（电路与系统专业论文）地磁导航综合检测仪的实现及其精确校准技术的研究.pdf

l d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt oh a n g z h o ud i a n z iu n i v e r s i t y f o rt h ed e g r e eo fm a s t e r r e s e a r c ho f g e o m a g n e t i cn a v i g a t i o n d e t e c t o r a n di t sc a l i b r a t i o nt e c h n o l o g y c a n d i d a t e ： w a n g b i n s u p e r v i s o r ：p r o f z h a n gx u n n o v e m b e r ，2 0 1 0 杭州电子科技大学 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 做作者答名：马参弋 学位论文使用授权说明 日期：伊f j 年1 月日 本人完全了解杭州电子科技大学关于保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻 读学位期间论文工作的知识产权单位属杭州电子科技大学。本人保证毕业离校后，发表论 文或使用论文工作成果时署名单位仍然为杭州电子科技大学。学校有权保留送交论文的复 印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、 缩印或其它复制手段保存论文。( 保密论文在解密后遵守此规定) 论文作者签名：弓 指导教9 日期：v1 1 年1 月l 易日 日期： l1 年1 月f 6 日 杭州电子科技入学硕士学位论文 摘要 随着导航技术的飞速发展，一方面以地磁检测为核心的数字磁指向设备以其低成本、高 可靠性和较高的精度等特点，已经开始应用于船舶导航，弥补了g p s 、陀螺仪等不足；另一 方面，传统单一功能的导航设备已经不能满足当今船舶现代化操控的需求，新一代的导航系 统综合了经纬度、航向角、俯仰角、横滚角以及方位角等多种综合信息。这些设备的开发和 生产，急需研制与之配套的导航检测仪器和精确校准系统。本文结合了数字磁罗经、数字方 位仪、g p s 等多种导航设备的优点，研究相关的地磁综合导航核心技术，设计并实现了核心 导航模块所必需的数字化三维磁阻传感器，提出了创新的高精度校准算法，开发了以地磁检 测为主的综合检测仪，该设备能够提供三维地磁强度、经纬度、真航向、磁航向、姿态角、 格林时间以及目标图像等综合信息。 论文首先以导航设备作为研究背景，探讨了国内外的研究现状和发展趋势，着重阐述了 可靠性、稳定性较高的地磁导航原理；其次，通过分析地磁的检测原理，对各种磁传感器性 能进行分析和对比，论证了利用地磁传感器制作的电子罗盘作为导航设备的可行性。在此基 础上，对三维电子罗盘的软硬件设计做了详细的介绍，采用霍尼韦尔公司生产的高灵敏度磁 阻传感器，配合双轴加速度传感器，设计电路完成了放大、滤波和采样等功能，然后通过数 字信号控制器进行数据处理和计算，实现了相关数据测量和输出。同时，依据应用需求，专 门设计了一套自校准系统，从而提高了系统的直接检测精度。另外，还设计了一套传输控制 协议，可通过串口进行输出控制和变量查询。 在完成电子罗盘的基础上，结合数字方位仪、g p s 等其他导航设备，组成了地磁导航综 合检测仪。系统采用d s p 和a r m 双核机制，两者通过h p i 接口通信，实现双核之间高速的 数据通信。整个系统完成了对视频图像的采集与显示，实现了各个外设之间的实时数据通信 以及算法的移植。 最后，针对在实际研制过程中遇到的问题，提出并实现了一种单一航向的校准算法，该 方法通过分离船磁和地磁，扣除环境剩磁干扰所造成的误差，可以进一步提高检测精度，同 时简化了校准操作过程。与传统校准方法相比，解决了以往罗盘校准时需要连带载体一起转 圈的麻烦，节省了燃油消耗，提高了校准效率。 