淺析電子羅盤原理與誤差分析

郭新倫，王華豫

（南京郵電大學通信與信息工程學院，南京 210046）

羅盤，在我國又被稱為指南針，又名羅經儀，在近代主要用于航海，對于新大陸的發現和全球化運動發揮了重要作用。然而在今天的工業和社會生活中，羅盤主要用來導航。GPS 也也就是全球衛星定位系統，是目前使用最廣的一種導航定位手段，但是它的信號經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，GPS 信號的實用性僅有60%。定位結果誤差較大將導致設備無法正常工作。

電子羅盤是一種能探測航向角或其他的姿態的裝備，該裝備在日常生活中發揮著很重要的作用，它應用了地磁場和重力加速度電子羅盤結合GPS，能有效彌補GPS 的缺陷，實現復雜地形環境下的精確定位導航。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量原理和誤差分析。

1 地磁場簡介和測量原理

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

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

地磁場存在于三維空間內，是一個矢量場。為了形容地磁場的散布特征，可以把觀測點作為原點建立一個三維坐標系，該坐標系的三個軸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、在觀測點處垂直向下的方向。Z、X、Y 是三個磁場分量，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、水平強度、磁偏角、總強度稱為四要素，該四要素在地磁場的研究中發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 是水平強度，它是地磁場的水平分量；D 表示磁偏角，存在于地球正北方向和H 之間。另外，以上三個要素在本段落進行了說明，最后的四個要素可以被上述的三個要素表示出來

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

2 電子羅盤的誤差分析

在實際應用中，安裝在載體上的電子羅盤，不僅會受到地磁場的作用，還會受到環境磁場的作用。另外，由于制造技術的不發達以及制造工藝的限制，同樣也會讓羅盤在實際應用中產生誤差。誤差的來源可以大概分為3種，它們分別是：粗大誤差、隨機誤差以及系統誤差，系統誤差可分為羅盤傳感器的誤差和羅差。本小節主要對系統誤差進行相應的研究分析。

羅盤傳感器誤差是由于制造技術不發達，制造工藝不先進產生的硬性誤差，可以分為安裝誤差與制造誤差。其中，影響產生制造誤差的因素可以總結為以下三個方面：第一是三軸不完全正交引起的，這種誤差的產生是因為制造工藝的不成熟；第二是靈敏度存在著誤差，信號所有放大倍數的乘積和物理標定的靈敏度不等同，就產生了極大的誤差；第三種誤差的來源就比較復雜，前文所提到的模數轉換器MAX1316在進行模數信號轉換時，沒有保證零點是零，就造成了此項誤差的產生。

安裝誤差的存在也是人為制造的，只不過它比較客觀。當羅盤使用時，必須使得載體坐標系和羅盤自帶的坐標系剛好相互重合，否則當羅盤在監測各個姿態角時，就一定會產生誤差。這種誤差是完全可以消除的，只需要在安裝羅盤時，細心就好了。

3 總結

基于三軸磁阻傳感器HMC1022的電子羅盤能感知三維方向，有效補償信號，避免地面障礙物干擾，確保在復雜地形區如植物茂密的森林和高樓林立的城市也能有可靠的導航。但是在實際應用中的電子羅盤，通常會因為受到環境磁場的作用而產生一定誤差，影響測量精度。由此可見，為了使電子羅盤發揮更大的價值，我們需要采取一定措施來減小測量誤差以提高測量精度。