一种强磁干扰环境下电子罗盘主动补偿方法及系统

1.本发明属于导航、控制系统技术领域，尤其涉及一种强磁干扰环境下电子罗盘主动补偿方法及系统。


背景技术：

2.目前，由于地磁导航技术具有强隐蔽性，误差不随时间累积以及磁传感器功耗低等优点，地磁导航技术在水下导航等领域具有优越的性能。但基于三轴磁力计和三轴加速度计构成的电子罗盘在实际应用中，往往由于载体自身强磁场干扰使磁力计输出饱和，导致电子罗盘航向解算严重失准，无法正常工作，这对电子罗盘在载体上的安装位置和应用场合提出了较为苛刻的要求。载体磁场的干扰主要是来自导航载体上的各种铁磁性物质和电子设备所产生的磁场，这些磁场的来源复杂，其特性与导航载体密切相关，还将随着载体的工作状态、运动姿态的变化而变化。载体强磁场的有效补偿问题对电子罗盘的正常使用至关重要。
3.在导航载体中，能够产生干扰磁场的干扰源有很多，载体干扰磁场的特性复杂，通常认为固定磁场和感应磁场是影响较大的2种主要干扰磁场。固体磁场主要由导航载体上铁磁性物质的剩磁产生，在极短的时间内剩磁产生的磁场不随时间变化，可将其视为匀强磁场。载体的固定磁场很大，比如在钢制载体的近表面，其固定磁场约为104nt量级；大型船舶退磁前的磁场强度约为20gauss。感应磁场是由载体内部软磁材料受地磁场磁化产生，沿地磁场作用方向感应磁场强度最强。
4.目前国内外常用的磁强计补偿方法主要为硬补偿与软补偿两种。硬补偿方法通常是利用外置三维线圈，利用线圈产生磁场补偿强磁干扰。而软补偿方法主要是十二常系数补偿法，地磁标量补偿法，姿态独立补偿法以及椭球(椭圆)拟合法四种。十二常系数补偿法即通过把三轴磁强计的实际输出与真实地磁矢量表示成矩阵关系。在已知当地真实地磁场的情况下，至少改变磁强计的四种姿态位置，根据不同姿态下磁强计的三分量输出，结合姿态角信息即可实现十二个矩阵元素的标定，但需要依赖辅助设备提供姿态信息，且需实时已知不同姿态条件下的真实地磁场信息，实际应用中将大大增加工作量。地磁标量补偿法的思路为：当载体在机动过程中，俯仰角和横滚角的变化幅度较小时，地磁向量在载体坐标系下的方向余弦角可用当地磁倾角、磁偏角以及3个欧拉角表示成三角函数关系，在运载体机动过程中对各项磁场干扰进行分离求解即可实现地磁强度的实时标量补偿，但该方法只是对地磁场总量进行补偿，无法获取补偿后的地磁分量。姿态独立标定法也是利用地磁场总强度对磁强计进行补偿，该方法将磁强计所受的各类误差进行统一整合，减少了需要标定的系数，但在求解系数时，由于目标函数是非线性的，可能存在多个极值。椭球(椭圆)拟合法的基本思路是：理想状态下，三轴磁强计在某固定位置作全姿态机动时，磁强计测得的地磁向量在载体坐标系下的轨迹会约束在一个球面上。该方法不需依赖外部参考基准，可通过参数拟合直接实现地磁三分量补偿；虽然能够获得较高的补偿精度，但需要磁传感器在全姿态下进行数据采集，过程复杂，若三维磁场数据无法拟合成二次曲面，则该方法失
效。
5.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
6.(1)现有磁传感器在采集磁场数据的同时，需要依赖外部设备提供可靠的姿态角数据，且需要实时获取当地的真实地磁场信息，工作量较大。
7.(2)对于车辆、船舶等载体而言，其运动大多为二维平面机动，无法保证磁传感器在全姿态条件下采集数据。
8.(3)当外部磁场干扰较大时，采集的数据中往往包含较多的离群点，求解过程中无法快速收敛，进而降低补偿精度。
9.(4)现有的外置三轴线圈补偿法实时性较差，对电流的精确度和稳定度要求较高，需要可靠的控制系统。
10.解决以上问题及缺陷的难度和意义为：当前的mems电子罗盘虽然大多自带校准机制，但往往只适用于外部磁干扰较小的场合，当外部磁干扰较大时，离群点增多，自校准机制的补偿效果将会下降。同时，当电子罗盘安装于车辆等载体时，由于此时传感器已经与载体固连，无法保证其能在全姿态下完成数据采集。因此，为解决以上问题，需要在误差模型的基础上引入相关方法消除离群点，同时需要搭建相应的控制平台，在不同使用环境中使电子罗盘能够正常工作。在补偿强磁干扰的同时能提高电子罗盘的航向估计精度以及系统的综合性能，并保障了系统的可靠性和鲁棒性。


技术实现要素：

11.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种强磁干扰环境下电子罗盘主动补偿方法及系统，尤其涉及一种mems电子罗盘强磁补偿方法及系统。
12.本发明是这样实现的，一种强磁干扰环境下电子罗盘主动补偿方法针对传统电子罗盘补偿方法存在数据采集过程复杂、无法在强磁干扰下实现高精度补偿等问题，提出了一种强磁干扰环境电子罗盘主动补偿方法。基于m估计的无航向参考补偿与有航向参考补偿对三轴磁强计进行误差建模；在实物线圈的基础上搭建硬件电路；以pxi工控机为数据采集与处理中心，通过压控恒流源为实物线圈提供电流激励，同时利用labview设计控制程序进行三轴磁强计的误差补偿。
13.具体包括以下步骤：
14.步骤一，进行电子罗盘误差分析；
15.步骤二，有航向参考与基于m估计的无航向参考补偿模型的构建；
16.步骤三，利用两种控制补偿算法求解出x，y，z方向的干扰磁场。
17.进一步，所述步骤一中的电子罗盘误差分析包括：
18.(1)制造误差建模
19.在理想状态下，三轴磁强计各测量轴都严格正交，三轴灵敏度均为1且不存在零偏误差，三轴所测得的磁场即为当地地磁场在磁强计坐标系下的投影分量，设理想测量值为m
ex
，m
ey
，m
ez
。实际中由于三轴不正交误差的存在，磁传感器的各测量轴间存在误差角γ
x1
，γ
y1
，γ
z1
；设三测量轴的零偏误差值分别为h
x1
，h
y1
，h
z1
；各测量轴的刻度因子系数分别为k
x
，ky，kz。设此时三轴磁强计的实际输出值为m
x1
，m
y1
，m
z1
，则仅分析制造误差的三轴磁强计误差模型表示为：
[0020][0021]
式中，分别以k1和k2表示刻度因子矩阵和三轴不正交系数矩阵。对各刻度因子、各测量轴间的夹角以及零偏误差值进行标定，实现对制造误差的补偿。
[0022]
三轴不正交误差角都非常小，利用sinγ≈γ，cosγ≈1将矩阵k2做简化处理，简化后的k2矩阵表示为：
