化量和電子羅盤方位角偏移量之間的關(guān)系，無需根據(jù)磁鋼附近的磁場變化來計(jì)算磁鋼姿態(tài)，也不需要研究平臺在不同方位角、俯仰角、橫滾角時(shí)磁鋼姿態(tài)與電子羅盤方位角偏移量之間復(fù)雜的映射關(guān)系，極大的簡化了計(jì)算過程，大幅減少了數(shù)據(jù)采集工作量。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證方案的可行性，在工裝朝向不同方位、磁鋼不同姿態(tài)、磁鋼N級不同位置情況下采集數(shù)據(jù)并驗(yàn)證，均符合上述關(guān)系。

于是下一步工作就是找尋磁鋼在電子羅盤位置的影響量和電子羅盤方位角偏移量之間的關(guān)系。已經(jīng)求得電子羅盤處G磁鋼B，并且可以通過對磁傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，使G干擾≈0，因此可得：

G地≈GB-G磁鋼B

理論上，已知電子羅盤處地磁值、磁鋼干擾影響量和電子羅盤的姿態(tài)，可求出由磁鋼干擾引起的電子羅盤方位角偏移量。甚至可直接用地磁值求出方位角，補(bǔ)償精度不高。通過大量的理論論證和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到3種基礎(chǔ)補(bǔ)償方法：①通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)直接計(jì)算出補(bǔ)償參數(shù)予以補(bǔ)償;②加入干擾后的方位角減去無干擾情況方位角;③計(jì)算加入干擾后磁北方向的偏移量。以上3種方法還可以嵌套、迭代、融合，衍生出十幾種補(bǔ)償算法。比較各種衍生算法在不同情況下的補(bǔ)償精度，得到2種表現(xiàn)較好的算法。電子羅盤在工裝上受磁鋼影響后的方位角偏移量由最大±15°減小到±0.3°以內(nèi)，效果十分顯著。而后進(jìn)一步優(yōu)化算法，因地域變化地磁大小發(fā)生明顯改變時(shí)，不需要重新采集計(jì)算補(bǔ)償參數(shù)。

2 磁傳感器校準(zhǔn)

實(shí)驗(yàn)過程中，采用轉(zhuǎn)臺校準(zhǔn)法對磁傳感器自身進(jìn)行校準(zhǔn)，消除其標(biāo)度因數(shù)和零點(diǎn)漂移引起的誤差。磁傳感器安放在平臺上以后，轉(zhuǎn)臺校準(zhǔn)法無法滿足要求，使用一種空間采集多點(diǎn)校準(zhǔn)法，在平臺上通過多點(diǎn)采集數(shù)據(jù)完成電子羅盤和磁傳感器的校準(zhǔn)，消除平臺對電子羅盤和磁傳感器的干擾。

將磁鋼暫時(shí)固定不動(dòng)，其干擾可以看作是平臺干擾的一部分。磁傳感器經(jīng)過自校準(zhǔn)后，隨平臺一起在空間中旋轉(zhuǎn)，采集6面4角共18個(gè)點(diǎn)的磁傳感器數(shù)據(jù)和姿態(tài)數(shù)據(jù)。其中姿態(tài)數(shù)據(jù)來源于同向的三軸加速度計(jì)。而后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。假設(shè)某磁傳感器三軸的讀數(shù)分別為X、Y、Z，三軸排除干擾后的真實(shí)值為Xr、Yr、Zr，則有：

其中aj和bj分別為j軸標(biāo)度因數(shù)和零點(diǎn)漂移，ekj和eij分別為j軸上與另外k、i兩軸相關(guān)的軟鐵校準(zhǔn)因數(shù)。

假設(shè)磁傳感器位置有一個(gè)方向固定的虛擬軸，則排除干擾后的磁場在該軸上的投影應(yīng)為定值，設(shè)為δ，則有：

其中，α、β、γ分別為磁傳感器X、Y、Z三軸向空間虛擬軸投影的轉(zhuǎn)換因數(shù)，可以通過磁傳感器姿態(tài)求得。將式（4）代入式（5），設(shè)B磁傳感器Y軸標(biāo)度因數(shù)為aBy=1，則可得到一個(gè)共有24個(gè)未知因數(shù)的方程。根據(jù)式（5），兩磁傳感器18次采集可得到36個(gè)等式，兩兩相減消去δ，即可得到一個(gè)由35個(gè)方程構(gòu)成的23元一次超定方程組，解多元一次超定方程組可得最佳解。將最佳解和兩個(gè)磁傳感器在18個(gè)姿態(tài)采集的數(shù)據(jù)帶人式（5），可得到各種姿態(tài)下的δ，δ計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)差可以據(jù)此評判磁傳感器校準(zhǔn)效果，其值越小越好。

磁傳感器的水平投影圖是將磁傳感器的三軸數(shù)據(jù)投影到水平面上形成的，可以直觀的反映磁傳感器受磁場干擾的情況。理想無干擾狀態(tài)下，該圖是以零點(diǎn)為圓心的圓。某個(gè)磁傳感器校準(zhǔn)前后的平面磁場投影如圖6所示，可以看到原先偏離圓心的橢圓得到了有效修正。

3 平臺測試

在磁傳感器有效校準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，用融合后的補(bǔ)償算法在平臺上進(jìn)行測試，記錄補(bǔ)償后的方位角，并和電子羅盤單獨(dú)指示時(shí)的方位角進(jìn)行比較。圖7為平臺處于某補(bǔ)償誤差較大的姿態(tài)時(shí)的誤差曲線圖，可以看到其誤差≤0.6°。將磁鋼置于任意姿態(tài)，在電子羅盤任意指向情況下隨機(jī)測試，大量測試中得到的最大補(bǔ)償誤差≤0.7°，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于無補(bǔ)償?shù)恼`差。

如果使用電子羅盤代替B磁傳感器，在A磁傳感器未通過校準(zhǔn)消除平臺干擾的情況下進(jìn)行測試，方位角誤差約為1.5°。這是因?yàn)槠渌艌鰧磁傳感器干擾除以比值k以后被大幅減小。這表明該補(bǔ)償方法具有較高的容錯(cuò)率，在精度要求不高的情況下可不進(jìn)行磁傳感器的平臺校準(zhǔn)。

4 結(jié)語

文章針對位置固定的變磁場干擾源，提出了基于特定位置等比例關(guān)系的雙磁傳感器校準(zhǔn)補(bǔ)償法，在使用轉(zhuǎn)臺校準(zhǔn)法和空間采集多點(diǎn)校準(zhǔn)法有效校準(zhǔn)磁傳感器的前提下，將磁鋼對電子羅盤的干擾由15°減小到0.7°以內(nèi)。該方法具有采集運(yùn)算簡單、成本低廉、使用方便、容錯(cuò)率高等諸多優(yōu)點(diǎn)，為變磁場干擾源的校準(zhǔn)補(bǔ)償提供了新的思路。

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