浅谈无人机航向的罗差修正方法

浅谈无人机航向的罗差修正方法

刘洋

河钢集团矿业公司司家营北区分公司河北唐山063701

摘要：作为无人机航向误差校正的重要方式，罗差修正法的应用至关重要。其不仅有助于罗差系数的合理计算，更对无人机外业精度把控具有重大影响。本文在阐述航向系统及罗差内涵的基础上，对罗差形成的原因进行分析，并指出无人机航向罗差修正法的具体应用。以期有利于罗差修正法应用水平的提升，进而实现无人机作业精度的有效控制。

关键词：无人机；航向测量；罗差修正；地磁

随着科学技术的不断发展，无人机的应用技术不断成熟。当前环境下，在无线电遥控设备和自备的程序控制装置的操纵下，无人机可以实现跟踪、定位、遥控、遥测和数字传输等功能的充分实现，其对于人们社会生产方式的转变和生活质量提升具有重大影响。然而受地磁作用的影响，无人机应用过程中极易产生罗差现象，对其外业应用的精度造成影响。新时期进行无人机罗差修正方法的研究已成为高效应用的基础，本文由此展开分析。

一、航向系统与罗差的基本内涵

航向系统与罗差是相互依存的一组工程概念，其具体包含以下方面的具体内涵。

1.航向系统

航向系统是以陀螺磁罗盘为基础发展起来方位控制系统。现代航向系统包含了磁传感器、模拟电路、A/D转换和单片机等内容。在应用过程中，若以地磁场H为基础，则磁传感器会对飞机纵轴、横轴和竖轴上的分量进行测量，并分别用Hx、Hy、Hz进行表示；然后在模拟电路和A/D转换的作用下，使得转换后的数据单元进入单片机；同时在飞机俯仰角θ、倾斜角γ、地磁场水平分量H0和磁倾角的控制下；人们即可通过公式的应用，实现航向ψ的有效计算[1]（如图1）。

图1数字式磁航向测量系统

2.罗差

飞机运行过程中，罗盘是其方位校正的重要仪器。在罗盘应用过程中，罗经线和磁经线是方位控制的两个重要因素；受地球磁场作用，飞机运行过程中，其罗经线和磁经线往往处于不重合状态，及即两者之间存在一定的角度差；此时人们将罗经线偏离磁经线的角度称为罗差。一般情况下，罗经线位于磁经线以东，则其角度偏差称为正罗差；反之则为负罗差。实践过程中，人们往往会在校罗盘时对其进行修正，在缩小两者偏差的基础上，实现飞行磁航向的有效修正。

二、无人机航向罗差产生的原因

作为地球固有的物理场，磁场在磁体的作用下，对人们的生活具有重大影响。譬如，在现代导航系统中，地磁导航正是利用“近地空间地磁稳定且有方向性”的原理进行导航和定位的[2]。并且，随着人们对地磁研究的深入，导航应用的过程也出现了多元化的发展特征。具体而言，当前的导航系统不仅有地磁定向导航，还有地磁参数递推滤波轨迹导航；另外，地磁匹配定位导航也是其常见的应用形式。无人机应用过程中，地磁定向导航是其主要的技术支撑。

当前环境下，人们对于地磁导航的研究尚不成熟，其容易导致航向测量中的误差产生，从而影响整体的车辆精度。社会实践中，地磁测量系统的偏差难以避免；一般而言，制造误差、安装误差、姿态信号误差和罗差是地磁航向测量系统中误差的四种基本形式。对于无人机而言，导磁材料是造成其罗差产生的重要原因，同时其误差的产生具有唯一性。具体而言，无人机上所搭载的部分材料具有一定的导磁效应，从而造成了无人机系统载体磁场的形成；而这种小型的载体磁场会对无人机磁传感器的信号收集形成干扰，使得其传感器位置地磁场的大小和方向发生改变，从而造成罗差现象的产生。

作为地磁导航误差形成的主要因素，罗差对于无人机外业应用的精度具有重大影响，因此，在其应用过程中，工程人员必须注重地磁测量误差的有效修正，同时科学的补偿因载体磁场干扰而形成的测量误差，进而在保证无人机航向罗差的有效修正的基础上，实现无人机外业应用精度的有效控制。