[0023][0024]
仅分析制造误差的磁强计误差模型简化为：
[0025][0026]
(2)安装误差建模
[0027]
当三轴磁强计捷联安装于运载体上时，磁传感器的三个测量轴与载体坐标系的三个坐标轴不完全重合，以此引起的非对准测量误差即为安装误差。若仅分析安装误差，相当于在理想状态下将三轴磁强计依次绕其z轴，x轴，y轴转动微小角度：γ
z2
，γ
x2
，γ
y2
。
[0028]
设三轴磁强计的实际输出值为m
x2
，m
y2
，m
z2
，表示成矩阵形式为：
[0029][0030]
式中，ei(i＝x,y,z)表示磁强计围绕各测量轴的旋转矩阵。由于安装误差角为小角度，利用sinγ≈γ，cosγ≈1对所述矩阵进行化简，得到如下简化形式：
[0031][0032]
(3)载体干扰磁场误差建模
[0033]
实验室环境下，磁传感器所受干扰为房间内的电磁干扰。对于运动中的载体而言，磁传感器的干扰主要为载体磁场的干扰与建筑物干扰；载体干扰磁场主要分为硬铁干扰与软铁干扰。硬磁材料一旦被磁化，即使撤除外加磁场，剩磁也不会消失，故载体的硬铁干扰比较稳定，将其视为匀强磁场。
[0034]
在同一载体中往往存在多个硬铁干扰源，与载体相比，mems电子罗盘体积很小，故多个硬铁干扰在磁强计所处位置产生的合成磁场看作是均匀的。由于硬磁材料与运载体固连，当运载体姿态变化时，该合成磁场在载体坐标系三轴的分量是固定不变的，相当于在磁
强计三轴输出上附加一个分量，写成矩阵关系式如下：
[0035][0036]
式中，仅在硬铁干扰下，设三轴磁强计的实际输出值为m
x3
，m
y3
，m
z3
；h
x2
，h
y2
，h
z2
表示磁强计三轴方向的硬铁干扰分量。
[0037]
若假设软铁干扰与被旋转后的磁强计测出的地磁场是线性相关的，且所述干扰磁场系数矩阵是一个3阶的方阵，表示为s
soft
，写成如下的矩阵形式：
[0038][0039]
式中，仅在软铁干扰下，假设三轴磁强计的实际输出值为m
x4
，m
y4
，m
z4
，求解软铁干扰场矩阵各元素即可实现软铁干扰标定。
[0040]
综合各类误差分析，将磁强计的各类误差进行整合。零偏误差与硬铁干扰进行合并，制造误差、安装误差以及软铁干扰三者进行合并，整合后的磁强计误差公式表示为如下形式：
[0041][0042]
其中，m表示磁强计的实际输出，km表示制造误差矩阵，ei表示安装误差矩阵，有如下关系：
[0043][0044]
由公式可知，对u矩阵与h矩阵中的12个参数进行标定，进而实现三轴磁强计的误差补偿。
[0045]
进一步，所述步骤二中的有航向参考补偿方法包括：
[0046]
通过利用低成本测向天线，引入外部航向求解各轴向强磁干扰，设三轴磁强计实际输出值为m
x
，my，mz，各轴向干扰磁场大小为δm
x
，δmy，δmz；强磁干扰下mems电子罗盘解算的干扰航向角为ψ，天线航向角为ψ
′
；理想状态下，假设三轴磁强计解算的航向角和天线航向角相等，已进行磁偏角修正；在相同时刻下，根据干扰航向角与天线航向角的差值建立等式关系：
[0047][0048]
获得相应的最小二乘等式，完成求解。
[0049]
进一步，所述步骤二中的基于m估计的无航向参考补偿方法包括：
[0050]
引入m估计算法，通过为不同的权值分配消除离群点的影响；m估计方法通过迭代加权的方法确定最小二乘回归系数，进而完成权值分配，使估计值趋于稳定；最小二乘拟合通过使观测值与量测值的残差平方和最小确定最佳拟合参数，此时离群点对估计结果的影响远大于正常点；利用m估计法，为离群点分配很小的权值，用于消除离群点对估计结果的影响：
[0051][0052]
式中，ξ表示残差函数，δri表示残差；表示残差稳定估计值，在对进行估计时，对残差进行标准化，用于保证m估计的参数观测量无关。
[0053]
实际应用中，表示为如下形式：
[0054][0055]
式中，mad表示绝对离差中位数mad。
[0056]
将权重函数定义为如下形式：
[0057][0058]
矩阵形式运算中，m估计表示为如下形式：
[0059]
x
t
(we)xη＝x
t
(we)y
[0060]
迭代形式表示为：
[0061][0062]
式中，we表示权值对角矩阵，η表示待估计参数向量，x与y分别表示自变量矩阵与因变量向量。
[0063]
进一步，所述步骤三中的利用两种控制算法求解出x，y，z方向的干扰磁场包括：
[0064]
将三轴线圈用于电子罗盘的强磁干扰补偿，在硬件电路中采用压控恒流源为线圈提供电流，将电流控制问题转换为电压控制问题，通过建立干扰磁场与压控恒流源输入电压的关系，对干扰磁场进行补偿。
[0065]
理想情况下，若三轴圆柱形helmholtz线圈产生的补偿磁场恰好能抵消三轴磁强计的干扰磁场，则得到以下补偿电流关系式：
[0066][0067]
式中，r表示线圈半径，t表示线圈厚度，l表示一对线圈的最佳间距，c为线圈匝数，μ0＝4π
×
10-7
h/m，表示真空磁导率。线圈的补偿电流等于压控恒流源的输出电流：
[0068][0069]
式中，r0表示压控恒流源中采样电阻的大小，ui表示各轴向压控恒流源输入电压大小。则压控恒流源输入电压与干扰磁场的关系表示为：
[0070][0071]
在已知补偿线圈各参数以及压控恒流源采样电阻后，问题的关键即是求解mems电子罗盘各轴向干扰磁场的大小。
[0072]
对于有航向参考补偿问题，将步骤二中有航向参考方法的等式进行展开，各姿态角的三角函数关系均为已知量，移项后由方程两端的等式可知，方程左边仅含δm
x
，δmy与δmz三个未知变量，方程右边为一个常数，表示为：
[0073][0074]
当样本点超过三个时，利用最小二乘法使达到最小值，则求出磁强计的三轴磁场干扰量。
[0075]
对于无航向参考补偿问题，在磁传感器误差分析的基础上，利用椭球拟合进行误差建模。使用所述m估计方法对椭球拟合参数进行迭代，以获取最优拟合参数，进而求得干扰磁场。
[0076]