关键词：综合导航，磁指向设备，双核处理器，校准系统 杭州电子科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f n a v i g a t i o n ，o no n eh a n d ，d i g i t a lm a g n e t i co r i e n t a t i o ne q u i p m e n t h a sb e e nu s e di ns h i pn a v i g a t i o nb e c a u s eo ft h el o wc o s t ，h i g hr e l i a b i l i t ya n dh i g hp r e c i s i o n i t m a k e su pt h es h o r t a g e so fg p sa n dg y r o s c o p e s o nt h eo t h e rh a n d ，t r a d i t i o n a l s i n g l e f u n c t i o n n a v i g a t i o ne q u i p m e n tc a nn ol o n g e rm e e tt h ed e m a n d so fs h i p sc o n t r o ln o w a d a y s i n t e g r a t e d n a v i g a t i o ns y s t e mb a s e do nm a g n e t i co r i e n t a t i o nw i l lb e c o m ean e wr e s e a r c hd i r e c t i o n t h i sp a p e r s y n t h e s i z e st h ea d v a n t a g e so ft h ed i g i t a lc o m p a s s ，d i g i t a la z i m u t hi n s t r u m e n ta n dg p sm o d u l e ，a n d c o m b i n e st h e mi n t oag e o m a g n e t i cn a v i g a t i o nd e t e c t o r i th a sc o m p l e t e dt h ed i g i t a lc o m p a s sd e s i g n a n dt h eh i g h - p r e c i s i o nc a l i b r a t i o na l g o r i t h m t h i sd e t e c t o rc a n p r o v i d ei n f o r m a t i o no ng e o m a g n e t i c i n t e n s i t y , m a g n e t i ch e a d i n ga n g l e ，a t t i t u d ea n g l e ，t a r g e ti m a g e ，l a t i t u d ea n dl o n g i t u d e ，g r e e nt i m e a n ds oo n t h ed i g i t a lc o m p a s sh a sb e e nd e v e l o p e ds u c c e s s f u l l ya st h ec o r en a v i g a t i o nm o d u l e i tc o n s i s t s o fa3 - a x i sm a g n e t i cs e n s o rw h i c hi sp r o d u c e db yh o n e y w e l l ，at i l ts e n s o rw h i c hi sp r o d u c e db y a d i ，a n dad s p i c 30 f 4 0 13m i c r o p r o c e s s o rw h i c hi sp r o d u c e db ym i c r o c h i p i ta l s oc o m p r i s e sa 16 一b i ta dc o n v e r t e rt oa m p l i f ya n ds a m p l et h ea n a l o gs i g n a lf r o mt h em a g n e t i cs e n s o r a t r a n s p o r t p r o t o c o li sd e s i g n e dt oc o n t r o lt h eo u t p u ta n dq u e r yt h ev a r i a b l e b a s e do nt h ed i g i t a lc o m p a s s ，ag e o m a g n e t i cn a v i g a t i o nd e t e c t o ri sd e s i g n e db yad u a l - c o r e s y s t e mw h i c hi s c o m b i n e dad s