浅析电子罗盘原理与误差分析

郭新伦，王华豫

（南京邮电大学通信与信息工程学院，南京 210046）

罗盘，在我国又被称为指南针，又名罗经仪，在近代主要用于航海，对于新大陆的发现和全球化运动发挥了重要作用。然而在今天的工业和社会生活中，罗盘主要用来导航。GPS 也也就是全球卫星定位系统，是目前使用最广的一种导航定位手段，但是它的信号经常被地形和地面的物体所阻挡，使得精度大幅度降低，特别是在植物茂密的森林和高楼林立的城市地区，GPS 信号的实用性仅有60%。定位结果误差较大将导致设备无法正常工作。

电子罗盘是一种能探测航向角或其他的姿态的装备，该装备在日常生活中发挥着很重要的作用，它应用了地磁场和重力加速度电子罗盘结合GPS，能有效弥补GPS 的缺陷，实现复杂地形环境下的精确定位导航。因此，本文介绍了一种基于磁阻传感器HMC1022的电子罗盘的基本测量原理和误差分析。

1 地磁场简介和测量原理

外源变化磁场、地核主磁场、感应磁场，以上四种磁场大体组成了地磁场。地核主磁场所占的比重最大，百分比是95%；感应磁场以及外源变化磁场占的比重最少，仅仅只有1%；地核磁场所占的比重稍微比感应磁场多一些，高出3%，比重为4%。

我们可以设想地球内部存在一磁铁，磁铁的中心正好和地心相重合。这样，无论在地球内部或是外部都存在许多的磁力线，在地球内部线从地球北极出发指向南极，在地球外部南极发出磁力线，最终都回到北极。

地磁场存在于三维空间内，是一个矢量场。为了形容地磁场的散布特征，可以把观测点作为原点建立一个三维坐标系，该坐标系的三个轴x、y、z 轴的正向分别代表的方向是：地球的北方向、地球的东方向、在观测点处垂直向下的方向。Z、X、Y 是三个磁场分量，Z 是垂直向下的，X 是指向北方向的、Y 是指向东方向的。磁倾角、水平强度、磁偏角、总强度称为四要素，该四要素在地磁场的研究中发挥着不可替代的作用。其中，I 表示磁倾角，该夹角存在于水平面与总矢量之间；H 是水平强度，它是地磁场的水平分量；D 表示磁偏角，存在于地球正北方向和H 之间。另外，以上三个要素在本段落进行了说明，最后的四个要素可以被上述的三个要素表示出来

如上所述，我们使用电子罗盘中的磁阻传感器测量得到磁倾角、水平强度、磁偏角、总强度这四个要素，也就能测量出地磁场的分布情况了。

2 电子罗盘的误差分析

在实际应用中，安装在载体上的电子罗盘，不仅会受到地磁场的作用，还会受到环境磁场的作用。另外，由于制造技术的不发达以及制造工艺的限制，同样也会让罗盘在实际应用中产生误差。误差的来源可以大概分为3种，它们分别是：粗大误差、随机误差以及系统误差，系统误差可分为罗盘传感器的误差和罗差。本小节主要对系统误差进行相应的研究分析。

罗盘传感器误差是由于制造技术不发达，制造工艺不先进产生的硬性误差，可以分为安装误差与制造误差。其中，影响产生制造误差的因素可以总结为以下三个方面：第一是三轴不完全正交引起的，这种误差的产生是因为制造工艺的不成熟；第二是灵敏度存在着误差，信号所有放大倍数的乘积和物理标定的灵敏度不等同，就产生了极大的误差；第三种误差的来源就比较复杂，前文所提到的模数转换器MAX1316在进行模数信号转换时，没有保证零点是零，就造成了此项误差的产生。

安装误差的存在也是人为制造的，只不过它比较客观。当罗盘使用时，必须使得载体坐标系和罗盘自带的坐标系刚好相互重合，否则当罗盘在监测各个姿态角时，就一定会产生误差。这种误差是完全可以消除的，只需要在安装罗盘时，细心就好了。

3 总结

基于三轴磁阻传感器HMC1022的电子罗盘能感知三维方向，有效补偿信号，避免地面障碍物干扰，确保在复杂地形区如植物茂密的森林和高楼林立的城市也能有可靠的导航。但是在实际应用中的电子罗盘，通常会因为受到环境磁场的作用而产生一定误差，影响测量精度。由此可见，为了使电子罗盘发挥更大的价值，我们需要采取一定措施来减小测量误差以提高测量精度。