本发明的另一目的在于提供一种应用所述的强磁干扰环境下电子罗盘主动补偿方法的强磁干扰环境下电子罗盘主动补偿系统，所述强磁干扰环境下电子罗盘主动补偿系统的pxi工控机为核心，利用labview开发控制程序，采集各设备和传感器的数据；在该环境中调用matlab程序解算补偿电压，并通过工控机中的多功能数据采集卡输出至压控恒流源，通过恒流源激励三轴线圈产生补偿磁场，抵消三轴方向的强磁干扰。
[0077]
本发明的另一目的在于提供一种应用所述的强磁干扰环境下电子罗盘主动补偿方法的强磁干扰环境下电子罗盘主动补偿试验设备，所述强磁干扰环境下电子罗盘主动补偿试验设备包括实验装置支架、九轴mimu、光纤捷联惯导、测向天线、ni-pxi工控机、压控恒
流源、三轴线圈以及若干连接线缆。
[0078]
所述实验装置支架，用于实现实验设备的快速拆装，同时使用机械加工方法令光纤惯导、测向天线、线圈以及电子罗盘的轴线重合；
[0079]
所述九轴mimu代替被补偿电子罗盘，并安装于三轴线圈中央，传感器的三个坐标轴与线圈各轴的轴线重合；所述工控机用于采集数据和实现控制算法。
[0080]
本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
[0081]
进行电子罗盘误差分析；有航向参考与基于m估计的无航向参考补偿模型的构建；利用两种控制补偿算法求解出x，y，z方向的干扰磁场。
[0082]
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
[0083]
进行电子罗盘误差分析；有航向参考与基于m估计的无航向参考补偿模型的构建；利用两种控制补偿算法求解出x，y，z方向的干扰磁场。
[0084]
本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述的强磁干扰环境下电子罗盘主动补偿系统。
[0085]
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提供的强磁干扰环境下电子罗盘主动补偿方法包括有航向参考补偿控制算法和基于m估计的无航向参考补偿控制算法，通过外置三轴线圈补偿电子罗盘所受的强磁干扰，具体涉及一种mems电子罗盘强磁补偿方法、控制系统及相关设备。
[0086]
本发明提出一种强磁干扰环境下电子罗盘主动补偿技术，利用外置三轴线圈补偿电子罗盘的强磁干扰，具体提出有航向参考与无航向参考两种补偿方法。有航向参考法通过引入外部设备的航向信息参与补偿解算，同时基于m估计设计了无航向参考补偿方法。通过搭建硬件补偿电路，使用压控恒流源为线圈提供电流激励，并利用labview设计控制程序，实现数据采集与干扰磁场解算。与传统磁传感器补偿方法相比，该方法主要有以下优势：(1)在外部磁干扰较大时，仍能实现电子罗盘的较高精度补偿；(2)不依赖于载体运动情况与电子罗盘工作环境，环境适应能力较强。
附图说明
[0087]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0088]
图1是本发明实施例提供的强磁干扰环境下电子罗盘主动补偿方法流程图。
[0089]
图2是本发明实施例提供的强磁干扰环境下电子罗盘主动补偿方法连接原理图。
[0090]
图3是本发明实施例提供的测向天线示意图。
[0091]
图4是本发明实施例提供的labview程序框图。
[0092]
图5是本发明实施例提供的车载试验轨迹示意图。
[0093]
图6是本发明实施例提供的8位置试验实施方案示意图。
[0094]
图7是本发明实施例提供的未添加外部磁干扰时的航向误差示意图。
[0095]
图8是本发明实施例提供的不同位置下外部干扰磁场总量变化示意图。
[0096]
图9是本发明实施例提供的某位置下补偿前的航向误差对比示意图。
[0097]
图10(a)～(h)是本发明实施例提供的两种方法各位置下磁场补偿对比图。
[0098]
图11(a)～(h)是本发明实施例提供的两种方法各位置下航向角解算误差对比示意图。
具体实施方式
[0099]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0100]
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种强磁干扰环境下电子罗盘主动补偿方法及系统，下面结合附图对本发明作详细的描述。
[0101]
如图1所示，本发明实施例提供的强磁干扰环境下电子罗盘主动补偿方法包括以下步骤：
[0102]
s101，进行电子罗盘误差分析；
[0103]
s102，有航向参考与基于m估计的无航向参考补偿模型的构建；
[0104]
s103，利用两种控制补偿算法求解出x，y，z方向的干扰磁场。
[0105]
本发明实施例提供的强磁干扰环境下电子罗盘主动补偿方法原理图见图2。
[0106]
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
[0107]
实施例1
[0108]
本发明提出了一种强磁干扰环境中的电子罗盘主动补偿技术，通过外置三轴线圈补偿电子罗盘所受的强磁干扰。具体涉及一种mems电子罗盘强磁补偿方法、控制系统及相关设备。
[0109]
本发明中的电子罗盘强磁补偿方法包括：有航向参考补偿控制算法和基于m估计的无航向参考补偿控制算法。
[0110]
进一步，mems电子罗盘强磁补偿方法包括以下步骤：
[0111]
步骤一，进行电子罗盘误差分析；
[0112]
步骤二，有航向参考与基于m估计的无航向参考补偿模型的构建；
[0113]
步骤三，利用两种控制补偿算法求解出x，y，z方向的干扰磁场。
[0114]
进一步，步骤一中所述对电子罗盘进行误差分析，包括：
[0115]
(1)制造误差建模
[0116]
在理想状态下，三轴磁强计各测量轴都严格正交，三轴灵敏度均为1且不存在零偏误差，三轴所测得的磁场即为当地地磁场在磁强计坐标系下的投影分量，设理想测量值为m
ex
，m
ey
，m
ez
。实际中由于三轴不正交误差的存在，磁传感器的各测量轴间存在误差角γ
x1
，γ
y1
，γ
z1
；设三测量轴的零偏误差值分别为h
x1
，h
y1
，h
z1
；各测量轴的刻度因子系数分别为k
x
，ky，kz。设此时三轴磁强计的实际输出值为m
x1
，m
y1
，m
z1
