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系的雙磁傳感器校準補償法，對電子羅盤方位角進行二次校準，將變磁場干擾源對電子羅盤的干擾由15°減小到0.7°以內。該方法具有采集運算簡單、成本低廉、使用方便、容錯率高等諸多優點，為變磁場干擾源的校準補償提供了新的思路。

關鍵詞：電子羅盤;變磁場干擾;二次校準

中圖分類號：TN97 文獻標識碼：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大幅降低周邊固有磁場的干擾，準確指示方位角，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、磁物質的靠近。但有些電子羅盤搭載平臺存在來源于平臺內部的變磁場干擾，隨著電子羅盤一同運動。這類干擾源具有相對位置固定、磁場變化的特點。此時，常用的技術途徑有以下3種：①讓變磁場暫時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，再根據磁場的變化量逆推，對電子羅盤方位角進行補償。在某些使用場景下，既無法屏蔽變磁場干擾，同時由于搭載平臺限制，也無法使用價格昂貴、重量大、空間需求大的雙GPS、ARHS系統。此時第3種技術途徑就成了唯一可行的解決方案。

1 變磁場干擾測試及補償方法

1.1 變磁場干擾重要規律

模擬實際使用場景搭建測試環境，磁鋼和電子羅盤固定在測試工裝相應位置，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，分別記錄無磁鋼時和不同磁鋼姿態下電子羅盤和磁傳感器的讀數，進行整理比較。假設G磁鋼是磁鋼姿態變化引起磁傳感器某軸讀數的變化量，即有磁鋼時的磁傳感器讀數減去無磁鋼時讀數，表征著磁鋼對磁傳感器所在位置磁場的影響。通過大量實驗和歸納總結，發現在一定區域范圍內，當磁傳感器沿磁鋼形成的虛擬磁力線布置時，有如下重要規律：

（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。而測試地點地磁的讀數略小于±300。

（2）在測試工裝朝向不同方位時，G磁鋼為定值。如圖1為距離磁鋼10cm處G磁鋼變化規律，橫軸為磁鋼N級朝向，分為8個方向。可以看到東南西北4個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律。

（3）磁鋼處于同一姿態時，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不同位置，由磁鋼姿態變化引起的磁場變化矢量。圖2～5為工裝朝北時，磁鋼轉動引起10cm、20cm、30cm、40cm處G磁鋼變化曲線。橫軸為磁鋼不同姿態，3條曲線分別代表x、y、z三軸。初步測試時磁傳感器手動擺放，位置誤差偏大。后續實驗中，隨著磁傳感器位置、航姿精度的提高，曲線一致性更加明顯，規律被一再驗證。

1.2 雙磁傳感器補償

根據以上3條規律，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、補償方法，可有效測得磁鋼姿態變化對電子羅盤位置處磁場的影響分量G磁鋼。將一個編號為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，即將電子羅盤當做B磁傳感器），另一個編號為A的磁傳感器放置在符合上述關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。設實驗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境干擾分量。由于2個磁傳感器距離較近，在遠離外界強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磁傳感器上同一個軸的讀數。而由于A、B磁傳感器位置固定不變時，其變化量的比值k為定值可以求得。于是可根據上式輕松求得在磁傳感器B處——即電子羅盤處磁鋼姿態變化引起的影響分量。

上述實驗發現和推理提供了一種全新的思路，使用2個小巧、廉價的磁傳感器以異常簡單的方法推算磁鋼姿態變化引起的電子羅盤附近的磁場變化量。而后只需研究這個變化量和電子羅盤方位角偏移量之間的關系，無需根據磁鋼附近的磁場變化來計算磁鋼姿態，也不需要研究平臺在不同方位角、俯仰角、橫滾角時磁鋼姿態與電子羅盤方位角偏移量之間復雜的映射關系，極大的簡化了計算過程，大幅減少了數據采集工作量。

為了進一步驗證方案的可行性，在工裝朝向不同方位、磁鋼不同姿態、磁鋼N級不同位置情況下采集數據并驗證，均符合上述關系。

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系。已經求得電子羅盤處G磁鋼B，并且可以通過對磁傳感器進行校準，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，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，補償精度不高。通過大量的理論論證和實驗驗證，得到3種基礎補償方法：①通過實驗數據直接計算出補償參數予以補償;②加入干擾后的方位角減去無干擾情況方位角;③計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，衍生出十幾種補償算法。比較各種衍生算法在不同情況下的補償精度，得到2種表現較好的算法。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，效果十分顯著。而后進一步優化算法，因地域變化地磁大小發生明顯改變時，不需要重新采集計算補償參數。