pc o r ew i t ha i la r mc o r e i tc a nc a p t u r et h ev i d e of r o mc c d c a m e r a , d i s p l a yt h ev i d e oo nt h et f tm o n i t o ra f t e ra d d i n gam a n - m a c h i n ei n t e r f a c ea b o v ei t t r a n s m i s s i o nt h ed a t aa m o n gt h ep e r i p h e r a l s ，a n de x e c u t et h em i g r a t i o na l g o r i t h m s i na d d i t i o n ，a c c o r d i n gt ot h ep r o b l e mf r o mt h ep r o c e s so fd e v e l o p m e n t ，t h ep a p e r p u t sf o r w a r d an e wc a l i b r a t i o nm e t h o d t h ec a l i b r a t i o nb a s e do ns i n g l e - h e a d i n gc a nr e a l i z et h ec o m p a s s c a l i b r a t i o nw i t h o u tt h en e e dt or o t a t et h es h i pi nac i r c l em o v e m e n t i nt h i ss c h e m e ，t h es h i p m a g n e t i s ma n dt h ee a r t hm a g n e t i s ma r em e a s u r e ds e p a r a t e l yb a s i n go nt w oh y p o t h e s i sp r e m i s e s i t h a ss i m p l i f i e dt h et e d i o u ss t e p so ft h et r a d i t i o n a ls e l f - c a l i b r a t i o np r o c e s s i tr e d u c e st h ec o s to fn a v i g a t i o ne q u i p m e n tb yr e s e a r c h i n gt h ec o r em o d u l e t h i sd e s i g np l a y s t h ea d v a n t a g e so fs e v e r a ln a v i g a t i o ne q u i p m e n t s ，a n ds h o w sad i g i t i z e d ，i n t e l l i g e n ta n da u t o m a t i c s y s t e m ，a n da l s os h o w sag o o dp r o s p e c t k e y w o r d s ：i n t e g r a t e dn a v i g a t i o n o n ，m a g n e t i co r i e n t a t i o n ，d u a l - c o r ep r o c e s s o r ，c a l i b r a t i o n l i 杭州电子科技人学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目勇乏i i i 第l 章绪论1 1 1 引言1 1 2 国内外研究现状和发展趋势1 1 3 论文主要内容和创新点3 1 3 1 论文的主要内容3 1 3 2 主要的创新点一4 1 4 论文结构安排4 第2 章地磁导航检测原理5 2 1 地磁测量与罗盘的发展历史5 2 2 地磁测量和航向测量原理6 2 3 地磁传感器的分类及其各自的特点8 2 3 1 霍尔传感器8 2 3 2 磁通门传感器一9 2 3 3 磁阻传感器9 2 3 4 巨磁阻传感器1o 2 4 本章小结1 1 第3 章地磁检测和三维电子罗盘的设计与实现1 2 3 1 设计指标及系统方案1 2 3 2 硬件的设计与实现1 3 3 2 1 主要元器件的选择1 3 3 2 2 硬件电路的设计与实现1 6 3 2 3 抗干扰措施的研究与设计1 9 3 3 软件的设计与实现2 0 3 3 1 软件开发平台简介2 