，则仅分析制造误差的三轴磁强计误差模型可表示为如下形式：
[0117][0118]
上式中，分别以k1和k2表示刻度因子矩阵和三轴不正交系数矩阵。只要能对各刻度因子、各测量轴间的夹角以及零偏误差值进行标定，就可实现对制造误差的补偿。
[0119]
一般情况下，三轴不正交误差角都非常小，利用sinγ≈γ，cosγ≈1可将矩阵k2做简化处理，简化后的k2矩阵可表示为：
[0120][0121]
此时，仅分析制造误差的磁强计误差模型可简化为：
[0122][0123]
(2)安装误差建模
[0124]
当三轴磁强计捷联安装于运载体上时，磁传感器的三个测量轴与载体坐标系的三个坐标轴不完全重合，以此引起的非对准测量误差即为安装误差。若仅分析安装误差，即相当于在理想状态下将三轴磁强计依次绕其z轴，x轴，y轴转动微小角度：γ
z2
，γ
x2
，γ
y2
。
[0125]
此时，设三轴磁强计的实际输出值为m
x2
，m
y2
，m
z2
，表示成矩阵形式为：
[0126][0127]
上式中，ei(i＝x,y,z)表示磁强计围绕各测量轴的旋转矩阵。同理，由于安装误差角为小角度，利用sinγ≈γ，cosγ≈1对上述矩阵进行化简，可得到如下简化形式：
[0128][0129]
(3)载体干扰磁场误差建模
[0130]
实验室环境下，磁传感器所受干扰主要为房间内的电磁干扰。对于运动中的载体而言，磁传感器的干扰主要为载体磁场的干扰与建筑物(如发电站)干扰。载体干扰磁场主要分为硬铁干扰与软铁干扰。硬磁材料一旦被磁化，即使撤除外加磁场，剩磁也不会消失，因此载体的硬铁干扰比较稳定，可将其视为匀强磁场，补偿也相对简单。
[0131]
在同一载体中往往存在多个硬铁干扰源，尽管这些干扰源所产生的硬铁干扰大小与方向都不相同，但与载体相比，mems电子罗盘体积很小，因此多个硬铁干扰在磁强计所处位置产生的合成磁场可看作是均匀的。与此同时，由于硬磁材料与运载体固连，当运载体姿
态变化时，该合成磁场在载体坐标系三轴的分量也是固定不变的，相当于在磁强计三轴输出上附加了一个分量，写成矩阵关系式如下：
[0132][0133]
上式中，仅在硬铁干扰下，设三轴磁强计的实际输出值为m
x3
，m
y3
，m
z3
。h
x2
，h
y2
，h
z2
表示磁强计三轴方向的硬铁干扰分量。
[0134]
软铁干扰即是环境磁场与软磁材料相互作用而产生的感应磁场，与硬铁干扰不同，在没有外部磁场干扰时，软铁干扰将会消失。相关研究表明，在某一方向外加磁场时，在该方向所产生的感应磁场最强，另外两个方向的磁场则较弱。软铁干扰不仅与软磁材料自身特性相关，同时与环境磁场的大小与方向有关。因此软铁干扰对mems电子罗盘的影响复杂，补偿较为困难。在载体坐标系下，感应磁场将随着载体的姿态变化而变化。
[0135]
若假设软铁干扰与被旋转后的磁强计测出的地磁场是线性相关的，且这个干扰磁场系数矩阵是一个3阶的方阵，表示为s
soft
，可写成如下的矩阵形式：
[0136][0137]
上式中，仅在软铁干扰下，假设三轴磁强计的实际输出值为m
x4
，m
y4
，m
z4
，求解软铁干扰场矩阵各元素即可实现软铁干扰标定。
[0138]
综合上述各类误差分析，可将磁强计的各类误差进行整合。零偏误差可与硬铁干扰进行合并，制造误差、安装误差以及软铁干扰三者可进行合并，整合后的磁强计误差公式可表示为如下形式：
[0139][0140]
其中，m表示磁强计的实际输出，km表示制造误差矩阵，ei表示安装误差矩阵，有如下关系：
[0141][0142]
由上式可知，只要对u矩阵与h矩阵中的12个参数进行标定，即可实现三轴磁强计的误差补偿。
[0143]
进一步，步骤二中所述有航向参考补偿方法包括：
[0144]
通过利用低成本测向天线，引入外部航向求解各轴向强磁干扰，此处设三轴磁强计实际输出值为m
x
，my，mz，各轴向干扰磁场大小为δm
x
，δmy，δmz；强磁干扰下mems电子罗盘解算的干扰航向角为ψ，天线航向角为ψ
′
。理想状态下，假设三轴磁强计解算的航向角和
天线航向角相等(此时已进行了磁偏角修正)。在相同时刻下，根据干扰航向角与天线航向角的差值建立等式关系：
[0145][0146]
最后可获得相应的最小二乘等式，完成求解。
[0147]
进一步，步骤二中基于m估计的无航向参考补偿方法包括：
[0148]
通过设置约束条件可避免最小二乘观测方程的病态问题，但当外部磁场干扰较大时，量测信息中难免出现离群点。为解决离群点的问题，本发明引入m估计算法，通过为不同的权值分配消除离群点的影响。
[0149]
m估计(maximum likelihood type estimates，m-estimates)是1964年由huber提出的，是最常用的稳健估计方法。该方法通过迭代加权的方法确定最小二乘回归系数，进而完成权值分配，使估计值趋于稳定。常规最小二乘拟合通过使观测值与量测值的残差平方和最小确定最佳拟合参数，此时离群点对估计结果的影响远大于正常点。利用m估计法，为离群点分配很小的权值，以此消除离群点对估计结果的影响。
[0150][0151]
上式中，ξ表示残差函数，δri表示残差。表示残差稳定估计值，在对进行估计时，需要对残差进行标准化，即以此保证m估计的参数观测量无关。实际应用中，通常表示为如下形式：
[0152][0153]
上式中，mad表示绝对离差中位数(median absolute deviation，mad)。
[0154]
这里把权重函数定义为如下形式：
[0155][0156]
矩阵形式运算中，m估计可表示为如下形式：
[0157]
x
t
(we)xη＝x
t
(we)y
[0158]
迭代形式可表示为：
[0159][0160]
上式中，we表示权值对角矩阵，η表示待估计参数向量，x与y分别表示自变量矩阵与因变量向量。
[0161]
进一步，步骤三中，利用两种控制算法求解出x，y，z方向的干扰磁场，具体包括：
[0162]
将三轴线圈用于电子罗盘的强磁干扰补偿，为解决线圈电流的实时控制问题，在硬件电路中，采用压控恒流源为线圈提供电流。这样就将电流控制问题转换为电压控制问题，通过建立干扰磁场与压控恒流源输入电压的关系，即可对干扰磁场进行补偿。
[0163]
