地磁测量模块系统误差补偿方法研究

郭刚强 高 鹏 王 龙

(西安微电子技术研究所 西安 710054)

地磁测量模块系统误差补偿方法研究

郭刚强 高 鹏 王 龙

(西安微电子技术研究所 西安 710054)

系统误差是影响地磁测量模块工程化应用的关键问题，为了提高解算滚转角的精度，需要对系统误差进行补偿。论文中对零偏误差、灵敏度误差、正交误差等主要系统误差的产生机理进行了分析，提出了相应的补偿方法和软件补偿方案。在转台环境下，通过实验验证了该补偿方法的有效性。

误差机理;误差补偿;实验验证

0 引言

滚转角是描述空中飞行物体姿态的重要参数之一，滚转角的精确测定为空中飞行物体的姿态控制和导航提供了重要的依据。

若要对火箭弹进行弹道控制，首先需要弹体测量系统测量出弹体的运动信息。由于火箭弹转速较快，通常可达到10r/S以上，惯导系统无法正常工作，火箭弹滚转角的获取是一大难点。磁测传感器由于自身的性能优势，非常适用于测量高速旋转飞行体的滚转角。

1 误差分析

以二维磁测传感器为核心研制的地磁模块，在没有误差的情况下，以X轴的输出为横坐标，以Y轴的输出为纵坐标作图，可以在坐标轴上映射出一个圆心在原点的正圆，如图1所示。

地磁模块在工程应用中主要存在以下误差:零偏误差、灵敏度误差、正交误差、安装误差、测量误差、环境磁场影响误差、环境温度影响误差、放大误差、AD采样误差等。这些误差的存在，会使x轴和y轴的输出对应关系并不严格的是圆心在原点的一个圆，我们需要采取相关的措施来消除这些不利影响，以提高地磁模块的解算精度。

安装误差是地磁模块在安装过程中，两条敏感轴所在平面与弹轴方向不严格垂直导致的。在弹体运动过程中，地磁模块敏感平面受力弯曲也会导致该现象。可通过提高安装精度，并使用强度较高的材料作为磁传感器的安装平面来解决该问题。地磁模块的测量误差是由传感器出厂时的精度决定的，只能通过选用更高精度的传感器来减小该项误差。弹体在高空飞行的过程中，周围磁场一般比较稳定，不存在环境磁场的影响，并且飞行时间一般较短，可认为地磁模块温度保持不变，因此可不考虑环境温度的影响。磁传感器输出信号的放大误差，主要是由放大电路中的匹配电阻决定的，选用高精度的电阻，可以有效减小放大误差的影响。为了减小AD采样误差，可以选用高精度的AD转换芯片。

通过以上分析可知，地磁模块在工程应用中需要补偿误差的主要有零偏误差、灵敏度误差、正交误差等，这些误差是在生产磁传感器的过程中就已经固有存在了，并且具有明显的个体差异性。

1.1 零偏误差

如果敏感轴上的磁场强度为0，而传感器的输出不为0时，则会带来零偏误差。零偏误差如图2所示:

X轴和Y轴的零偏为:

1.2 灵敏度误差

当磁阻传感器的两条灵敏轴的灵敏度或者放大倍数不完全一致时，就会产生灵敏度误差，这时输出曲线就是一条椭圆，如图3所示:

1.3 正交误差

正交误差是由于传感器的X轴和Y轴不严格垂直导致的，这时采集到的数据所表现的现象是:Y轴输出为最大时，X轴输出不为0，此时x轴的实际输出为X=Ymax·sinα。如图4所示:

我们假定以X轴的输出为基准，通过给Y轴的输出乘一个比例系数就可以将Y轴的灵敏度为和X轴的灵敏度调整一致。

对此，可以采用下述公式进行补偿:

在实际应用过程中，这几种误差往往同时存在，因此需要找到一种合理的方法，将这些误差消除。

2 软件补偿流程

针对上文提出的误差，在软件上采用如下补偿方案进行消除:

(1)AD的采样频率为100kHz，对X、Y轴的采样数据Mx、My先进行1ms平滑滤波，得到滤波后的数据 Mex、Mey。

(2)生成一个一维数组 Data_BUFx［100］，将前100个Mex存储在该数组中。生成一个100个元素的结构体 EY_orth［100］，将前100组一一对应的Mex和Mey存在该结构体中，每对Mex和Mey作为结构体的一个元素。

(3)将Data_BUFx［100］中的元素从大到小排序，得到更新后的数组Data_BUFx［100］;将EY_orth［100］中的元素按照Mey的大小，从大到小排序，得到更新后的结构体EY_orth［100］。

(4)新生成两个50个元素的一维数组ex_max_buf［50］、ex_min_buf［50］，将 Data_BUFx［100］中的前50个数存在 ex_max_buf［50］中，将 Data_BUFx［100］中的后50 个数存在 ex_min_buf［50］中。

(5)新生成两个50个元素的结构体ey_max_array［50］、ey_min_array［50］，将 EY_orth［100］中的前50个元素存在 ey_max_array［50］中，将EY_orth［100］中的后50个元素存在 ey_min_array［50］中。