0 3 3 2 软件流程图及模块化介绍2 1 3 4 软硬件联调2 6 3 4 1 硬件检查2 6 3 4 2 软件检查2 7 1 i i 杭州电子科技大学硕十学位论文 3 4 3 系统联调2 7 3 5 误差分析及用于航向输出的简单补偿校准2 7 3 5 1 误差主要来源及分析2 7 3 5 2 自校准算法的研究与实现2 7 3 6 本章小结2 8 第4 章地磁导航综合检测仪的整体设计2 9 4 1 地磁导航综合检测仪的硬件设计2 9 4 1 1d s p 核心板的简介2 9 4 1 2 系统各功能模块简介及接口电路设计3 2 4 1 3 整机电源模块设计3 3 4 2 地磁导航综合检测仪的软件设计3 5 4 2 1 双核h p i 通讯程序设计3 5 4 2 2 图像采集与显示程序设计3 6 4 2 3 人机交互界面菜单设计3 9 4 2 4 多串口协议解析设计4 0 4 2 5 校准算法的设计一4 1 4 3 本章小结4 1 第5 章校准技术的研究与实现4 2 5 1 现有校准技术的研究与分析4 2 5 2 基于单一航向的电子罗盘校准技术的研究与实现4 3 5 2 1 单一航向算法的提出4 3 5 2 2 单一航向算法的论证及校准时的操作方法4 4 5 3 本章小结4 5 第6 章实测与结果分析一4 6 6 1 电子罗盘的数据分析一4 6 6 2 地磁导航综合检测仪的控制与使用4 8 6 3 应用校准技术的数据分析4 9 第7 章总结与展望5 1 参考文献5 2 致谢5 4 杭州电子科技大学硕士学何论文 第1 章绪论 1 1 引言 随着人类文明的飞速发展，海洋开发技术和宇宙空间技术都在同新月异，人类的活动领 域不断得到扩展，因而导航技术也成为了当今世界引人关注的话题，它的各项指标将直接影 响到运载器的准确性、安全性和经济性。从上个世纪中叶以来，各种导航设备相继问世，如 机械惯性导航系统、多普勒导航系统、地磁导航系统、g p s 全球定位系统等【l 】。这些导航设 备有着各自的应用领域和优缺点，它们有的能连续提供位置信息，有的能提供载体航向、姿 态信息，有的甚至能用微处理器计算出用于纠正载体航向偏差、指导正确航行的各种参数， 并应用于无人驾驶。近些年来，随着电子信息技术的不断发展，以及导航指标的进一步提高， 过去单一性的导航方式已经无法满足需求，把两种或两种以上的导航设备组合在一起，并采 用新型高性能处理器加入各种自动纠错算法的综合导航系统将成为新一代导航系统的必然趋 势【2 】。这样的导航系统能够避免各自缺点，又能综合发挥各自特有的优势，提高最终输出的 各项指标精度，更好地满足对导航系统的要求，真正实现导航的全球性、全天候、自动化、 完全可靠和高精度。 在众多导航设备的原理中，基于地磁测量的导航仪有着最悠久的历史，人们在很早以前 就对鸽子为什么即便是千里之外也能准确飞回，候鸟为什么能长期沿着固定的路线迁移有着 浓厚的兴趣。通过大量的研究显示地磁场是导航的重要组成部分，地磁场是地球系统的基本 物理场，它直接影响着地球系统中一切运动的带电物体或带磁物体的运动学特性1 3 j 。地磁场 是地球的固有资源，为航空、航天、航海提供了天然的坐标系，可应用于航天器或船舶的定 位定向及姿态控制。地磁导航系统将会是一个大有前途的领域。同时，磁传感器也不断发展， 新型磁力仪加速度计，采用微型磁通门磁力仪的传感器，微磁性共振罗盘纷纷出现，这些都 预示通过磁材料传感器感应地球磁场作为导航系统是可行的。如今很多便携设备中都具备测 试航向信息的功能，如手机，p d a ，导航仪等等【4 】，而这些设备采用各式各样的罗盘来确定 磁航向，如采用磁阻传感器设计的电子罗盘能将分辨率提高n o 1 度以内【引。因而，可以依靠 这个相对稳定的物理量作为导航设备的基本量纲，并配合以其他导航设备，及各种补偿校准 算法，组成综合检测仪，实时提供各种导航中所需的数据。如罗盘导航与g p s 、惯性系统组 成的综合导航系统，具有无源、无辐射、全天时、全天候、全地域、体积小、能耗低的优良 特点【6 1 。 1 2 国内外研究现状和发展趋势 随着人类对赖以生存的地球认识的不断加深，从海洋到陆地，从赤道到两极，都存在着 人类的活动痕迹，而人类能如此来去自如与定向技术的不断发展息息相关，无论是航天器， 杭州电子科技人学硕七学位论文 舶等一些大型设备，还是导弹、自动跟踪勘探装置等一些小型设备，都需要定向导航技术。 导航技术发展至今，已经涌现出各种各样的用于定向的导航设备，如磁罗经，陀螺仪，无 电导航仪，电子罗盘等，它们都被广泛的使用着。 磁罗经系统，目前在i i i i 导航上依然被大量使用，它结构简单，完全依靠地球磁场来指 ，可靠性高，然而它体积大，重量重，不能直接给出电气信号，需要专业人员去读取罗盘 数，会造成一定的人为误差，且罗差的消除步骤极为繁琐，国外基本己使用电子罗盘代替， 内也有一定的研究和突破1 7 。 