理想情况下，若三轴圆柱形helmholtz线圈产生的补偿磁场恰好能抵消三轴磁强计的干扰磁场，则可得到以下补偿电流关系式：
[0164][0165]
上式中，r表示线圈半径，t表示线圈厚度，l表示一对线圈的最佳间距，c为线圈匝数，μ0＝4π
×
10-7
h/m，表示真空磁导率。此时，线圈的补偿电流等于压控恒流源的输出电流，即：
[0166][0167]
上式中，r0表示压控恒流源中采样电阻的大小，ui表示各轴向压控恒流源输入电压大小。则压控恒流源输入电压与干扰磁场的关系可表示为：
[0168][0169]
因此，在已知补偿线圈各参数以及压控恒流源采样电阻后，问题的关键即是求解mems电子罗盘各轴向干扰磁场的大小。
[0170]
进一步，对于有航向参考补偿问题，将步骤二中有航向参考方法的等式进行展开，各姿态角的三角函数关系均为已知量，移项后由方程两端的等式可知，方程左边仅含δm
x
，δmy与δmz三个未知变量，方程右边为一个常数，可表示为如下形式：
[0171][0172]
当样本点超过三个时，利用最小二乘法使达到最小值，则可求出磁强计的三轴磁场干扰量。
[0173]
对于无航向参考补偿问题，在磁传感器误差分析的基础上，利用椭球拟合进行误差建模。使用上述m估计方法对椭球拟合参数进行迭代，以获取最优拟合参数，进而求得干扰磁场。具体实施方案将结合实例做进一步说明。
[0174]
本发明的另一目的在于提高相关试验设备，包括某型号九轴mimu，某型号光纤捷联惯导，某型号低成本测向天线，ni-pxi工控机，压控恒流源，三轴线圈，以及若干连接线缆等。
[0175]
九轴mimu代替被补偿电子罗盘，并安装于三轴线圈中央，传感器的三个坐标轴与线圈各轴的轴线重合。工控机用于采集数据和实现控制算法。
[0176]
本发明的另一目的在于提供一种强磁补偿控制系统。pxi工控机为该系统的核心，利用labview开发控制程序，采集各设备和传感器的数据，在此基础上，在该环境中调用matlab程序解算补偿电压，并通过工控机中的多功能数据采集卡输出至压控恒流源，通过恒流源激励三轴线圈产生补偿磁场，抵消三轴方向的强磁干扰。
[0177]
本发明的另一目的在于提供一种实验装置支架。由于补偿方法所用仪器设备较多，该支架可实现实验设备的快速拆装。同时使用机械加工方法令光纤惯导、测向天线、线圈以及电子罗盘的轴线重合，尽量减小安装误差角。因此在实际应用中，安装误差可忽略不计。
[0178]
结合上述技术方案，本发明提出一种强磁干扰环境下电子罗盘主动补偿技术，利用外置三轴线圈补偿电子罗盘的强磁干扰，具体提出有航向参考与无航向参考两种补偿方法。有航向参考法通过引入外部设备的航向信息参与补偿解算，同时基于m估计设计了无航向参考补偿方法。通过搭建硬件补偿电路，使用压控恒流源为线圈提供电流激励，并利用labview设计控制程序，实现数据采集与干扰磁场解算。与传统磁传感器补偿方法相比，该方法主要有以下优势：(1)在外部磁干扰较大时，仍能实现电子罗盘的较高精度补偿；(2)不依赖于载体运动情况与电子罗盘工作环境，环境适应能力较强。
[0179]
实施例2
[0180]
1、发明概述
[0181]
单独的电子罗盘通常由三轴磁强计和三轴加速度计构成。由于传感器自身误差、环境强磁场干扰等因素可能使其内置的三轴磁强计输出趋于饱和，此时电子罗盘的航向估计将严重失准，导致电子罗盘无法正常工作。因此必须对其进行误差建模补偿。传统的软补偿方法往往由于无法获取补偿地磁分量，或在求解时存在多个极值以及数据采集过程复杂等因素，局限性较大；且在外部磁干扰较大时，无法对电子罗盘实现高精度补偿。
[0182]
为了解决上述问题，本发明提出了一种强磁干扰环境中的电子罗盘主动补偿技术，通过外置三轴线圈补偿电子罗盘所受的强磁干扰。重点介绍了有航向参考与基于m估计的无航向参考两种补偿方法。在三轴线圈的基础上，搭建补偿硬件电路，使用压控恒流源为线圈提供电流激励，同时利用labview设计控制程序。最后通过车载试验，比较补偿前后电子罗盘解算的航向角与基准航向角间的误差，对所提方案的可行性与补偿精度进行综合评估验证。与传统磁传感器补偿方法相比，本发明主要有以下优势：(1)在外部磁干扰较大时，仍能实现电子罗盘的较高精度补偿；(2)不依赖于载体运动情况与电子罗盘工作环境，环境适应能力较强。
[0183]
本发明的结构安排如下：第二节在前文误差分析的基础上，利用椭球拟合法进行误差建模，同时具体介绍两种补偿算法的原理以及试验中求取干扰磁场的步骤；第三节介绍控制系统的构成，包括相关硬件设备指标以及labview控制程序的设计；第四节通过车载试验对所提方法进行了验证；第五节对试验结果进行了总结讨论。
[0184]
2、补偿控制算法
[0185]
运用外置三轴线圈对电子罗盘所受强磁干扰进行补偿时，采用压控恒流源为线圈提供电流，将电流控制问题转换为电压控制问题，通过建立干扰磁场与压控恒流源输入电压的关系，即可对干扰磁场进行补偿。在已知补偿线圈各参数以及压控恒流源采样电阻后，问题的关键即是求解mems电子罗盘各轴向干扰磁场的大小。
[0186]
2.1椭球补偿模型
[0187]
椭球拟合的基本思想是运用带有椭球约束的最小二乘法拟合二次曲面求取形状参数，对磁强计进行反运算以实现地磁补偿的目的。由前文误差分析内容可知，补偿后磁强计的输出为：
[0188]
me＝u-1
(m-h)
[0189]
理想状态下，三轴磁强计标定后的输出总量应当与当地的地磁场总量相等，对上式等号两边同时取2范数，则有：
[0190]
||me||2＝||u-1
(m-h)||2＝const
[0191]
将上式的等号两边同时取平方后展开，整理后可得：
[0192]
const
2-||u-1
(m-h)||
22
＝c1(m
x
)2 c2(my)2 c3(mz)2 2c4m
xmy
2c5m
xmz
2c6m
ymz
2c7m
x
2c8my 2c9mz c
10
[0193]
上式表示椭球方程，m
x
，my，mz表示磁强计三轴输出值，由磁强计三轴输出为坐标所得到的三维空间点将被约束在一个椭球面上。将上式进行归一化，可得到如下方程：
[0194]
d1(m
x
)2 d2(my)2 d3(mz)2 2d4m
xmy
2d5m
xmz
