電子羅盤在傾斜狀態下校準算法研究

2016-06-02 03:09:49中國船舶重工集團公司第七一研究所龔天平

電子世界 2016年9期

中國船舶重工集團公司第七一○研究所龔天平

電子羅盤在傾斜狀態下校準算法研究

中國船舶重工集團公司第七一○研究所龔天平

【摘要】針對電子羅盤在磁航向測量中存在的各種誤差，分析了電子羅盤（EMC）系統誤差的形成原因與機理，在此基礎上系統地研究了在任意姿態下電子羅盤磁航向誤差校正問題，并且具體給出了2種誤差系數的求解方法以及相應的誤差補償方法。多位置轉臺實驗驗證了該方法的有效性和實用性，校準后的電子羅盤精度由3.2°提高到0.4°，滿足了導航系統的需求。

【關鍵詞】電子羅盤；航向誤差；誤差補償；校準

0 引言

電子羅盤用于測量載體姿態，廣泛應用于航空、航天、航海、水中兵器、石油鉆井、汽車等需要定向和導航的領域。由于使用場合往往存在軟硬磁環境干擾導致電子羅盤精度降低，所以需要對電子羅盤進行修正校準。在實驗室內經過試驗研究發現，軟硬磁環境干擾引起的電子羅盤誤差主要表現為兩方面：一種是對傳感器零位的影響；另一種是對其靈敏度的影響。

目前，電子羅盤有平面校準（橢圓擬合）和空間校準（橢球擬合）兩種算法。平面校準法主要用于不便于空間翻轉的大型載體，例如飛機、輪船、汽車等等。采用把裝有電子羅盤的載體在水平面內旋轉一周連續采樣或用8點法每隔45°采樣的方法找出三軸磁通量的圓心與半徑。空間校準法主要用于可以方便進行翻轉的小型載體，例如手機、平板電腦等等手持設備。采用把裝有電子羅盤的載體在空間旋轉連續采樣或用12點法或24點法采樣的方法找出三軸磁通量的球心與半徑。

1 電子羅盤校準算法簡介

本文主要介紹平面校準算法。在沒有誤差的情況下，X、Y軸的輸出對應關系可用圖1表示，在坐標系上映射出一個圓。

圖1 無誤差時傳感器輸出關系

圖2 有零位誤差時傳感器輸出關系

（1）零位補償

當X軸和Y軸有零位誤差時如圖2所示。

那么X，Y的零位為：

修正值為：

（2）靈敏度補償

當X軸和Y軸的輸出靈敏度不一致時，這個圓變為一個橢圓，如圖3所示。

圖3 有靈敏度誤差時傳感器輸出關系

假設以X軸輸出為基準，那么為：

修正后：

在平面校準法中，在采樣時必須保證載體在水平面內旋轉，但在用戶實際現場使用時，由于轉臺、地面等平面不能保證絕對水平，往往有3°～5°甚至更大的傾斜角，且旋轉過程中，傾斜角不斷變化，這就會給計算帶來較大偏差，校準后精度得不到保證，經常發生越校準電子羅盤精度反而越差的情況。

在某次用戶現場校準數據見表1。

2 電子羅盤在傾斜狀態下校準算法

電子羅盤在傾斜狀態下校準算法如下：在校準采樣磁通量過程中，通過電子羅盤自帶的傾斜角傳感器同步采樣傾斜角數據。采樣結束后，用傾斜角修正磁通量，將其轉換為水平面內的磁通量，然后再用平面校準法計算得出三軸磁通量的圓心與半徑。

如圖4所示，設地磁場為H，其在正交坐標系的投影是Hx、Hy、Hz，磁傾角為θ，三軸磁通量的圓心為MX0，MY0，半徑為SX，SY，采樣的最大值和最小值分別是MXmax、MXmin、MYmax、MYmin、MZmax、MZmin。

圖4 地磁場分量矢量圖

那么采樣的幾個極值點與地磁場存在下式關系：

在平面校準法中，三軸磁通量的圓心與半徑由下式求得：

可見，只要準確找到幾個極值點，就可以計算出三軸磁通量的圓心與半徑。而在實際使用過程中，由于各種原因導致校準過程采樣時，載體不能保證在水平面內運動，這樣采樣到的極值點就與水平面內的實際計算需求的極值點存在偏差。假設在采樣幾個極值點時，載體與水平面存在的夾角分別是B0、B1、B2、B3，垂直面與鉛垂線的夾角是B4、B5。那么采樣的幾個極值點與地磁場存在下式關系：