陀螺仪，是根据运动物体高速旋转时，角动量很大，旋转轴会一直稳定指向一个方向的 质，制造出来的定向仪器。它曾经一度是航空、航海和太空导航系统中判断方位的重要依 。它与普通的罗盘相比，可靠性更高，传统的罗盘利用地磁导航，容易受到矿物分布的干 ，尤其是铁质材料的影响，且仅适用于水平面，载体的倾斜也会带来一定的输出误差。然 ，陀螺仪原理看似简单，但在实际工程应用中，存在启动时间长，漂移大的缺点，且其造 昂贵，维护困难，除一些大型贵重设备以外，很难普及到各种导航器上。 无线电定位仪器，指供载体利用无线电技术定位的仪器。过去使用较多的有测向仪、康 尔等方位系统和罗兰、台卡、奥米加、子午仪导航等双曲线系统【8 】。n 2 0 世纪8 0 年代后期， 国的g p s 全球定位系统投入使用后，卫星定位导航为无线电定位开辟了新章节，g p s 是由 国国防部研制部署和控制的军民两用卫星导航定位系统。1 9 9 1 年的海湾战争，美军将g p s 球卫星导航定位系统首次应用于实战，并获得巨大成功。1 0 多年来，g p s 全球卫星导航定 系统一直运转，从美国本土到世界各地，从军用到民用，从南极的科考队员到伊拉克的美 士兵身上，处处可以发现它的身影。它较好的满足了高精度、全天候、全球性等导航需求， 导航、定位、测速、定向方面被广泛使用。但是依然存在着一定的不足，从g p s 本身而言， 最致命的缺点在于信号的覆盖，一旦是在室内或是山谷野外，无法接收到卫星信号时将无 使用，经过微波中继站，城市高楼的反射也会造成信号的不稳定，造成输出漂移。另外恶 的天气变化也一定程度地影响着无线电信号的接收。从使用精度而言，g p s 目前虽为世界 国所采用，美国从中赚取了巨额利润，但是为防范某些国家军队利用g p s 威胁美国，美国 向外国提供低精度的卫星信号，对美军则提供最精确的信号。由此可见，民用的g p s 精度 够，误差比较大，而军用的g p s 又受到美国的种种限制，使用目的受到干涉，安全性有限， 旦需要，美国可随时切断向某些国家发送的信号，使这些国家的飞机、舰船等陷于“瘫痪”。 除g p s ：夕 - ，许多国家为了防止垄断都进行着各自卫星定位系统的研制，如俄罗斯的“格洛 斯”( g l o n a s s ) 系统，欧洲的“伽利略”全球卫星导航定位系统，以及中国的“北斗一号”、“北 斗二号”卫星系统。其中，“北斗一号”是区域卫星导航系统，只有3 颗位于高度近3 万k m 的地球 同步轨道，只能用于中国及其周边地区。“北斗二号”已经开始启动，于2 0 1 0 年1 月1 7 日成功发 射了第三颗导航卫星，计戈1 2 0 1 2 年左右，“北斗”系统将覆盖亚太地区，2 0 2 0 年左右覆盖全球， 实现与g p s ：十i 同的功能。 基于当前卫星定位系统存在的不足，可以采用组合导航的方式，这就需要提供一种在g p s 2 杭州电子科技火学硕十学位论文 信号失锁后能够进行有效补偿，使得导航系统真正实现全天候的导航设备。因此，电子罗盘 应运而生。根据地磁测量原理设计的电子罗盘，其所用器件为基于m e m s 技术的固念芯片， 因此与传统的磁罗盘和磁通门罗盘相比，具有体积小、结构简单、启动快、功耗低等优点， 在车辆导航、机器人、无人机、雷达、航空、航海等领域有着广阔的应用【9 1 。电子罗盘依然 依靠地磁作为导航原理，但与普通罗盘不同。首先，电子罗盘能够直接输出电信号，与其他 导航设备无缝连接，无需人工读数；其次，基于普通罗盘在二维平面的使用限制，可以采用 采集三轴地磁的方式，对倾斜的载体进行补偿，使其精度进一步提高。由上述可见电子罗盘 存在潜在的军事应用能力，西方国家一直严格禁止出售高精度的电子罗盘至我国。然而作为 指南针的故乡，远在北宋时期就有对地磁的研究，沈括( 1 0 3 2 1 0 9 6 ) 著梦溪笔谈中记载“方 家( 即道士) 以磁石摩( 磨) 针锋，则能指南，然常微偏东，不全南也”【l o 】，中国完全有能力 自主研发高精度的电子罗盘以应用于军民领域。目前我国多家科研单位已经在无人机磁自主 导航、近地卫星磁自主导航、卫星姿态控制、地磁模型研制等领域取得了许多成就【l l 】。本文 也是基于此出发点，在自主研发电子罗盘的基础上，配合g p s 对电子罗盘进行高精度校准， 真正做到“丢星不丢向”。 1 3 论文主要内容和创新点 1 3 1 论文的主要内容 本文是面向具体产品需求而展开的，主要通过对磁阻传感器和m e m s 传感器原理的研 究，采用各向异性传感器( a m r ) 、双轴加速度传感器自主研发一套具有体积小、精度高、响 应时间短、低成本、带倾斜补偿的三维电子罗盘。