2d6m
ymz
2d7m
x
2d8my 2d9mz＝1
[0195]
假设在空间中采集n组三轴磁强计输出数据，由每一组三维输出值构成的观测方程可组成线性方程组，即：
[0196]
dε＝e
[0197]
上式中：
[0198][0199]
ε＝[d
1 d
2 d
3 d
4 d
5 d
6 d
7 d
8 d9]
t
[0200][0201]
通常，三轴磁强计的n组输出数据构成的观测方程数目远大于需求解的未知参数的个数，同时，磁强计输出数据都包括量测噪声。因此，最小二乘方程可能不再相容，得到的最小二乘解可能不是最优的。此外，在大多数情况下，水平面内的车体运动过程中，横滚角与俯仰角的变化都很小，导致垂向采集的磁场数据无法被充分使用，因此，此时的测量数据不能实现空间中三轴磁强计的补偿。在这种情况下，直接利用椭球拟合算法无法获得稳定的最小二乘解，即拟合参数表示的二次曲面不是椭球。这里本发明采用带约束的二次曲面拟合求解拟合参数。
[0202]
为寻找到理想椭球，则要使得以下成本函数最小：
[0203]
minε
tft
fε
[0204]
此时将矩阵f与参数向量ε表示为如下形式：
[0205][0206]
ε＝[f
1 f
2 f
3 f
4 f
5 f
6 f
7 f
8 f
9 f
10
]
t
[0207]
设置约束条件为：4f1f
2-f2f2＝1，利用条件极值下的拉格朗日乘数法，引入待定参数λ，当满足成本函数关系式时，可得到以下关系：
[0208][0209]
上式中，矩阵g可写为：
[0210][0211]
此时，f
t
fε＝λgε有且仅有一个广义特征值λf≥0，该特征值对应的特征向量即为最佳二次曲面拟合参数。为方便求解，将矩阵f分块，其二次项系数单独列为一部分，即：
[0212][0213]
同理，将对应的分块矩阵与特征向量也应进行分解：
[0214][0215][0216]
将约束条件关系式进行展开可得：
[0217][0218]
若要令z
22
为奇异矩阵，必须使所有的数据点都处于拟合平面上，而此时无法获得二次曲面拟合参数。因此，其他情况下若要求得椭圆拟合参数，z
22
必为非奇异矩阵，此时有：
[0219][0220]
将约束条件进行改写，可得：
[0221][0222]
由于g1矩阵可逆，将其整理可得：
[0223][0224]
求解矩阵对应的特征值，由上述分析可知，求取相应的特征值对应的特征向量，结合ε1和ε2即可求得ε，该向量即为约束条件下的二次曲面拟合参数。
[0225]
2.2基于m估计的无航向参考补偿控制算法
[0226]
通过设置约束条件可避免最小二乘观测方程的病态问题，但当外部磁场干扰较大时，量测信息中难免出现离群点，此时参数向量ε中的元素可能不是最佳椭圆拟合参数。利用带约束条件的拉格朗日乘数法无法消除异常数据带来的影响。为解决离群点的问题，引入m估计算法，通过为不同的权值分配消除离群点的影响。
[0227]
m估计是1964年由huber提出的，是最常用的稳健估计方法。该方法通过迭代加权的方法确定最小二乘回归系数，进而完成权值分配，使估计值趋于稳定。常规最小二乘拟合通过使观测值与量测值的残差平方和最小确定最佳拟合参数，此时离群点对估计结果的影响远大于正常点。利用m估计法，为离群点分配很小的权值，以此消除离群点对估计结果的影响。
[0228][0229]
上式中，ξ表示残差函数，δri表示残差。表示残差稳定估计值，在对进行估计时，需要对残差进行标准化，即以此保证m估计的参数观测量无关。实际应用中，通常表示为如下形式：
[0230][0231]
上式中，mad表示绝对离差中位数。
[0232]
本发明把权重函数定义为如下形式：
[0233][0234]
矩阵形式运算中，m估计可表示为如下形式：
[0235]
x
t
(we)xε＝x
t
(we)y
[0236]
其迭代形式为：
[0237][0238]
上式中，we表示权值对角矩阵，η表示待估计参数向量，x与y分别表示自变量矩阵与因变量向量。
[0239]
将m估计法应用到电子罗盘强磁干扰补偿中，步骤如下：
[0240]
(1)将电子罗盘安装固定于线圈，线圈与航向基准设备安装固定于底座，启动设备并设置尽可能高的采样频率，以秒为单位采集多个数据点传输到pxi工控机，此时无需利用测向天线的航向角进行解算。施加外部强磁干扰后，开始车载试验。
[0241]
(2)收集电子罗盘的磁场信息后，先通过带约束条件最小二乘法得到的参数ε
(0)
作为m估计的迭代初值。根据得到的估计参数ε
(k)
计算出各数据点的残差，组成残差向量δr
(k)
。计算残差稳定估计值从而完成残差向量的标准化。
[0242]
(3)得到标准化残差后，将其代入权值函数中获得估计参数的权值，进而组成权值矩阵(we)
(k)
。
[0243]
(4)对估计参数进行更新，得到下一时刻的参数。
[0244]
(5)将相邻时刻获得的估计参数代入地磁总量补偿模型，当磁场总量误差足够小时停止迭代；同时为确保计算时间，设为1s内最大迭代次数为1000，获得最终估计参数。
[0245]
(6)利用椭球拟合法求得补偿矩阵与固定磁场分量，进而求得各方向的干扰磁场大小。
[0246]
(7)利用8位置法，从不同位置施加干扰磁场，重复上述实验过程。
[0247]
2.3有航向参考补偿控制算法
[0248]
通过利用低成本测向天线，引入外部航向求解各轴向强磁干扰，此处设三轴磁强计实际输出值为m
x
，my，mz，各轴向干扰磁场大小为δm
x
，δmy，δmz；强磁干扰下mems电子罗盘解算的干扰航向角为ψ，天线航向角为ψ
′
。在相同时刻下，根据干扰航向角与天线航向角的差值建立等式关系：
[0249][0250]
其中：
[0251][0252][0253][0254]
将俯仰角β和横滚角α的三角函数关系表示为如下形式：
[0255][0256]
进一步地，将等式进行展开，移项后，方程左边为：
[0257][0258]
方程右边为：
[0259]
θm
x
[ο6m
x
ο8my ο7mz] θmy[ο8m
x
(ο6 ο9)my (ο
10-ο
13
)mz] θmz[ο7m
x
(ο
9-ο
13
)my (ο
11
ο
14
)mz]-m
x
(ο1m