(6)连续采数5s，将每个 Mex与 ex_max_buf［50］、ex_min_buf［50］的数据比较大小。如果当前的Mex大于ex_max_buf［50］中的最小值，按顺序插入XMAX［50］数组中;如果当前的Mex小于ex_min_buf［50］中的最大值，按顺序插入 XMIN［50］数组中。将每个 Mey与 ey_max_array［50］、ey_min_array［50］中的Mey比大小。如果当前得到的Mey大于ey_max_array［50］中 Mey的最小值，将当前 Mex、Mey作为一个元素按顺序插入 ey_max_array［50］中;如果当前得到的Mey小于ey_min_array［50］中Mey的最大值，将当前Mex、Mey作为一个元素按顺序插入 ey_min_array［50］中。

(7)去掉 ex_max_buf［50］和 ey_max_array［50］中最大的10个元素，去掉 ex_min_buf［50］和 ey_min_array［50］中最小的10个元素。对ex_max_buf［50］和ex_min_buf［50］中剩余40个元素求平均，得到 Ex_40max、Ex_40min，对 ey_max_array［50］和ey_min_array［50］中剩余40个元素求平均，得到Ey_40max_array.Y 、Ey_40max_array.Y_x 、Ey_40min_array.Y、Ey_40min_array.Y_x

再对Ex_40max和Ex_40min求平均得到Ex，对Ey_40max_array.Y和Ey_40min_array.Y求平均得到Ey_array.Y。

(8)零偏误差:Ex、Ey_array.Y

3 实验验证

将地磁测量模块通过夹具固定在转台上，夹具需要将地磁模块支起距离转台台面至少25cm，以保证地磁模块测量到的磁场不受电机的磁场影响。周围较大范围内需要没有铁磁性物质、高压线和空间电磁场的干扰，以便得到一个稳定的地磁环境。安装时，使地磁模块的两个敏感轴垂直于转台的旋转轴，安装示意图如图5所示。

(1)准备就绪后，调整转台的旋转轴与水平面的夹角为0°，启动转台，待转台转速稳定后开始采集地磁模块两轴输出。采数3min后停止采数软件，并停止转台。

(2)调整俯仰角，分别测试转台的旋转轴与水平面的夹角在－60－60°范围内的输出，每隔10°取一个点，重复上述过程。为了得到可靠的数据，降低实验过程中的随机性，每次采样之间间隔3min，重复实验3次以上。

地磁模块上电后，前5s用于标定。在这5s中，地磁模块旋转数圈，两个敏感轴可以采集至少10个周期的数据，从而保证能够有效的降低采数过程中的随机性。

按照上述试验方案和软件补偿流程，经过这至少十个周期的采样后，数组ex_max_buf［50］中存储了这5s中X轴输出的最大50个数据，ex_min_buf［50］存储了这5s中X轴输出的最小50个数据，结构体ey_max_array［50］中存储了这5s中Y轴输出的最大50个数据以及每个数据所对应的X轴输出，ey_min_array［50］中存储了这5s中Y轴输出的最小50个数据以及每个数据所对应的X轴输出。数据采集过程中有可能存在一些野值，为了避免野值对数据结果的影响，需要剔除以提高数据的有效性。采取的方法是去除ex_max_buf［50］、ey_max_array［50］中的最大10组数据，去除 ex_min_buf［50］、ey_min_array［50］中最小 10 组数据，对剩余的40组数据求平均，从而得到标定过程中需要的未知量。

5s标定完成后，按照前述误差补偿方法，可以对地磁模块的输出值进行实时补偿。下面选择其中一组实验数据为例，以X轴输出为横坐标，Y轴输出为纵坐标，分别作误差补偿前后的图形，如图6所示。通过分析可以看出，补偿方法行之有效。

4 结束语

论文中对正交误差、灵敏度误差、零点误差等主要系统误差的产生机理进行了分析，提出了相应的补偿方法和软件补偿方案，并在工程应用中进行实现。在转台环境下，通过实验验证了该方法行之有效，对于解算精度有明显的提高。

［1］李秉玺，赵忠，孙昭鑫.磁阻传感器的捷联式磁航向仪及误差补偿［J］.传感器技术学报．2003，6(2):191 －192.

［2］杨新勇，黄圣国.磁罗盘的误差分析与验证［J］. 电子科技大学学报 .2004，33(5):547－550.

［3］孙宁.利用磁阻传感器测量飞行体滚转角［D］.南京:南京理工大学.2008.

［4］陈勇巍.基于地磁探测的弹丸滚转角辨识系统关键技术研究［D］.南京:南京理工大学.2007.

［5］向超.旋转弹体背景磁场模型和地磁姿态测试方法研究［D］.南京:南京理工大学.2013.

Compensation Method of System Error in Geomagnetic Measurement Module

Guo Gangqiang，Gao Peng，Wang Long
(Xi'an Microelectronics Technology Institute，Xi'an 710054)

System error is the key problem which affects engineering application of Geomagnetic measurement module.In order to improve roll settlement accuracy，it is necessary to compensate the system error.Generation mechanism of the main systematic errors，such as zero-bias error，sensitivity error and orthogonal error are analyzed;and corresponding compensation methods and software compensation schemes are proposed.Validity/effectiveness of the compensation method is verified by using a turntable.

error mechanism;error compensation;experimental verification

TN957

A

1008-8652(2017)01-020-04

2017-02-06

郭刚强(1986－)，男，硕士研究生。研究方向为电子信息技术。