在此基础上，配合数字方位仪、g p s 等多 种导航设备组成综合导航系统，将各自的特点加以融合，避免了过去对性能要求较高的航行 器上简单的机械组合导航设备而带来的负面影响，如成本大幅度提高，操作难度增加等。因 此为整套系统制作了人机交互界面，便于使用。同时，对这种地磁导航为主，其他导航设备 为辅的导航系统进行更深一步的研究，在原有的电子罗盘自校准基础上，利用其他设备的优 势，通过单一航向算法对整个系统校准，可进一步简化校准步骤，并达到较好的校准精度。 本文的工作内容可概括为以下几个方面： 1 查阅大量相关文献，了解电子罗盘的现状及其智能化、集成化、低成本化的发展方向， 通过对磁阻传感器的研究，提出了带倾斜补偿的三维电子罗盘的可行性。 2 提出罗盘的设计方案，并制定预计指标，采用磁阻传感器和加速度传感器以及d s p i c 核心处理器，设计应用电路，包括微小信号的采集、放大、滤波等工作，并拟定了罗盘与外 界通信的协议，通过串口通讯，液晶显示的方式输出数据，最终确定了磁阻电子罗盘的结构 和实现功能。 3 掌握a l t i u md e s i r e r8 以及相关硬件知识，绘制电子罗盘的原理图、p c b 图，同时完 成焊接、调试工作。 4 掌握d s p i c 的编程集成开发环境m p l a b ，并在其上完成了主程序、a d 采集程序、 杭州电子科技大学硕士学位论文 航向角解算程序、软件滤波程序、补偿校正程序、通讯协议解析程序以及显示程序的开发， 同时通过软硬件的联调，真正实现电子罗盘的功能。 5 基于t i 开发板t m s 3 2 0 d m 6 4 2 平台制作人机交互界面，完成数字方位仪对视频信号 的捕捉以及液晶屏上的显示，并叠加菜单字符，同时采用a r m 7 内核的l p c 2 2 1 4 处理器完成 对电子罗盘、数字方位仪及其他外界信号的协议解析和数据处理，以及相应的按键控制操作， 传送至d s p 平台显示，两者采用h p i 通信。 6 整机联调，为整机多电源系统设计了多级电源可靠电路，最终输出在导航中需要用到 的地磁大小、航向角、俯仰角、横滚角、经纬度、格林时间、目标图像等各种信息。 7 对系统调试中发现的误差产生原因进行分析，并对现有的罗盘校准原理进行研究，基 于在大型载体上不方便转圈的现状，提出一种无需在大型载体上转圈的校准方式，并达到了 较满意的效果。 1 3 2 主要的创新点 1 本文提出了为地磁导航配套的地磁导航综合检测仪的设计思路，它集数字罗盘、数字 方位仪、g p s 于一体，并结合了它们的优点，同时独立研发了较现有产品性能更好的三维磁 阻传感器，达到了较高的检测精度。 2 对电子罗盘现有的白校准方法进行优化，提出了一种创新的单一航向算法，该方法通 过船磁地磁分离测试，无需将载体转圈即可实现系统的校准，简化了过去各种校准方法中需 要连同载体旋转或固定指向多个方向的繁琐步骤。 1 4 论文结构安排 论文章节安排如下： 第一章绪论主要介绍了本课题研究的目的和意义，当前导航设备的研究背景，和国内外 的发展趋势，并给出了论文的主要内容和创新点； 第二章从地磁测量的发展历史出发，讲述了地磁测量和航向测量的几种方法，并对当前 较为有效的一种进行了原理性分析，另外也对几种不同的地磁传感器进行分析和对比； 第三章详细介绍了三维电子罗盘的软硬件设计，以及在联调中遇到的问题，对误差的来 源做了简单的分析，并给出了自校准算法的具体实现过程； 第四章以电子罗盘为主要测量工具，其他导航设备为辅助工具，搭建了地磁导航综合检 测仪，主要介绍了软硬件的设计与实现方法； 第五章根据在研制及使用过程中遇到的困难，提出了一种新的校准方法，并讲述了原理、 推导过程以及验证方法等； 第六章根据实际的工作结果，给出了相应的测试数据和实物图，并对误差进行了分析； 第七章对本文的工作进行总结，并提出了本课题的不足以及对今后的进一步深入研究做 了展望。 4 杭州电子科技人学硕士学位论文 第2 章地磁导航检测原理 2 1 地磁测量与罗盘的发展历史 地磁场与地电场、重力场被称之为地球的三大物理场，包含着地球内外部空间中丰富的 信息。而地磁场又是将日、地、大气、生物连为一体的物理场，地磁活动的特征能够反应太 阳、气候等变化。因此地磁测量技术自古以来在人类认知地球上都扮演着重要的角色。 从发现磁石到如今全方位、全天候的三维地磁观测，地磁检测方式也随着测量技术的发 展而发展，发生了翻天覆地的变化。按照其原理和使用材料的不同主要可以分为以下三个阶 段，第一阶段在1 9 世纪左右，主要采用光学、力学和电磁学原理制成的各种机械式磁力仪， 可以测量磁倾角，磁偏角，经纬度等等数据，满足了当时的需求，然而其采样周期较长，采 样率低下，体积偏大的缺点很快被磁性材料的崛起而取代了。