y-ο4mz) my(ο1m
x
(ο3 ο5)mz)-mz(ο4m
x
(ο3 ο5)my)
[0260]
由方程两端的等式可知，方程左边仅含δm
x
，δmy与δmz三个未知变量，方程右边为一个常数，因此将方程左右合并后可写为：
[0261][0262]
当样本点超过三个时，利用最小二乘法使达到最小值，则可求出磁强计的三轴磁场干扰量。将电子罗盘与低成本测向天线设置成相同的采样频率，在1s内采集多个数据点进行拟合解算，即可以秒为单位求解干扰磁场，进而求解对应时刻补偿电压，实现强磁干扰补偿。
[0263]
具体实验步骤为：
[0264]
(1)将补偿用电子罗盘安装固定于三轴线圈中央，使电子罗盘的x坐标轴与x轴线圈轴线重合。将线圈、测向天线与航向基准设备通过机械加工的方法固定在底座上，减小安装误差角。
[0265]
(2)电路连接完毕后，通电，启动电子罗盘等设备。
[0266]
(3)保证电子罗盘、测向天线与航向基准设备工作在相同的采样频率下，同时设置尽可能高的采样频率与波特率，在1秒内采集尽量多的数据点，削减时间不同步误差。
[0267]
(4)利用磁铁对电子罗盘施加强磁干扰，开始车载试验。
[0268]
(5)车载试验中，将各设备的数据共同发送到pxi工控机进行接收。
[0269]
(6)在pxi工控机的labview环境中调用matlab程序，计算对应时刻测向天线的航向角与电子罗盘航向角的差值，在1s内使用多个数据点进行解算，求解对应时刻三轴干扰磁场大小。
[0270]
(7)通过8位置法在不同位置施加外部干扰，重复第4～6步。
[0271]
综上所述，强磁干扰补偿原理如图2所示。
[0272]
3、控制系统
[0273]
整个系统以pxi工控机为核心，完成数据采集与处理。强磁干扰下，将各传感设备的数据传递到pxi工控机，在labview环境中调用matlab程序解算出各轴向干扰磁场，进而求得三轴方向不同时刻下的补偿电压大小，由pxi工控机的多功能数据数据采集卡输出模拟电压。
[0274]
电压控制模块中，多功能数据采集卡通过其接插件将电压输送至压控恒流源输入端，开关电源为恒流源供电。压控恒流源输出端电流用以激励三轴线圈，产生补偿磁场抵消强磁干扰。
[0275]
3.1控制系统硬件构成
[0276]
除去补偿用mems电子罗盘之外，强磁干扰综合补偿试验所用到的主要硬件有：三
轴补偿线圈、gpscompass450q低成本测向天线、xw-gi7660光纤惯导、ni-pxi系列工控机、plz-vi压控恒流源以及lm2596开关电源，mems电子罗盘由3dm-gx3-25传感器替代。现在对主要设备进行简单介绍。
[0277]
(1)mems电子罗盘
[0278]
使用9轴mems传感器3dm-gx3-25作为试验电子罗盘。其三轴磁强计测量范围为
±
2.5gauss，分辨率为0.001gauss。该型号九轴传感器不仅可测量磁场数据，而且可以敏感各姿态角信息。
[0279]
(2)三轴补偿线圈
[0280]
在三轴补偿线圈中心区域制造支座，用来安装固定mems电子罗盘，使得电子罗盘中心与三轴线圈中心重合，电子罗盘各测量轴与线圈对应轴线重合，以此减小安装误差。线圈骨架与外壳采用树脂材料制作，安全绝缘，实物定型为标准helmholtz线圈结构，尺寸为235mm
×
235mm
×
245mm。
[0281]
经过测试，线圈中央20mm
×
20mm
×
20mm区域内，磁场稳定性误差小于1％，磁场总量最大误差约为200nt，满足实际补偿需求。
[0282]
(3)某型号低成本测向天线
[0283]
如图3所示，该测向天线可以广泛地应用在各种车辆、无人船、行走机械、机器人等载体上。该产品集成了三个天线，利用载波频率和载波相位来确定载体真航向，因此其性能不受速度、经纬度和地磁场等的影响。该型号产品的定位精度可达2m，动态航向精度优于0.8
°
。
[0284]
(4)某型号光纤惯导
[0285]
光纤惯导用于提供基准航向，补偿后电子罗盘解算的航向角与基准航向进行对比。该型号光纤惯导的动态航向精度优于0.05
°
，同时采用多传感器信息融合技术，导航定位精度得到了进一步提升。本实施例中，将光纤惯导与电子罗盘设置相同采样频率为100hz，波特率设置为115200bps。
[0286]
(5)ni-pxi工控机
[0287]
工控机作为数据采集与处理中心，同时通过其中的daq多功能数据采集卡提供电压输出。该工控机中包括ni pxi-1042q机箱一个，ni pxi-8105嵌入式控制器一个，ni pxi-8433/2通讯卡一块，ni pxi-5112示波器模块卡一块，ni pxi-5412信号发生器板卡一块，以及ni pxi-6225数据采集卡2块，附带2块scsi 68p接线板。利用ni pxi-6225采集卡输出的电压作为恒流源的输入量，每块采集卡有两个通道用于输出直流电压，输出范围是
±
10v。
[0288]
(6)某型号压控恒流源
[0289]
pxi工控机数据采集卡用于输出模拟电压，恒流源将电压信号转换为补偿线圈可用的电流信号。恒流源最大可输出500ma直流电。
[0290]
经测试，恒流源的输出电流稳定度在100，150，200，250，300ma对应的电流稳定度分别为：3.39e-6，5.00e-6，6.39e-6，4.61e-2，4.39e-2ma
·
h-1
，满足使用需求。
[0291]
由上述器件，结合原理图2搭建试验装置。
[0292]
该装置为支架形式，使用机械加工方法减小各设备间的安装误差角。将恒流源、工控机接插件以及开关电源封装，三个恒流源分别对应x、y、z三个方向的线圈供电。光纤惯导与三轴线圈间保持一定的距离，避免额外的磁场干扰。
[0293]
3.2 labview控制程序设计
[0294]
完成试验控制系统的硬件搭建后，需要相应的软件程序来对硬件进行控制，这里选择labview开发强磁干扰补偿控制程序。
[0295]
首先，labview程序需要有读取传感器数据的能力，包括三轴磁场数据，姿态角数据等。读入相关数据后，调用matlab程序，用于解算补偿电压并控制pxi工控机的多功能数据采集卡进行模拟输出。
[0296]
