CN101241009B - 一种磁电子罗盘误差补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了基于变形圆分布及周期性假设的磁电子罗盘误差补偿方法。要提高磁电子罗盘的测量精度，必须补偿周围铁磁物质等因素所引起的测量误差。目前，国内外流行的补偿方法是基于环境干扰磁场的影响导致磁场强度的水平投影分量的分布由正圆形变为椭圆形的假设的。但因为影响因素较多，情况复杂，实际上无法保证磁场强度的水平投影分量的分布为严格的椭圆形。针对这一情况，本发明提出了基于变形圆分布和周期性假设的误差补偿算法，以补偿周围铁磁物质等因素所引起的测量误差，实现地磁方位角的高精度测量。

Description

一种磁电子罗盘误差补偿方法

技术领域

本发明专利涉及利用地磁场实现定向功能的磁电子罗盘，给出了一种磁电子罗盘的测量误差补偿方法。

背景技术

当磁电子罗盘固定在载体上以后，地磁方位角测量结果会受到周围铁磁物质的影响。干扰磁场由硬铁磁场和软铁磁场两部分组成。当周围存在干扰磁场时，磁场强度水平投影分量的分布不再是正圆形，其形状发生了畸变(软铁磁场的影响)，并且其中心位置相对坐标原点也发生了偏移(硬铁磁场的影响)。以上因素的存在导致磁电子罗盘在地磁方位角测量过程中出现测量误差。国内外比较流行的补偿算法是基于环境干扰磁场的影响导致磁场强度水平投影分量的分布由正圆形变为椭圆形的假设的。即按照椭圆形来拟和磁场强度水平投影分量分布，求取有关系数，在使用过程中根据有关系数进行磁场测量值的补偿。以上补偿算法假定磁场强度水平投影分量的分布为规则的椭圆形，而实际上由于具体情况的复杂性很难保证这一条件的严格成立，因而限制了测量精度的提高。

发明内容

本发明提出了基于变形圆分布和周期性假设的误差补偿算法，以补偿周围铁磁物质等因素所引起的测量误差的一种可用于磁电子罗盘误差补偿的方法。

本发明是一种可用于磁电子罗盘误差补偿的方法，当磁电子罗盘在周围环境中匀速转动多圈，那么方位角α、测得的未经补偿的方位角α_m、方位角测量误差Δα都将发生周期性变化，都可以表示为磁电子罗盘转角β的周期函数的形式，在[0，2π]范围内，经周期延拓后的函数展成收敛级数的形式，可以用有限项的代数和来近似该函数，即

$\mathrm{\Δ\α}=a_0+\underset{n=1}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}(a_n\cos \mathrm{n\α}+b_n\sin \mathrm{n\α})$

上式中，j为有限值正整数，a0、an、bn为系数，其中n＝1，2，3，...，

标定过程包括以下各步：

(1)旋转装有磁电子罗盘和标定装置的无磁转台，使其指向正北，确定此时方位角为0度；(2)根据实测磁场数据及当地磁偏角数据计算方位角近似值α_m；

(3)根据标定装置输出的转角数据α计算方位角误差Δα＝α_m-α；

(4)转动无磁转台使方位角增加某一角度，重复第二步和第三步，得到相应方位角时的磁电子罗盘方位角误差。直至方位角达到360度(与0度相同)；

(5)根据方位角误差计算补偿公式

$\mathrm{\Δ\α}=a_0+\underset{n=1}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}(a_n\cos \mathrm{n\α}+b_n\sin \mathrm{n\α})$

中的补偿系数a0、an、bn，其中n＝1，2，3，...；

使用时，将根据标定得到的补偿公式系数计算更正值，其步骤如下：

(1)根据实测磁场数据及当地磁偏角数据计算方位角近似值α_m；

(2)根据补偿公式

计算更正值-Δα，计算时首先用方位角近似值α_m代替方位角真实值α，如需较高精度则进行多次迭代；

(3)计算补偿后方位角测量值α′＝α_m+(-Δα)。

本发明的优点：

提出了基于变形圆分布和周期性假设的误差补偿算法，以补偿周围铁磁物质等因素所引起的测量误差，实现地磁方位角的高精度测量。

具体实施方式

下面给出一个采用本发明专利实现磁电子罗盘误差补偿的具体实例。

在本实例中，以高性能的三轴磁电阻传感器为地磁方位角传感器，测出地磁场分别在载体x轴、y轴、z轴上的分量

以双轴加速度传感器为俯仰角(θ)和横滚角(γ)测量传感器。综合以上多个传感器的信息，实现地磁方位角的高精度测量。

本发明专利提出的磁电子罗盘误差补偿方法的实现分为两个阶段，即标定过程的系数计算阶段和使用过程的误差补偿阶段。在标定过程中，根据测量误差值计算补偿公式系数；在使用过程中，利用补偿公式及相关的系数计算更正值，实现误差补偿。

