關(guān)于簡(jiǎn)便的三軸磁強(qiáng)計(jì)標(biāo)定方法的研究
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作者：鄭曉敏
通常情況下，磁強(qiáng)計(jì)由于加工工藝的限制，會(huì)出現(xiàn)零偏誤差、三軸靈敏度不一致、三軸很難完全正交等問(wèn)題，引起磁強(qiáng)計(jì)的測(cè)量誤差，因此在使用三軸磁強(qiáng)計(jì)之前需要對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定。目前磁強(qiáng)計(jì)的校正方法主要是正交變換方法，這種方法在建模過(guò)程中做了Z軸重合的假設(shè)，這樣就引入了模型誤差，同時(shí)降低了精度。
本文提出了一種簡(jiǎn)單的磁強(qiáng)計(jì)標(biāo)定方法：由零磁實(shí)驗(yàn)室提供多組已知大小和方向的磁場(chǎng)矢量，記錄三軸磁強(qiáng)計(jì)的實(shí)時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，驗(yàn)證磁強(qiáng)計(jì)線性度、靈敏度，確定常值漂移數(shù)值；利用穩(wěn)定均勻的地磁場(chǎng)，分別檢測(cè)磁強(qiáng)計(jì)單軸與理想軸之間的夾角，確定三軸不正交度。并且用此方法對(duì)Honeywell公司的HMR2300三軸磁強(qiáng)計(jì)進(jìn)行標(biāo)定，根據(jù)標(biāo)定結(jié)果可以進(jìn)行磁強(qiáng)計(jì)的誤差校正。
1標(biāo)定方法
1.1 零偏誤差
由于磁強(qiáng)計(jì)加工工藝等的影響，在零磁條件下，磁強(qiáng)計(jì)的輸出值不為零。為了驗(yàn)證磁強(qiáng)計(jì)的零偏誤差特性，將磁強(qiáng)計(jì)置于零磁空間中工作1 h，間隔10 min觀察并記錄1次測(cè)量數(shù)據(jù)。一方面測(cè)量磁強(qiáng)計(jì)的零偏誤差，一方面檢測(cè)其在工作狀態(tài)是否會(huì)出現(xiàn)漂移現(xiàn)象。
在1 h之內(nèi)記錄磁強(qiáng)計(jì)的輸出值，由測(cè)量數(shù)據(jù)可得X、y、Z軸在工作時(shí)間內(nèi)的輸出值穩(wěn)定，可認(rèn)為零偏誤差是固定不變的，得到試驗(yàn)標(biāo)定零偏誤差B。(nT)為：
1.2 線性度
為了檢測(cè)磁強(qiáng)計(jì)的線性度，在零磁實(shí)驗(yàn)室中輸入一定強(qiáng)度的均勻磁場(chǎng)，將磁強(qiáng)計(jì)置于實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)中心水平放置，通過(guò)水平轉(zhuǎn)動(dòng)磁強(qiáng)計(jì)支架調(diào)整位置，使單軸方向輸出數(shù)據(jù)最大，此時(shí)該軸與已知磁場(chǎng)方向重合。將該軸方向調(diào)整至與磁場(chǎng)方向一致后，改變磁場(chǎng)強(qiáng)度，在一定的磁場(chǎng)強(qiáng)度區(qū)間內(nèi)等間隔測(cè)量，待輸出數(shù)據(jù)穩(wěn)定后記錄，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合并得出擬合曲線公式，再由擬合公式計(jì)算擬合值，與實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證單軸測(cè)量誤差值，檢測(cè)線性度。
1.3靈敏度
磁強(qiáng)計(jì)HMR2300用戶手冊(cè)中說(shuō)明其靈敏度為67uGs，而磁強(qiáng)計(jì)顯示數(shù)據(jù)單位為mGs，精度到小數(shù)點(diǎn)后一位，即顯示精度為0.1 mGs(10 nT)。試驗(yàn)時(shí)給定一個(gè)基準(zhǔn)磁場(chǎng)大小，在此基礎(chǔ)上每次增加（或減�。┮粋�(gè)定值，觀察磁強(qiáng)計(jì)輸出數(shù)據(jù)的變化，檢測(cè)磁強(qiáng)計(jì)靈敏度是否符合標(biāo)準(zhǔn)。
1.4 三軸不正交度
由于生產(chǎn)工藝限制，磁強(qiáng)計(jì)的3個(gè)軸與實(shí)際軸不一定完全重合，并且3個(gè)軸不能完全正交。可以利用均勻穩(wěn)定的地磁場(chǎng)確定三軸的不正交度。下面以Z軸為例說(shuō)明不正交度測(cè)量方法（X軸、y軸方法相同）。
空曠處的地磁場(chǎng)較為均勻穩(wěn)定，將磁強(qiáng)計(jì)安裝在支架上置于水平桌面上，使磁強(qiáng)計(jì)Z軸豎直向上，Z軸輸出數(shù)據(jù)B豎直是地磁場(chǎng)強(qiáng)度在豎直方向上的投影，翻轉(zhuǎn)磁強(qiáng)計(jì)支架，使Z軸繞X軸翻轉(zhuǎn)90。，Z軸輸出數(shù)據(jù)B水平是地磁場(chǎng)強(qiáng)度在水平方向上的投影，實(shí)際的Z軸雖然不完全豎直，但經(jīng)過(guò)翻轉(zhuǎn)的Z軸與原軸可以組成一個(gè)正交坐標(biāo)系，通過(guò)計(jì)算可以得出地磁場(chǎng)在Z軸方向的基準(zhǔn)量強(qiáng)度
