淺析電子羅盤原理與誤差分析

郭新倫，王華豫

（南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，南京 210046）

羅盤，在我國(guó)又被稱為指南針，又名羅經(jīng)儀，在近代主要用于航海，對(duì)于新大陸的發(fā)現(xiàn)和全球化運(yùn)動(dòng)發(fā)揮了重要作用。然而在今天的工業(yè)和社會(huì)生活中，羅盤主要用來導(dǎo)航。GPS 也也就是全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，是目前使用最廣的一種導(dǎo)航定位手段，但是它的信號(hào)經(jīng)常被地形和地面的物體所阻擋，使得精度大幅度降低，特別是在植物茂密的森林和高樓林立的城市地區(qū)，GPS 信號(hào)的實(shí)用性僅有60%。定位結(jié)果誤差較大將導(dǎo)致設(shè)備無法正常工作。

電子羅盤是一種能探測(cè)航向角或其他的姿態(tài)的裝備，該裝備在日常生活中發(fā)揮著很重要的作用，它應(yīng)用了地磁場(chǎng)和重力加速度電子羅盤結(jié)合GPS，能有效彌補(bǔ)GPS 的缺陷，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜地形環(huán)境下的精確定位導(dǎo)航。因此，本文介紹了一種基于磁阻傳感器HMC1022的電子羅盤的基本測(cè)量原理和誤差分析。

1 地磁場(chǎng)簡(jiǎn)介和測(cè)量原理

外源變化磁場(chǎng)、地核主磁場(chǎng)、感應(yīng)磁場(chǎng)，以上四種磁場(chǎng)大體組成了地磁場(chǎng)。地核主磁場(chǎng)所占的比重最大，百分比是95%；感應(yīng)磁場(chǎng)以及外源變化磁場(chǎng)占的比重最少，僅僅只有1%；地核磁場(chǎng)所占的比重稍微比感應(yīng)磁場(chǎng)多一些，高出3%，比重為4%。

我們可以設(shè)想地球內(nèi)部存在一磁鐵，磁鐵的中心正好和地心相重合。這樣，無論在地球內(nèi)部或是外部都存在許多的磁力線，在地球內(nèi)部線從地球北極出發(fā)指向南極，在地球外部南極發(fā)出磁力線，最終都回到北極。

地磁場(chǎng)存在于三維空間內(nèi)，是一個(gè)矢量場(chǎng)。為了形容地磁場(chǎng)的散布特征，可以把觀測(cè)點(diǎn)作為原點(diǎn)建立一個(gè)三維坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系的三個(gè)軸x、y、z 軸的正向分別代表的方向是：地球的北方向、地球的東方向、在觀測(cè)點(diǎn)處垂直向下的方向。Z、X、Y 是三個(gè)磁場(chǎng)分量，Z 是垂直向下的，X 是指向北方向的、Y 是指向東方向的。磁傾角、水平強(qiáng)度、磁偏角、總強(qiáng)度稱為四要素，該四要素在地磁場(chǎng)的研究中發(fā)揮著不可替代的作用。其中，I 表示磁傾角，該夾角存在于水平面與總矢量之間；H 是水平強(qiáng)度，它是地磁場(chǎng)的水平分量；D 表示磁偏角，存在于地球正北方向和H 之間。另外，以上三個(gè)要素在本段落進(jìn)行了說明，最后的四個(gè)要素可以被上述的三個(gè)要素表示出來

如上所述，我們使用電子羅盤中的磁阻傳感器測(cè)量得到磁傾角、水平強(qiáng)度、磁偏角、總強(qiáng)度這四個(gè)要素，也就能測(cè)量出地磁場(chǎng)的分布情況了。

2 電子羅盤的誤差分析

在實(shí)際應(yīng)用中，安裝在載體上的電子羅盤，不僅會(huì)受到地磁場(chǎng)的作用，還會(huì)受到環(huán)境磁場(chǎng)的作用。另外，由于制造技術(shù)的不發(fā)達(dá)以及制造工藝的限制，同樣也會(huì)讓羅盤在實(shí)際應(yīng)用中產(chǎn)生誤差。誤差的來源可以大概分為3種，它們分別是：粗大誤差、隨機(jī)誤差以及系統(tǒng)誤差，系統(tǒng)誤差可分為羅盤傳感器的誤差和羅差。本小節(jié)主要對(duì)系統(tǒng)誤差進(jìn)行相應(yīng)的研究分析。

羅盤傳感器誤差是由于制造技術(shù)不發(fā)達(dá)，制造工藝不先進(jìn)產(chǎn)生的硬性誤差，可以分為安裝誤差與制造誤差。其中，影響產(chǎn)生制造誤差的因素可以總結(jié)為以下三個(gè)方面：第一是三軸不完全正交引起的，這種誤差的產(chǎn)生是因?yàn)橹圃旃に嚨牟怀墒欤坏诙庆`敏度存在著誤差，信號(hào)所有放大倍數(shù)的乘積和物理標(biāo)定的靈敏度不等同，就產(chǎn)生了極大的誤差；第三種誤差的來源就比較復(fù)雜，前文所提到的模數(shù)轉(zhuǎn)換器MAX1316在進(jìn)行模數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換時(shí)，沒有保證零點(diǎn)是零，就造成了此項(xiàng)誤差的產(chǎn)生。

安裝誤差的存在也是人為制造的，只不過它比較客觀。當(dāng)羅盤使用時(shí)，必須使得載體坐標(biāo)系和羅盤自帶的坐標(biāo)系剛好相互重合，否則當(dāng)羅盤在監(jiān)測(cè)各個(gè)姿態(tài)角時(shí)，就一定會(huì)產(chǎn)生誤差。這種誤差是完全可以消除的，只需要在安裝羅盤時(shí)，細(xì)心就好了。

3 總結(jié)

基于三軸磁阻傳感器HMC1022的電子羅盤能感知三維方向，有效補(bǔ)償信號(hào)，避免地面障礙物干擾，確保在復(fù)雜地形區(qū)如植物茂密的森林和高樓林立的城市也能有可靠的導(dǎo)航。但是在實(shí)際應(yīng)用中的電子羅盤，通常會(huì)因?yàn)槭艿江h(huán)境磁場(chǎng)的作用而產(chǎn)生一定誤差，影響測(cè)量精度。由此可見，為了使電子羅盤發(fā)揮更大的價(jià)值，我們需要采取一定措施來減小測(cè)量誤差以提高測(cè)量精度。