三、无人机航向的罗差修正方法应用

当前环境下，人们对于无人机航向的精度要求不断提升，这就要求其在创新地磁定向导航应用方式的基础上，实现罗差修正方法的高效应用。其具体应用过程如下：

1罗差修正原理

无人机应用过程中，其自身材料会对地磁场H造成一定的影响，并且材料的类型不同，其影响方式也会存在差异。一般情况下，硬磁材料和软磁材料是无人机铁磁材料的两种基本类型；前者属于永久磁场，并且会随着无人机的转动而产生变化，即其相对于无人机的纵轴、横轴和竖轴，其位置并未发生变化，仅为其对应数值添加了一个常数值。而软磁材料会对无人机的纵轴、横轴和竖轴产生一定影响，引起其磁场分量值Hx、Hy、Hz的变化。从而得到新的地磁场H1。实践过程中，磁场分量值增加的常量与软磁材料具有直接关系，其被人们统称为罗差系数。而一旦软磁材料确定，及罗差系数固定的状况下，人们即可将相关影响因素固化到航向系统的储存器中，进而实现航向罗差的有效修正。因此，对于无人机航向的罗差修正而言，罗差系数确定是其修正控制的核心所在[3]。

2.罗差系数确定

罗差系数与软磁材料的类型具有重大关系，软磁材料应用不同，其对无人机航向偏差的影响也就不同。实践过程中，要实现无人机航向罗差修正的科学合理，其在罗差系数确定过程中就应注重以下要素的考虑：

其一，罗差系数确定过程中，对当前航向ψ的计算至关重要；而一旦地磁场H确定，则整个计算过程对于无人机俯仰角θ和倾斜角γ的给定具有较大依赖，因此，在罗差系数确定及罗差修正过程中，工程人员要对无人机水平状态和非水平状态进行系统考虑，进而确保航向计算方程的相对独立。其二，与无人机倾斜状态相比，其水平状态的保持具有较大难度；因此在在俯仰角θ和倾斜角γ选值中，一旦俯仰角θ取0，且倾斜角γ选接近飞机盘旋时的角度，其即可称为倾斜状态。其三，为确保罗差系数计算的准确性，工程人员应进行多组试验点的有效选取，并且，其应对选取数据的准确性进行有效验证。需要注意的是，为确保罗差修正的合理，后期计算过程中，其选取的试验点数据应与罗差系数求值给定数值具有差异性。

3.注重实验检测数据的正确性检验

在航向及罗差系数确定后，工程人员可以进行无人机航向的有效修正。需要注意的是，为确保修正结果的准确性，其应对实验检测的数据进行准确性检验。具体而言，在航向ψ确定后，都会存在一个新的航向ψa=ψ+180°与之对应。实践过程中，若无人机俯仰角θ和倾斜角γ不变，初始航向地磁场值H与对应航向地磁场值Ha之和为常量。基于此，人们可以写实现无人机航向罗差修正结果的有效把控。需要注意的是，罗差修正过程中，一旦采用两个航向差180°的试验点测得的数据列写进行第三个航向方程标述，则该方程下的航向与既定航向绝对误差较为迷糊，难以实现铁磁材料罗差系数的准确判断，由此其罗差修正的准确性也会受到影响。因此在具体的计算过程中，其不同状态下的试验点选择应至少保持在4个以上，进而确保罗差系数计算的准确，实现无人机航向罗差的有效修正。

结论

新经济形态下，无人机在社会生活中的应用不断深入，确保其航向罗差的有效控制对于其运行的精确度具有重大影响。实践过程中，电子工程人员只有在明确罗差系数产生原因的基础上，系统把控其修正原理，然后科学规范化的进行罗差系数确定，唯有如此，才能实现罗差修正法应用水平的提升，进而实现无人机作业精度的有效控制。

参考文献：

[1]吴一波，梁少军，申斌.一体化小型无人机航电系统设计与实现[J].湖北大学学报：自科版，2016，38（5）：409-413.

[2]洪琪璐，张爱军，王昌明.一种数字磁罗盘全罗差自主优化补偿方法[J].传感技术学报，2017，30（9）：1364-1368.

[3]徐东甫，白越，宫勋，等.多旋翼无人机在变控制量下的三轴磁罗盘校正[J].光学精密工程，2016，24（8）：1940-1947.