電子羅盤的干擾抑制*

王勇軍，李 智，李 翔

(桂林電子科技大學，廣西 桂林541004)

隨著定位導航技術的飛速發(fā)展和日臻成熟，電子羅盤在相關領域得到了越來越廣泛的應用。羅盤內(nèi)部電路和使用過程中周圍磁場環(huán)境的影響，使羅盤系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性大大下降，因此，航向角顯示的可靠性成為衡量電子羅盤系統(tǒng)性能優(yōu)劣的重要指標。本文涉及的電子羅盤是基于HMC1021/1022磁阻傳感器和加速度傳感器ADXL202E研制的，它具有體積小、成本低、精度高、響應速度快等優(yōu)點。但是從磁阻傳感器輸出地信號只有幾百微伏至幾毫伏，信噪比較小，很容易受到內(nèi)外環(huán)境的影響。如何消除這些干擾信號，成為處理磁場信號、確保羅盤精度和穩(wěn)定性的首要任務。

1 電子羅盤工作原理和干擾分析

在電子羅盤系統(tǒng)中，單片機VRS51L3074完成對磁阻傳感器和加速度傳感器輸出信號的采集，從而獲得羅盤載體位置的瞬時磁場和加速度值，然后利用函數(shù)關系計算出當前位置相對于已知參考位置之間的三軸磁場強度、橫滾角和俯仰角，從而進行姿態(tài)解算得到載體的航向角[1]。當加速度計被定向時，其X軸和Y軸與地球表面平行，加速度計可用來作為具有翻滾和傾斜兩個軸的雙軸傾角傳感器，則被測物體的俯仰角可記為γ，橫滾角為β。將磁阻傳感器的3個敏感軸沿載體的3個坐標軸安裝，分別測量地磁場磁感應強度H在載體坐標系3個坐標上的投影分量(HX，HY，HZ)。在地平坐標系中，地磁場的三軸正交分量輸出為(HR-X，HR-Y，HR-Z)。根據(jù)正交笛卡爾坐標系的坐標變換可知：

通過對式(1)的姿態(tài)解算可以得到電子羅盤的航向角：

通過實驗測試，電子羅盤測量隨機誤差偏大或角度突變的問題時有出現(xiàn)。本文通過對靜態(tài)與動態(tài)(羅盤低速運動)數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，通道測量數(shù)據(jù)呈波動形式，數(shù)據(jù)中有類似周期性變化的分量。

為了摸清干擾信號的特性，找到干擾信號的真正來源，利用頻譜分析儀先后對磁阻傳感器輸出信號進行頻譜分析與監(jiān)測。結果發(fā)現(xiàn)，傳感器輸出信號主譜附近存在 50 Hz、100 Hz和300 Hz干擾頻率，另外還有一些噪聲頻譜。干擾成分在蓄電池供電條件下的干擾較市電供電條件下的干擾幅度要小，其中以100 Hz和300 Hz干擾頻率為主，噪聲頻譜略有減小，50 Hz的干擾幅度時大時小。由于傳感器輸出信號中有此干擾信號，電子羅盤輸出航向角也存在不同程度的起伏。

2 電子羅盤抗干擾設計

2.1 電子羅盤硬件抗干擾設計

通過分析傳感器輸出信號頻譜中的低頻干擾分量可知，這些干擾分量主要是由供電系統(tǒng)的工頻干擾引起。若測試的信號本身變化比較緩慢，在上面疊加了工頻干擾之后，它測量的值發(fā)生偏移，直接影響到測量的精度，有時甚至達不到測量精度的要求。因為50 Hz工頻也是一種變化很緩慢的干擾，使用通常的方法很難將它與被測的有用信號區(qū)分開。經(jīng)理論分析和試驗結果可知，要降低工頻干擾的影響，可從設備及硬件上做調(diào)整，也可從數(shù)據(jù)處理方法上對干擾的影響進行抑制。為了提高系統(tǒng)的可靠性及穩(wěn)定性，通常采用屏蔽、濾波、良好接地及光電隔離等措施來抑制干擾[2]，這些方法對于抑制非工頻干擾很有效。傳感器輸出信號先經(jīng)過硬件電路濾去工頻的高次諧波和部分高頻干擾，再由軟件濾去工頻的基波和低頻噪聲信號。

因為硬件濾波器都有一定的帶寬，采用單純的硬件電路很難將工頻干擾的影響消除，對白噪聲的抑制也很有限，處理不好很容易濾除有用的信號，而且硬件濾波器很難做成多個陷波點，其影響較大的低次諧波也很難濾去。所以，必須進一步利用數(shù)字信號處理的相關理論，借助VRS51L3074的高性能運算單元，使用數(shù)字濾波濾去工頻的基波和噪聲信號。