界面左侧包括端口选择与波特率设置(此处的波特率应与电子罗盘与外部基准保持一致)串口以及“停止”按钮。右侧主要为4个显示界面，用于实时显示磁场矢量以及姿态角数据，下方的电压界面用于实时显示三轴方向的补偿电压变化。
[0297]
上述界面功能的实现关键在于图形化程序框图的搭建，对应主程序框图如图4所示。由程序框图可知，左侧部分通过visa读取传感器原始数据，采用16进制，查询相关技术手册可知，磁场数据和欧拉角数据的读取指令分别为0xc2和0xce，航向参考设备的姿态角读取指令为0xaa。完成数据读取后，调用matlab解算程序，将读取的数据作为输入量，设置成一维矩阵形势，输出量为三轴方向的补偿电压。这里设置以秒为单位，1s内使用100个数据点解算三轴干扰磁场的大小，进而得到对应时刻的补偿电压。
[0298]
4、车载试验验证
[0299]
车载试验选择地磁场均匀稳定的空旷区域，分析到地磁日变的影响，选择在晚上进行试验。根据8位置法施加外部强磁干扰，磁铁与电子罗盘中心距离为5cm。车载运行轨迹如图5所示，红色五角星为起点。根据igrf求得试验地区参考地磁场大小为0.50041gauss。8位置法实验方案如图6所示。
[0300]
以3dm-gx3-25传感器作为补偿用电子罗盘，由于该传感器带有自校准机制，在弱磁干扰下可进行粗校准。这里首先分析在不添加外部磁干扰的条件下，电子罗盘自校准模式的航向估计误差以及利用本文控制算法校准后的航向误差，如图7所示。
[0301]
由图7可知，未加干扰时，电子罗盘完成自校准后，其航向误差在
±
1.0
°
范围内，而本文所用两种控制算法补偿后的航向误差与略优于自校准误差，约在
±
0.82
°
范围内。在8个不同位置施加强磁干扰时，电子罗盘输出的磁场总量最小约为2.6gauss，最大接近3.1gauss，外部强磁场干扰相当于该地区地磁总量的5～6倍，如图8所示。正常状态下，载体行驶轨迹若为封闭曲线，则电子罗盘航向变化应为0
°
～360
°
，而此时电子罗盘的磁航向解算严重失准，航向输出近似为一条直线，如图9所示。由光纤惯导提供航向角参考基准，最大航向误差接近200
°
。
[0302]
由于恒流源最大输出电流为500ma，结合线圈参数可知，x、y、z轴线圈能产生的最大磁场分别为：2.47gauss，2.92gauss，8.99gauss。满足强磁补偿需求。
[0303]
分别通过有航向参考和无航向参考两种方案进行强磁干扰补偿，此时各位置下对应时刻补偿后的磁场总量如图10所示。以试验地区地磁总强度为基准，各位置下补偿后磁场总量的统计特性以及与该地区地磁总量的相对均方根误差如表1所示。
[0304]
表1标定后磁场总量统计特性
[0305][0306]
由图10可知，在不同位置施加强磁干扰时，使用无航向参考方案补偿后的磁场误差最大接近0.23gauss，而有航向参考方案补偿后的磁场误差最大仅约为0.08gauss，相比前者减小约65.22％。有航向方案补偿后的均值更接近当地地磁总量，且均方根误差均已降至5％以下。试验表明有航向参考补偿方案能更好的估计磁场误差，具有更高的补偿精度。
[0307]
进一步地，对强磁补偿后的电子罗盘估计航向进行比较，航向角参考基准由xw-gi7660光纤惯导提供。此处利用实验装置大致校准安装误差，故安装误差可忽略。在对测向天线与光纤惯导的系统误差进行校准后，各位置下补偿后的电子罗盘的航向误差如图11所示。
[0308]
各位置下航向角误差的统计特性如表2所示。
[0309]
表2不同位置下航向误差统计特性
[0310][0311]
上述车载试验结果表明：
[0312]
(1)忽略算法自身误差，试验中，车载试验路面并非严格的二维平面，同时发动机高频振动也不可忽略。此外，由于磁强计自身的迟滞特性，使得磁强计动态响应会出现滞后，尤其在车辆的起步与转弯过程中，滞后性表现得更为明显，这也将影响实际补偿效果。
[0313]
(2)对于磁场补偿，有航向补偿方案的补偿精度优于无航向补偿方案。由于引入了外部航向信息参与解算，提高了补偿精度。而m估计算法的迭代次数有限，无法保证在相同时间间隔内消除所有的离群点，因此与有航向参考补偿方法相比，无航向参考算法补偿后的航向误差相对较大。
[0314]
(3)磁场补偿精度将影响磁航向解算精度。由图11和表2可知，无航向参考补偿后的航向误差大致在
±4°
范围内；而有航向参考补偿能将误差抑制在约
±
1.5
°
范围内，补偿后误差的标准差减小约41.9％。航向补偿精度已满足车载导航的使用需求。
[0315]
5、总结讨论
[0316]
环境磁场干扰对电子罗盘的航向估计精度有较大的影响。针对mems电子罗盘磁场补偿问题，提出了有航向参考补偿与无航向参考补偿两种补偿方法并对相关的算法进行了推导。在搭建硬件电路的过程中介绍了主要硬件器件的选型，同时结合labview与matlab设
计了控制程序。最后通过车载试验对两种补偿方案进行验证。试验结果表明：(1)利用外置三轴线圈对电子罗盘进行强磁补偿是可行的，线圈能够实时对电子罗盘各轴向干扰磁场进行补偿。(2)提出的两种补偿方案是可行且有效的。其中，有航向参考补偿算法拥有更高的补偿精度，补偿后的航向误差在
±
1.5
°
范围内，标准差在0.8
°
以下。满足车载导航使用需求。与传统磁传感器补偿方法相比，该方法主要有以下优势：(1)在外部磁干扰较大时，仍能实现电子罗盘的较高精度补偿；(2)不依赖于载体运动情况与电子罗盘工作环境，环境适应能力较强。
[0317]
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0318]
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(dsl)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质(例如软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如dvd)、或者半导体介质(例如固态硬盘solid state disk(ssd))等。
[0319]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。