当磁电子罗盘在周围环境中匀速转动多圈，那么测得的未经补偿的方位角α_m、方位角测量误差Δα都将发生周期性变化，都可以表示为方位角α的周期函数的形式，在[0，2π]范围内，经周期延拓后的函数展成收敛级数的形式，可以用有限项的代数和来近似该函数，即

$\mathrm{\Δ\α}=a_0+\underset{n=1}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}(a_n\cos \mathrm{n\α}+b_n\sin \mathrm{n\α})$

上式中，j为有限值正整数，a0、an、bn为系数，其中n＝1，2，3，...；

标定时将磁电子罗盘安装在无磁转台上，转台转角通过高精度的光电编码器测量。标定过程由以下步骤组成。

第一步，转动无磁转台，使其前向指北，复位光电编码器的输出，确定方位角为0度。

第二步，根据实测数据计算方位角近似值。首先，根据下面的公式计算磁场强度水平投影H_x、H_y

式中，

为磁传感器在θ≠0，γ≠0状态下测得的3个地磁场分量。

然后，根据H_x、H_y计算地磁方位角近似值

${\widetilde{\mathrm{\α}}}_M=\arctan \left(\frac{H_y}{H_x}\right)$

最后，根据当地的磁偏角值D计算方位角近似值

${\mathrm{\α}}_m={\widetilde{\mathrm{\α}}}_M+D$

第三步，根据光电编码器输出的转角数据α计算方位角误差。

Δα＝α_m-α

第四步，转动无磁转台使方位角增加15度，重复第二步和第三步，得到相应方位角时的磁电子罗盘方位角误差。直至方位角达到360度(与0度相同)。

第五步，根据方位角误差计算补偿公式

$\mathrm{\Δ\α}=a_0+\underset{n=1}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}(a_n\cos \mathrm{n\α}+b_n\sin \mathrm{n\α})$

中的补偿系数a0、an、bn，其中n＝1，2，3，...。

以上标定过程中，我们只需转动无磁转台到相应角度即可。

使用时，将根据标定得到的补偿公式系数计算更正值，其步骤如下。

第一步，根据实测数据计算方位角近似值。首先，根据下面的公

式计算磁场强度水平投影H_x、H_y

式中，

为磁传感器在θ≠0，γ≠0状态下测得的3个地磁场分量。

然后，根据H_x、H_y计算地磁方位角近似值

${\widetilde{\mathrm{\α}}}_M=\arctan \left(\frac{H_y}{H_x}\right)$

最后，根据当地的磁偏角值D计算方位角近似值

${\mathrm{\α}}_m={\widetilde{\mathrm{\α}}}_M+D$

第二步，根据补偿公式

计算更正值-Δα，计算时首先用方位角近似值α_m代替方位角真实值α，如需较高精度则进行多次迭。

第三步，计算补偿后方位角测量值α′＝α_m+(-Δα)。

Claims (2)

1.一种用于磁电子罗盘误差补偿的方法，其特征是当磁电子罗盘在周围环境中匀速转动多圈，那么测得的未经补偿的方位角α_m、方位角测量误差Δα都将发生周期性变化，都表示为方位角α的周期函数的形式，在[0，2π]范围内，经周期延拓后的函数展成收敛级数的形式，用有限项的代数和来近似该函数，即

$\mathrm{\Δ\α}=a_0+\underset{n=1}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}(a_n\cos \mathrm{n\α}+b_n\sin \mathrm{n\α})$

上式中，j为有限值正整数，a₀、a_n、b_n为系数，其中n＝1，2，3，...；标定过程包括以下各步：

(1)旋转装有磁电子罗盘和标定装置的无磁转台，使其指向正北，确定此时方位角为0度；

(2)根据实测磁场数据及当地磁偏角数据计算方位角近似值α_m；

(3)根据标定装置输出的转角数据α计算方位角误差Δα＝α_m-α；

(4)转动无磁转台使方位角增加某一角度，重复第二步和第三步，得到相应方位角时的磁电子罗盘方位角误差，直至方位角达到360度；

(5)根据方位角误差计算补偿公式

$\mathrm{\Δ\α}=a_0+\underset{n=1}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}(a_n\cos \mathrm{n\α}+b_n\sin \mathrm{n\α})$

中的补偿系数a₀、a_n、b_n，其中n＝1，2，3，...；

使用时，将根据标定得到的补偿公式系数计算更正值，其步骤如下：

(1)根据实测磁场数据及当地磁偏角数据计算方位角近似值α_m；

(2)根据补偿公式

计算更正值-Δα，计算时首先用方位角近似值α_m代替方位角真实值α，如需较高精度则进行多次迭代；

(3)计算补偿后方位角测量值α′＝α_m+(-Δα)。

2.根据权利要求1所述的一种用于磁电子罗盘误差补偿的方法，其特征是所述的磁电子罗盘是基于磁通门技术或各向异性磁电阻技术或巨磁电阻技术或巨磁阻抗技术的测量元件。