处于2 0 世纪的第二阶段，是地 磁仪器的大发展时期，磁通门、质子旋进技术的产生，使地磁测量进入了电子磁力仪阶段， 依靠电子技术的迅速发展为地磁测量提供了一个稳定可靠的平台，然而这个时期的产品，如 磁通门磁力仪，质子旋进磁力仪存在着功耗大，响应速度慢，价格昂贵的缺点，但即使如此， 由于其技术的成熟以及仪器的高稳定性如今仍存在一定的应用。2 0 世纪术以来，地磁测量进 入了第三阶段，各类磁阻传感器的诞生，如各向异性磁阻传感器( a m r ) ，巨磁阻传感器( g m r ) ， 隧道型巨磁阻传感器( t m r ) ，采样精度不断提高，配合以高速的处理器，使得低功耗，高精 度，高采样率成为了可能。然而人们的并没有满足于现状，激光、超导技术的日趋成熟，它 们也加入了地磁检测的行列中来，在不久的将来，定会出现更高精度，更高稳定性的地磁检 测仪器，它们将会担当起高空、海底、沙漠地区以及医学、生物领域的高难度检测任务，为 人类提供更多有用的信息l l2 | 。 但是无论在哪个阶段，地磁测量的在导航上的最直接应用就是指向，而罗盘则是指向最 有力的工具。追溯过去，最早的地磁检测仪是我国古代四大发明之一指南针。早在两千多年 前我国就已经使用磁石研制成了世界上最早的指南针，称为司南。中国也是最早将指南针应 用于航海导航。到了元代己经使用指南针来确定航线，出现了在指南针四周加上有2 4 个方位 的指示盘，合称为罗盘。1 2 世纪后罗盘传到阿拉伯，而后又传给欧洲人。到了1 3 世纪罗盘 已得到广泛的应用，为世界航海业的发展起了重要的推动作用。2 0 世纪以前，罗盘在技术上 没有实质性的改善。此后到2 0 世纪初，人们对罗盘。在材料和机械结构方面进行了许多改进， 使其性能有了很大的提高。其中最有代表性的是机械式磁罗盘。直到现在，部队和野外仍在 使用这种罗盘。由于工作原理的限制，机械式磁罗盘存在误差较大和读数困难两个致命的问 题。约在1 9 0 6 年，德国人h a k a e m p f e 发明了陀螺罗盘。这种罗盘能感受地球的自转，不会 受铁磁材料的影响，由于陀螺固有的稳定性，其标度盘始终保持稳定，读数容易。陀螺罗盘 杭州电子科技大学硕十学位论文 现曾使机械式罗盘在军用和大型商用船上失去了主要的地位，而只作为应急使用。只有 商用船出于经济方面的考虑仍在使用机械式磁罗盘。第二次世界大战时，远读式磁罗盘 现给磁罗盘带来了生机。远读式磁罗盘将机械式罗盘与电器装置组合在一起，通过感受 的位置获得电信号，并通过随动系统带动指示器指示磁航向。有了这套系统，就可以将 盘安装在远离铁磁材料的地方，从而解决机械式磁罗盘的第一个问题。为了解决机械式 盘的第二个问题，人们把远读式磁罗盘与方向陀螺结合组成了陀螺磁罗盘。虽然方向陀 具备自动寻北的功能，且长时间漂移大。但它在短时间内还是能提供非常稳定的方向。 磁罗盘与陀螺罗盘和远读式磁罗盘相比，优点明显。既有比较满意的精度，又有很好的 性，成为理想航向测量装置。目前国产的各种型号飞行器均采用我国自行研制的陀螺磁 。至此，磁罗盘成为导航系统一个不可缺少的部分i 引。 地磁测量和航向测量原理 众所周知，地球的磁场强度大约为o 5 0 6 高斯，罗盘之所以能够正确指向，是因为地磁 一个平行于地球表面的成份，并始终指向磁北。地球磁场可用图2 1 中所示的模型模拟 。由该图可见，北半球中地球磁场向下指向北方，在赤道处它水平指向北方，并且在南 中向上指向北方。由于地质不均匀等条件影响，磁场矢量方向与地球表面存在一个夹角， 为地磁倾角或磁倾角。而磁北指的是地球磁极位置，大约与真北或地理正北偏差1 1 5 度。 偏差被称为磁偏角，可查找以地理位置为基础的磁差库获取。真北位于地球自转轴线北 在地图上由子午线标出在地球不同位置上磁北与真北可偏差+ 2 5 度。但是，无论是磁偏 考一 厂，辨葛_ ) 、愿。锄叠一7 一 一一一j j l i i 二一0 一 6 杭州电子科技大学硕十学位论文 式中中可按下式求出 换算成角度为： 矽= 一a r c t a n ( 风h x ) 彩= 一a r c t a n ( h r h x ) x 1 8 0 z n o ( 2 3 ) ( 2 4 ) 图2 2x y 轴磁阻传感器对地磁场的测量 由于反正切公式计算结果角度范围在9 0 9 0 0 ，而设计传感器输出应为0 3 6 0 0 ，所以在实 际编写算法程序时需要做适当的处理，同时在9 0 0 和2 7 0 0 也要特殊处理，具体方法是采用以下 一组公式： 在9 0 0 时h x = 0 ，h y 0 ，航向角= 2 7 0 0 0 在第一象限时h x 0 ，h y 0 ，公式输出为0 9 0 0 ，航向角= 9 在第二象限时h x 0 ，h y 0 ，h y 0 ，公式输出为9 0 0 0 ，航向角= 3 6 0 + 9 然而，在大多数情况下，罗盘的使用不可能仅仅局限于在水平面上。