电子罗盘消除固定位置变磁场干扰方法

发布时间：2021-09-04

　　摘　要：文章针对位置固定的变磁场干扰源，提出了基于特定位置等比例关系的双磁传感器校准补偿法，对电子罗盘方位角进行二次校准，将变磁场干扰源对电子罗盘的干扰由15°减小到0.7°以内。该方法具有采集运算简单、成本低廉、使用方便、容错率高等诸多优点，为变磁场干扰源的校准补偿提供了新的思路。

　　关键词：电子罗盘;变磁场干扰;二次校准

　　高精度电子罗盘能够通过校准大幅降低周边固有磁场的干扰，准确指示方位角，但却对变化的磁场干扰束手无策。在电子罗盘的使用过程中，都会尽量避免铁、磁物质的靠近。但有些电子罗盘搭载平台存在来源于平台内部的变磁场干扰，随着电子罗盘一同运动。这类干扰源具有相对位置固定、磁场变化的特点。此时，常用的技术途径有以下3种：①让变磁场暂时停止变化或使用磁屏蔽材料隔绝干扰;②另辟蹊径使用双GPS、ARHS等系统指示方位角，绕开变磁场的干扰;③测出变磁场干扰源对周围磁场的影响，再根据磁场的变化量逆推，对电子罗盘方位角进行补偿。在某些使用场景下，既无法屏蔽变磁场干扰，同时由于搭载平台限制，也无法使用价格昂贵、重量大、空间需求大的双GPS、ARHS系统。此时第3种技术途径就成了唯一可行的解决方案。

　　1变磁场干扰测试及补偿方法

　　1.1变磁场干扰重要规律

　　模拟实际使用场景搭建测试环境，磁钢和电子罗盘固定在测试工装相应位置，选用某型磁阻传感器和拥有大量程的霍尔传感器分别进行测试。将磁传感器置于工装上不同位置，在工装不同朝向时，分别记录无磁钢时和不同磁钢姿态下电子罗盘和磁传感器的读数，进行整理比较。假设G磁钢是磁钢姿态变化引起磁传感器某轴读数的变化量，即有磁钢时的磁传感器读数减去无磁钢时读数，表征着磁钢对磁传感器所在位置磁场的影响。通过大量实验和归纳总结，发现在一定区域范围内，当磁传感器沿磁钢形成的虚拟磁力线布置时，有如下重要规律：

　　(1)G磁钢随着距离的增大迅速减小。例如距离磁钢1cm处G磁钢约为±200000，10cm处为±1500，20cm处±200，30cm处±65，40cm处±30。而测试地点地磁的读数略小于±300。

　　(2)在测试工装朝向不同方位时，G磁钢为定值。如图1为距离磁钢10cm处G磁钢变化规律，横轴为磁钢N级朝向，分为8个方向。可以看到东南西北4个方向的曲线基本重合。而磁传感器其他两轴也完全符合这一规律。

　　1.2双磁传感器补偿

　　根据以上3条规律，在先不考虑平台其他部位干扰的条件下，提出一种基于双磁传感器的测试、补偿方法，可有效测得磁钢姿态变化对电子罗盘位置处磁场的影响分量G磁钢。将一个编号为B的磁传感器放置在电子罗盘的磁通门附近(也可使用电子罗盘三轴磁传感器读数，即将电子罗盘当做B磁传感器)，另一个编号为A的磁传感器放置在符合上述关系且便于在平台上安置的位置，保持A、B磁传感器和电子罗盘3轴同向。

　　上述实验发现和推理提供了一种全新的思路，使用2个小巧、廉价的磁传感器以异常简单的方法推算磁钢姿态变化引起的电子罗盘附近的磁场变化量。而后只需研究这个变化量和电子罗盘方位角偏移量之间的关系，无需根据磁钢附近的磁场变化来计算磁钢姿态，也不需要研究平台在不同方位角、俯仰角、横滚角时磁钢姿态与电子罗盘方位角偏移量之间复杂的映射关系，极大的简化了计算过程，大幅减少了数据采集工作量。

　　为了进一步验证方案的可行性，在工装朝向不同方位、磁钢不同姿态、磁钢N级不同位置情况下采集数据并验证，均符合上述关系。

　　2磁传感器校准

　　实验过程中，采用转台校准法对磁传感器自身进行校准，消除其标度因数和零点漂移引起的误差。磁传感器安放在平台上以后，转台校准法无法满足要求，使用一种空间采集多点校准法，在平台上通过多点采集数据完成电子罗盘和磁传感器的校准，消除平台对电子罗盘和磁传感器的干扰。

　　将磁钢暂时固定不动，其干扰可以看作是平台干扰的一部分。磁传感器经过自校准后，随平台一起在空间中旋转，采集6面4角共18个点的磁传感器数据和姿态数据。其中姿态数据来源于同向的三轴加速度计。而后，对数据进行处理。

　　其中，α、β、γ分别为磁传感器X、Y、Z三轴向空间虚拟轴投影的转换因数，可以通过磁传感器姿态求得。将式(4)代入式(5)，设B磁传感器Y轴标度因数为aBy=1，则可得到一个共有24个未知因数的方程。根据式(5)，两磁传感器18次采集可得到36个等式，两两相减消去δ，即可得到一个由35个方程构成的23元一次超定方程组，解多元一次超定方程组可得最佳解。将最佳解和两个磁传感器在18个姿态采集的数据带人式(5)，可得到各种姿态下的δ，δ计算的标准差可以据此评判磁传感器校准效果，其值越小越好。

　　磁传感器的水平投影图是将磁传感器的三轴数据投影到水平面上形成的，可以直观的反映磁传感器受磁场干扰的情况。理想无干扰状态下，该图是以零点为圆心的圆。某个磁传感器校准前后的平面磁场投影如图6所示，可以看到原先偏离圆心的椭圆得到了有效修正。

　　3平台测试

　　在磁传感器有效校准的基础上，用融合后的补偿算法在平台上进行测试，记录补偿后的方位角，并和电子罗盘单独指示时的方位角进行比较。图7为平台处于某补偿误差较大的姿态时的误差曲线图，可以看到其误差≤0.6°。将磁钢置于任意姿态，在电子罗盘任意指向情况下随机测试，大量测试中得到的最大补偿误差≤0.7°，远远优于无补偿的误差。

　　如果使用电子罗盘代替B磁传感器，在A磁传感器未通过校准消除平台干扰的情况下进行测试，方位角误差约为1.5°。这是因为其他磁场对A磁传感器干扰除以比值k以后被大幅减小。这表明该补偿方法具有较高的容错率，在精度要求不高的情况下可不进行磁传感器的平台校准。

　　4结语

　　文章针对位置固定的变磁场干扰源，提出了基于特定位置等比例关系的双磁传感器校准补偿法，在使用转台校准法和空间采集多点校准法有效校准磁传感器的前提下，将磁钢对电子罗盘的干扰由15°减小到0.7°以内。该方法具有采集运算简单、成本低廉、使用方便、容错率高等诸多优点，为变磁场干扰源的校准补偿提供了新的思路。——论文作者：周阳

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