三维电子罗盘误差分析与模型优化

1. 三维电子罗盘误差分析

影响电子罗盘的误差的因素很多，主要有温度误差、磁传感器误差、罗盘倾斜误差、安装误差和环境磁场引起的磁场变化，又称罗差。由于电子罗盘是根据地磁原理设计的，因此对电子罗盘精度影响最大的是周围环境磁场引起的罗差。理论上来说，电子罗盘在不受外界磁场干扰时，其两轴磁传感器所受到的两个方向的磁场经过相关计算应该满足两轴的输出是一个圆心位于原点的正圆。然而，当存在由硬铁磁场干扰或软铁磁场干扰时，就会造成对电子罗盘的干扰，造成测量角度的偏移，影响姿态角的测量精度(杨新勇和黄圣国，2004)。因此，硬铁磁场干扰或软铁磁场干扰是引起的罗差的主要因素(朱伟，2013)。

(1)硬铁磁场干扰

硬铁磁场干扰是电子罗盘平台或载体上的永磁体或被磁化的钢铁物质引起的，因其磁场强度稳定不变，在位置不变的情况下，硬磁罗差不会随电子罗盘运动的变化而变化，因此输出的姿态角数据误差是固定不变的。

(2)软铁磁场干扰(www.xing528.com)

软铁本身不产生磁场，但容易被周围环境磁场磁化而产生磁场。由于软铁产生的磁场会反过来干扰周围的磁场，同时软铁磁场强度的大小与方向对电子罗盘造成的影响也会不同，因此软铁磁场干扰引起的电子罗盘输出误差是非常难确定的。

2. 三维电子罗盘误差改正

目前市场上出售的电子罗盘，基本上都会提供与产品相关的自标定软件，该软件对相应的产品可以实现电子罗盘平台误差的纠正，同时也可以很好地补偿静态硬铁磁场的干扰。由于软铁磁场干扰的不稳定性、时变性以及对电子罗盘的影响时刻变化，因此固定的误差补偿方法已经不适用了。国内外有研究者针对软铁磁场引起的误差，提出了一些相关的补偿算法，以便保证电子罗盘量测的精度。例如，八方向最小二乘法和椭圆假设法等(杜英，2011)。尤其是张燕(2009)在文献《移动机器人自主定向系统的研究及应用》中使用了美国霍尼韦尔公司生产的HMR3000 型三维电子罗盘，用统计学的方法在三维电子罗盘航向角度为45°时分别采集了该罗盘输出的俯仰角、横滚角和航向角的2 万个数据，将这些姿态角数据分别进行求和，然后除以总的数据个数，就可以得到每个姿态角的平均值，再求取方差σ，最后代入高斯标准分布函数，将绘制出的曲线与标准高斯曲线相比较(张燕，2009)。分析的结果表明：三维电子罗盘的俯仰角、横滚角和航向角均近似的符合高斯模型，即式(10-4)。因此，张燕(2009)得出结论：三维电子罗盘可以用于卡尔曼滤波与惯性导航系统的数据融合。