，如圖1所示。
2驗(yàn)證試驗(yàn)
零磁空間實(shí)驗(yàn)室只提供單一方向可改變大小的均勻磁場(chǎng)，而磁強(qiáng)計(jì)在線性度標(biāo)定以及三軸不正交度標(biāo)定時(shí)需要分別對(duì)3個(gè)軸進(jìn)行測(cè)量，需更改磁強(qiáng)計(jì)本體坐標(biāo)方向，對(duì)磁強(qiáng)計(jì)進(jìn)行精確的90。翻轉(zhuǎn)，因此需要自制磁強(qiáng)計(jì)支架，用來(lái)滿足翻轉(zhuǎn)要求。支架要求有精確的平面度以及正交度，且無(wú)磁性。
2.1 線性度標(biāo)定
在+70 000 nT～- 70 000 nT之間每次減小10 000 nT測(cè)量并記錄數(shù)據(jù)。連接設(shè)備，按照線性度的標(biāo)定方法對(duì)磁強(qiáng)計(jì)進(jìn)行標(biāo)定，重復(fù)做兩次試驗(yàn)，試驗(yàn)間隔th，分別得到X、y、Z軸的兩組測(cè)量數(shù)據(jù)。對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，測(cè)量數(shù)據(jù)的分析結(jié)果如表1所示。
對(duì)比兩次測(cè)試數(shù)據(jù)，可得磁強(qiáng)計(jì)在工作狀態(tài)下無(wú)零點(diǎn)漂移；測(cè)量數(shù)據(jù)與擬合曲線的最大差值較小，并且最大差值均出現(xiàn)在給定磁場(chǎng)大小為- 70 000 nT或+70 000 nT時(shí)，所以磁強(qiáng)計(jì)的線性度較好。
2.2 靈敏度檢測(cè)
給定磁場(chǎng)基準(zhǔn)為30 000 nT，在此基礎(chǔ)上每次增加（或減�。�15 nT，觀察磁強(qiáng)計(jì)測(cè)量示數(shù)變化，測(cè)量數(shù)據(jù)如表2所示．
磁強(qiáng)計(jì)顯示數(shù)據(jù)單位為mGs，保留小數(shù)點(diǎn)后一位，即顯示精度為0.1 mGs(10 nT)。給定磁場(chǎng)以每次15 nT(O. 15 mGs)增大或減小，顯示值應(yīng)該增大或減小0.1～0.2。由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，磁強(qiáng)計(jì)的靈敏度在100uGs之內(nèi)。
2.3 三軸不正交度標(biāo)定
按照三軸不正交度標(biāo)定方法進(jìn)行磁強(qiáng)計(jì)三軸不正交度標(biāo)定，得到的測(cè)量數(shù)據(jù)如表3所示。
經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)計(jì)算，可以得到實(shí)際的X'軸、Y'軸、Z’軸的實(shí)際偏差方向及角度，分別如圖3、圖4、圖5所示。
圖3中，X'軸在YOZ平面的投影在第四象限，投影與y軸正方向夾角26. 502。，X'軸實(shí)際方向與X軸夾角0. 822。。
圖4中，Y'軸在XOZ平面的投影在第二象限，投影與X軸正方向夾角37. 137。，Y'軸實(shí)際方向與y軸夾角0. 558。。
圖5中，Z’軸在XOY平面的投影在第一象限，投影與X軸正方向夾角14. 197。，Z’軸實(shí)際方向與Z軸夾角0. 691。。
3結(jié)論
本文主要對(duì)三軸磁強(qiáng)計(jì)進(jìn)行標(biāo)定，首先分析測(cè)量誤差來(lái)源，然后提出了一種簡(jiǎn)單的三軸磁強(qiáng)計(jì)標(biāo)定的方法。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，表明該方法可以對(duì)磁強(qiáng)計(jì)的線性度和三軸不正交度進(jìn)行標(biāo)定，可以為微小衛(wèi)星的姿態(tài)確定及控制算法提供較為精確的校正數(shù)據(jù)。由于磁強(qiáng)計(jì)對(duì)電磁干擾非常敏感，電磁設(shè)備和含鐵材料都會(huì)對(duì)磁強(qiáng)計(jì)的測(cè)量值造成影響，因此在衛(wèi)星發(fā)射前，應(yīng)該將磁強(qiáng)計(jì)連同整星一起（此時(shí)器件的相對(duì)位置已經(jīng)確定）進(jìn)行標(biāo)定，再進(jìn)行誤差校正，作為最終的誤差校正參考值，以減小誤差。
4摘要：三軸磁強(qiáng)計(jì)作為衛(wèi)星地磁導(dǎo)航中的姿態(tài)確定傳感器，使用前對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定尤為重要。闡述了一種簡(jiǎn)單的三軸磁強(qiáng)計(jì)標(biāo)定方法，并且在零磁實(shí)驗(yàn)室中對(duì)Honeywell公司的HMR2300三軸磁強(qiáng)計(jì)進(jìn)行零偏誤差、線性度、靈敏度標(biāo)定以及在均勻穩(wěn)定的地磁場(chǎng)中進(jìn)行三軸不正交度的標(biāo)定。試驗(yàn)結(jié)果表明，該標(biāo)定方法可以滿足微小衛(wèi)星姿態(tài)確定的要求。
