磁罗盘校罗差系数计算算法和仿真

磁罗盘校罗差系数计算算法和仿真

胡靖枫

陕西东方航空仪表有限责任公司 陕西省 汉中市 723102

摘要：磁罗盘是感应地球磁场的装置，但在使用过程中受到载体固有磁场的干扰，输出磁航向误差较大，因此需要对磁罗盘进行校正，建立磁罗盘系数模型，通过标定确定校罗差系数，可以有效地降低磁罗盘输出误差。

关键词： 磁罗盘 罗差校正

1、引言

磁罗盘是感应地球磁场的装置，相比其他方向测量系统（如GPS方位测量系统、惯性指北方位系统），磁罗盘具有体积小、质量轻、无误差积累等诸多优点^[1]。可解算出系统的磁航向。在飞机、舰船上均有应用，但由于周围软硬铁磁物质的影响会对地球磁场造成干扰，为降低干扰，对其测量误差的补偿不可缺少，且已形成了许多不同的与磁罗盘有关的误差模型和对应的误差校正方法[1-3]。通常系统每换一次使用环境需校正一次罗差，使用时间越长，系统误差越大，因此磁罗盘校正是保证磁罗盘精度的必要手段。

2、磁罗盘校罗差系数校正算法

2.1磁罗盘的工作原理

磁传感器采用磁电阻来检测空间中的磁感应强度大小。磁场的强弱变化会导致电阻值发生变化，利用惠斯通电桥检测阻值的变化，有外界磁场时，电桥输出的微小电压。通过AD采集电桥输出的电压，量化校准后得到三轴的磁感应强度，以RS422形式输出解算的X、Y、Z三轴磁场数据。

磁传感器工作原理框图见图1。

图1 磁传感器工作原理框图

①三轴磁力计主要由一个单轴磁阻微电路和一个双轴磁阻微电路组成，在外界作用下，磁阻变化引起输出电压变化，并直接表示磁感应强度。

②ADC芯片，用于信号处理、数据处理，内部集成有24位AD、128k字节的闪存、8k字节的SRAM，以及12.58MHz时钟，数据处理速度达20MIPS，可进行数据异步通讯。

③RS422串口芯片用于内外通信。

④电源芯片为ADC提供3.3V和5V电压，为其它芯片提供3.3V电压。

2.2磁罗盘的软件实现

磁罗盘系统软件主要由主函数和中断函数组成。同时又根据不同的需求设计了如图2所示的所有功能模块，以完成向外发送X、Y、Z三轴磁场值的功能。

图3系统软件模块工作流程及状态转换图

（1）磁传感器上电后，首先进行软硬件初始化，完成对RS422串口波特率、起始位、停止位及校验位的初始化；完成AD芯片初始化，完成电压采集AD的初始化配置；初始化全局变量，从FLASH中读取数据，为全局变量中的系数进行赋值；初始化寄存器与定时器，将两者数据清零。

（2）A/D数据采集模块，对X、Y、Z三轴输出的模拟电压值数据进行采样，经过转换后向ARM输出采样电压值的数字信号；A/D数据采集周期为5ms。

（3）当A/D数据采集完成后，进入数据处理模块，在数据处理模块中，先对X、Y、Z三轴输出的模拟电压值数据进行交叉耦合校正，通过参数补偿实现校正后，再对数据进行刻度因数处理，将通过交叉耦合补偿后的X、Y、Z三轴输出模拟电压值转换为X、Y、Z三轴的磁场磁通量数据。

（4）得到X、Y、Z三轴的磁场磁通量数据后将其放入发送缓存区中，通过串口（RS422）向外发送磁传感器的X、Y、Z三轴磁场磁通量数据。

（5）当磁传感器完成罗差标定后，外部会向磁传感器发送X、Y轴零偏值，X、Y轴系数及磁传感器的零偏值。

（6）接收到外部发送的X、Y轴零偏值，X、Y轴系数及磁传感器的零偏值数据后，磁传感器会将相关数据存储至内部FLASH中。

2.3磁罗盘校罗差系数误差模型

磁干扰误差模型采用椭圆误差模型，误差 为：

（1）

其中 为系统实测磁航向值，A、B、C、D、E为误差系数。

修正后的磁航向 为：

（2）

2.4磁罗盘校罗差系数误差系数确定

1、系统使用8位校罗差的方式、确定8个方程，使用最小二乘法确定误差系数。8个方位分别为0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°。每个位置上的得到一个方程，共8个：

其中： 为8个点上的误差；

为8个点上的实测值。

2、用最小二乘法拟合出参数A、B、C、D、E并储存至解算软件中、每次测量时，用式1计算出误差角，再利用式2解算出实际磁航向值。

3、磁罗盘校罗校正效果仿真

采用8点标定方法，假定8点实测值为-6°、37°、80°、122.5°、169°、215°、263°、310，则误差系数分别为-6°、-8°、-10°、-12.5°、-11°、-10°、-7°、-5°，校正后误差分别为0.2529°、0.0421°、-0.4487°、0.6559°、-0.5738°、0.3063°、0.0213°、-0.2560°。

由此可见此方法校正后的磁罗盘误差由5°多的误差降低到0.5°左右，降低了1个数量值，校正效果明显。

4、结束语

磁罗盘应用广泛，应用载体多种多样，其本身的磁环境各不一致，因此，在使用磁罗盘的时候，消除系统固有磁场干扰是系统必要的措施之一。磁罗盘的校正补偿方法也根据标校方法的不同也不经相同，本文的8点校正方法是一种非常经典的磁罗盘罗差校正方法，在我厂多个系列和部分光纤产品中均得到应用。

参考文献

[1]晁敏，蒋东方，文彩虹．磁罗盘误差分析与校准[J]．传感技术学报，2010，23(4)：525—532．

[2]刘诗斌，李宏，冯晓毅．具有自动误差补偿功能的智能磁航向系统[J]．传感器技术，2002，21(12)：23—25．

[3]杨新勇，黄圣国．磁航向测量系统误差修正方法研究[J]．仪器仪表学报，2004，25(4)：466—469．