它们通常安装在船 只、飞机或不平整地面上，这时就必须考虑三维地磁测量的情况。由于罗盘并不总是水平于 地表摆放，这使得确定航向角或行进方向变得更加困难，由倾斜角产生的误差很大程度上取 决于倾斜角的大小，纠正罗盘倾斜的典型方法是使用倾角仪或倾斜传感器来确定横滚角、俯 仰角的大小。 图2 3 以地球水平面为基准的罗盘倾斜 杭州电子科技大学硕十学位论文 横滚和俯仰是通常用在航空学上的专业术语：横滚是指围绕x 或前进方向的旋转，通常 右下倾斜为正，俯仰则是指围绕y 或左右方向的旋转，通常以前上倾斜为正，如图2 3 所 由此可见，一个电子罗盘要在载体翻滚的情况下得到航向输出做定向用，那么，此罗盘 至少要有一个三轴磁传感器和一个二轴倾斜传感器l l3 。 倾斜传感器的种类繁多，比较常见的如液体充填式倾斜传感器，类似于一个玻璃“套管”。 感器改变角度时，它使用电极监控液体运动。还可以使用更加新型的m e m s 传感器，如 加速度传感器等，这种传感器采用机电电路测量地球的重力场，输出一个与倾角等量的 号，通过a d 转换即可直接使用。磁传感器必须依赖于所有的三条磁轴线( x 、y 、z ) ，这 集到的地球磁场可以完全转回至水平方向。图2 4 展示了以运行载体朝右或朝前水平方向 准的罗盘的横滚角( 伊) 和俯仰角( ) ，运用旋转方程式可以将x 、y s h z 磁场强度读数换算 原来的坐标系平面【1 4 】，至此可在载体倾斜状态下准确的计算出航向角”】。 地磁传感器的分类及其各自的特点 电子罗盘的核心是磁材料的传感器，不同工作类型的磁传感器构成了各种类型的罗盘， 准确选择测量磁场的传感器是制作罗盘的技术关键。现有的磁传感器，如霍尔传感器、 门传感器、磁阻传感器、巨磁阻传感器等，它们不仅可以检测磁场的大小、方向，有些 能测量载体的姿态、位移等各种参数，在各个领域广泛应用，但是对于地磁的测量却各 弊。 1 霍尔传感器 自1 8 7 9 年，美国物理学家e d w i mh e r b e r th a l l 发现了霍尔效应，霍尔技术越来越多地应 工业控制的各个领域。霍尔传感器是基于霍尔效应的工作原理制成的。 h y 图2 4 霍尔器件输出电压与航向的关系 在半导体薄片上，若沿某一方向通入电流，沿与其垂直的方向加上磁感应强度，则薄片 中的正电荷会在洛仑兹力作用下向垂直于薄片平面方向聚集，结果在薄片的上下表面形成正 负电荷的累积，形成电势差，称之为霍尔电压：霍尔传感器内部结构是采用二个完全相同的 霍尔器件相互垂直放置在载体首尾方向和左右方向，如图2 4 所示。此时由霍尔传感器感应 地磁场产生的霍尔电压( u h ，u y ) 与航向角有一一对应的关系，u w = u he o s ，其中【，肌为 载体首尾方向的霍尔电压，矽为载体与磁场h 方向的夹角，同理沿载体左右方向的输出电压 杭州电子科技人学硕十学位论文 与航向关系为u 胛= u s i n o ，航向角同样可由式( 2 3 ) 求得。 霍尔传感器由经过特殊工艺制造的半导体材料制成，它具有结构牢固、体积小、重量轻、 寿命长、安装方便等优点【1 6 j 。最近几年，霍尔材料除了采用i n s b ( 锑化铟) 之外，有用硅衬 底的，也有采用砷化镓材料的。霍尔器件采用全桥电路，其电桥的内阻大约在1 5 0 5 0 0 f 2 ，工 作电流大约在2 1 0 m a 左右，响应速度则大约在1 u s 的数量级。利用霍尔效应的传感器可以测 量磁化强度在8 0 0 至几万a m 范围的磁场。目前最常用的是硅型霍尔传感器，由于硅片中的霍 尔效应在百分之几到上百a m 的范围内都是呈线性的，因而能较好地完成地磁测量工作【r 7 1 。 2 3 2 磁通门传感器 磁通门传感器是利用磁性材料具有饱和特性的磁通门效应原理工作1 1 引，根据被测磁场中 高导磁铁芯在交变磁场的饱和激励下，其磁感应强度与磁场强度的非线性关系来测量弱磁场 的一种传感器。与其它类型磁传感器相比，磁通门传感器具有分辨率高( 最高可达1 0 1t ) ， 测量弱磁场范围宽( 在1 0 罐t 以下) ，体积小、重量轻、功耗低、性价比高、能够直接测量磁 场的分量等特点。 磁通门传感器在用于航向计算时，与霍尔传感器一样，可以制成两到三轴的罗盘，当测 得位于x y 平面两轴电压并进行换算后，即可获得载体的航向值。然而，磁通门传感器它的致 命缺点在于其响应时间较长，对于高速运行的飞机或船舶，显然不能达到满意的跟踪效果。 但自2 0 世纪中叶问世以来，它已经得到了不断地发展和改进，目前在海洋流向、风向、海洋 机器人水下运动姿态、钻井及航海等各方面的磁场测量中都得到广泛应用。 2 3 3 磁阻传感器 最近几年，