2.2 軟件濾波

通過對多次任務數(shù)據(jù)處理分析，電子羅盤主通道測量數(shù)據(jù)可用下式模型表示：

其中，s(t)為有效磁場信號，在有限長時間內(nèi)可看做直流信號；z(t)為周期性干擾分量，它是測量通道低頻干擾的組合；et為白噪聲序列。

對于電子羅盤信號中周期性干擾主要為50 Hz的工頻干擾，可以利用正弦波等分點均值濾波法濾除。由歐拉公式可知，正弦波一周中任取n個等分點的和為零，則有：

其中，n是大于1的整數(shù)，k為任意整數(shù)，c為任意實數(shù)。式(4)左邊部分可看作是式(3)的虛部：

利用歐拉公式可將式(5)寫為：

其中，j是復數(shù)記號，式(2)得證。濾波算法就是取n個采樣點的平均值，即：

因此，對于50 Hz工頻干擾，本方法簡單易于實現(xiàn)。n個點的平均值X本來就是一個線性低通濾波器，但它的特別之處在于當n取s/f時(s是每秒采樣點數(shù)；f是欲消除的正弦波的頻率；n必須是整數(shù)，否則要通過改變s來調(diào)整)，此時n點對干擾波來說正好就是一周中的n個等分點，其和為零。于是干擾波被完全消除。例如采樣速率為每秒250點，為消除其中混入的50 Hz工頻電源干擾，將其連續(xù)5點采樣求平均值后作為濾波輸出。在實現(xiàn)方法上可將最近5點采樣值及5點的和保存，每來一個新點時，在和中減去最早的點，再加上新點然后將和除以5即得均值。為了免去除法，可將n湊成4或8，將采樣點改為200點或400點，此時只要用二進制右移指令即可代替費時的除法。

電子羅盤白噪聲的處理采用FIR濾波法[3]，其原理是對一組數(shù)據(jù)x(n)中的每個點移動平均后濾波得到的結果 y(n)，即：

則其傳遞函數(shù)為：

其對應的噪聲減少率NRR=1/N，如果需要得到較小的NRR，則需要較高的計算點數(shù)N。由傳遞函數(shù)知H(z)對應的截止頻率ωoff=π/N，而較高的點數(shù)會造成截止頻率ωoff較小，有可能對磁場輸出信號產(chǎn)生較大影響。假如進行10點的平均濾波法計算，其噪聲減少至原噪聲的10%，濾波器截止頻率 ωoff=0.1π。

3 干擾抑制效果測試

除了工頻干擾和噪聲，羅盤航向角還受傳感器誤差、軟硬磁干擾和傾斜角度等因素的影響。對電子羅盤進行測試，首先是對電子羅盤的穩(wěn)定性進行評估。實驗時，通過對相同條件下同一物理量多次重復測量值的標準差大小的比較，來對其相應抗干擾性能進行評估。測試結果如表1所示。

從實驗測試的標準差可以看出，經(jīng)過軟件濾波后均方誤差σ小了很多，采用的軟件濾波算法對抑制干擾非常有效。

表1 同一位置濾波前后測試結果(單位：°)

試驗過程中，采用光電編碼盤作為角度測量標準裝置，將電子羅盤放在水平面內(nèi)緩慢轉動一周，對光電編碼盤的輸出脈沖進行計數(shù)實現(xiàn)參考角度的計算，每轉動一下(約15°)，測一次。根據(jù)測量數(shù)據(jù)建立航向誤差曲線，如圖1所示，實線是由原始數(shù)據(jù)量直接統(tǒng)計的羅盤航向誤差曲線，測量隨機誤差為 0.5°～11.9°；而虛線是經(jīng)過干擾對消法統(tǒng)計的航向誤差，它可以控制在0.1°～7.7°之間。同時也可看到，在抑制干擾后測量數(shù)據(jù)誤差仍然較大，這是受測量數(shù)據(jù)尚未消除傳感器誤差（主要是零位誤差、標度因數(shù)和非正交誤差）的影響造成的，因而在一定程度上影響了補償效果。

單純使用硬件濾除干擾 ，因受硬件濾波器帶寬的限制，在濾去低次諧波時容易造成有用信號的失真；而單純使用軟件的方法，因受到CPU運算速度的影響，很難濾去干擾中的高頻成分。使用軟硬結合的方法，綜合利用了兩者的優(yōu)點，最大限度地從被測信號中濾除了工頻和白噪聲信號對測量的干擾。本文提出的軟件濾波算法速度快，適合處理任意固定周期的干擾信號，濾波效果理想，是一種實用的數(shù)字濾波設計方法。在此基礎上進行誤差校正，并引入誤差校正算法，消除傳感器的誤差和系統(tǒng)的軟硬磁干擾，進一步提高了電子羅盤的精度。

[1]熊劍，劉建業(yè).數(shù)字磁羅盤的研制[J].傳感器技術，2004，23(8)：46.

[2]張文娜，葉湘濱.傳感器接口電路的抗干擾技術及其應用[J].計算機自動測量與控制，2001(3)：60-62.

[3]王樹勛.數(shù)字信號處理基礎及試驗[M].北京：機械工業(yè)出版社，1992.