2 磁傳感器校準

實驗過程中，采用轉臺校準法對磁傳感器自身進行校準，消除其標度因數和零點漂移引起的誤差。磁傳感器安放在平臺上以后，轉臺校準法無法滿足要求，使用一種空間采集多點校準法，在平臺上通過多點采集數據完成電子羅盤和磁傳感器的校準，消除平臺對電子羅盤和磁傳感器的干擾。

將磁鋼暫時固定不動，其干擾可以看作是平臺干擾的一部分。磁傳感器經過自校準后，隨平臺一起在空間中旋轉，采集6面4角共18個點的磁傳感器數據和姿態數據。其中姿態數據來源于同向的三軸加速度計。而后，對數據進行處理。假設某磁傳感器三軸的讀數分別為X、Y、Z，三軸排除干擾后的真實值為Xr、Yr、Zr，則有：

其中aj和bj分別為j軸標度因數和零點漂移，ekj和eij分別為j軸上與另外k、i兩軸相關的軟鐵校準因數。

假設磁傳感器位置有一個方向固定的虛擬軸，則排除干擾后的磁場在該軸上的投影應為定值，設為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換因數，可以通過磁傳感器姿態求得。將式（4）代入式（5），設B磁傳感器Y軸標度因數為aBy=1，則可得到一個共有24個未知因數的方程。根據式（5），兩磁傳感器18次采集可得到36個等式，兩兩相減消去δ，即可得到一個由35個方程構成的23元一次超定方程組，解多元一次超定方程組可得最佳解。將最佳解和兩個磁傳感器在18個姿態采集的數據帶人式（5），可得到各種姿態下的δ，δ計算的標準差可以據此評判磁傳感器校準效果，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據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。理想無干擾狀態下，該圖是以零點為圓心的圓。某個磁傳感器校準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的基礎上，用融合后的補償算法在平臺上進行測試，記錄補償后的方位角，并和電子羅盤單獨指示時的方位角進行比較。圖7為平臺處于某補償誤差較大的姿態時的誤差曲線圖，可以看到其誤差≤0.6°。將磁鋼置于任意姿態，在電子羅盤任意指向情況下隨機測試，大量測試中得到的最大補償誤差≤0.7°，遠遠優于無補償的誤差。

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消除平臺干擾的情況下進行測試，方位角誤差約為1.5°。這是因為其他磁場對A磁傳感器干擾除以比值k以后被大幅減小。這表明該補償方法具有較高的容錯率，在精度要求不高的情況下可不進行磁傳感器的平臺校準。

4 結語

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系的雙磁傳感器校準補償法，在使用轉臺校準法和空間采集多點校準法有效校準磁傳感器的前提下，將磁鋼對電子羅盤的干擾由15°減小到0.7°以內。該方法具有采集運算簡單、成本低廉、使用方便、容錯率高等諸多優點，為變磁場干擾源的校準補償提供了新的思路。

參考文獻

[1]王勇軍，李智，李翔.三軸電子羅盤的設計與誤差校正[J].傳感器與微系統，2010，29（10）：110-112.

[2] TCM XB 電子羅盤用戶手冊

[3] 電子羅盤的工作原理及校準

[4] 張嬌，陳靜，楊栓虎.三軸磁阻式傳感器標定方法研究[J].彈箭與制導學報，2010，30（06）：46-48.

[5] 杜英，李杰，孔祥雷，等.無航向基準條件下電子羅盤的誤差補償方法研究[J].傳感技術學報，2010，23（09）：1285-1288.

[6] 張愛軍，王昌明，趙輝.三軸電子羅盤的磁航向角誤差補償研究[J].傳感器與微系統，2008（08）：33-35.

[7]支祖偉，高可，儲志偉，等.基于非迭代橢球擬合算法的電子羅盤標定方法[J].儀表技術，2020（09）：3-6.

[8]劉耀波.基于PNI磁傳感器的低功耗電子羅盤研究[J].電子測量技術，2020，43（12）：158-162.

[9]晁正正，張曉明，馬喜宏，等.一種新的電子羅盤校準算法研究[J].傳感技術學報，2019，32（01）：106-110.

[10]龍禮，黃家才.基于遞推最小二乘法的地磁測量誤差校正方法[J].儀器儀表學報，2017，38（06）：1440-1446.