文章内容简介

本文以三款不同型号的电子罗盘为对象，分别就其在电池近距距离干扰的情况下，进行方位误差测试。测试的过程，均按照各自制造商所提供的方法进行。该项测试记录下了电子罗盘在360°的方位内，不同俯仰角/横滚角下时航向的误差数据，从而据此对各电子罗盘的干扰补偿算法进行比较。

磁干扰概述

当在没有外界干扰的情况下，地球上各地的磁场都具有恒定的大小和方向(如图1)。但实际情况是，本地磁场通常都夹杂着干扰磁场，分为：硬磁场和软磁场。本部分我们将讨论2轴罗盘是如何工作及2种不同类型的磁干扰。

在2轴电子罗盘中，沿着水平面方向分布着2个互相垂直的磁传感器(X和Y)，它们分别能够测量各自方向上磁场的大小和方向，如图2。当罗盘在保持水平面并旋转360°后，便可通过磁传感器得到的测量数据绘制出如图3所示的曲线图，即各点的相对位置图(转换可得到实际的方位)。其中，传感器X和Y的测量数据对应于图中各点在X轴和Y轴的坐标值。图中的单位为mG，地球的磁场约为0.5G。

硬磁干扰

当罗盘的所在的环境中存在磁偶极子时，便会产生硬磁干扰。例如，装在汽车后视镜中的磁传感器会受到车上磁偶极子的影响，像音响设备、引擎、风扇的电机、导线中的直流电和电池等。由于这些偶极子都会产生一个附加的磁场(恒定磁场，类似地磁场，可看作是一个向量场)，因此，当叠加到一起时，实际的测量曲线将原图的基础上发生偏移(相当于原图各点都进行了相同的向量运算)，如图4。

软磁干扰

软磁干扰是由可磁化物质扭曲当地的磁场所造成的，如图5。这些物质主要包括镍、铁和其他能造成干扰的磁性材料。通过上面的分析，不难发现，在有软磁干扰情况，测量所得的曲线将会是一个椭圆，如图6。因此，在利用各点的X值和Y值计算旋转角度时，无疑比在硬磁干扰情况下难度更大。

同时存在软磁和硬磁干扰

在绝大多数的应用中，硬磁干扰和软磁干扰同时存在和需要补偿。在这种情况下，本地磁场的测量曲线表现为发生了一定程度上偏移(相对坐标中心)的椭圆，如图7。需要说明的是本地的实际磁场可能会明显大于地球磁场，所以，罗盘中的磁传感器需要有足够的量程进行测量和校准。而对于环境中的这些磁干扰，只需确定其在空间上与传感器的位置关系后，就能够对其进行校准补偿。

如图8是在三维空间中，罗盘可以发生倾斜的情况。其中，蓝色的椭球代表的是实际测量的磁场，而灰色的球状线框则是罗盘的测量值在经过校准后应该得到的结果。在现实的测量中，罗盘最终的精度取决于很多因素，其中包括对软磁和硬磁干扰的校正。下面我们就3款电子罗盘在附近有干扰的情况下进行测试，以检验它们各自的算法。

电子罗盘测试

测试对象

霍尼韦尔HMR3500  Ocean Server OS5000和PNI TCM3

测试过程

1.OS5000的硬磁校准和软磁校准需分开进行：硬磁校准需要在水平面中旋转360°并同时采集读数，然后将平台翻转90°到一侧，重复前面的操作。软磁校准时，需要知道磁场的东西南北的方向

2.HMR3500的软磁和硬磁校准是同时进行的，并且只需在罗盘旋转一周的期间内采集齐16个点的数据。

3.TCM3同HMR3500类似，同样不需要分别对软磁和硬磁进行校准。只是采集的数据点数为12个，俯仰和横滚的变化范围在±45°。

完成对设备的校准后，开始收集测量数据。实验分别选取了0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°和315°几个方位角，并对在该方位角下，当俯仰角为0°、10°、20°、30°、40°和50°时的情况进行了测量。然后按照同样的方法对在0°、10°、20°、30°、40°和50°时横滚角的情况进行了测量。

测量结果

OS5000在不同俯仰角下时的航向测量误差，如图10所示。本次实验只对20°以内的俯仰角进行了测量(罗盘误差太大)，并且由于设备的原因，未能对横滚角的情况进行测量。不过，根据从霍尼韦尔和PNI的测量情况来看，一般可认为横滚角的测量数据与俯仰角下的误差数据是相似的。

霍尼韦尔HMR3500在不同俯仰角下的航向误差，如图11所示。注意图中坐标比例的不同，很明显HMR3500的误差要小于OS5000。从该图也也可以看出，罗盘在非水平状态下时的误差会变得很大。

图12是HMR在不同的横滚角下的数据图。与前面的数据对照发现，罗盘在0°俯仰角和横滚角下的测量结果相同，因为这两种情况下罗盘都处于水平状态。而且当罗盘偏离水平状态越多，测量误差就越大。

PNI TCM3在不同俯仰角下的航向误差，如图13所示。该图采用了与HMR3500相同的坐标比例。观察发现，TCM3即使在50°的俯仰角下，其航向误差也只有±1°左右。

图14是TCM3在不同横滚角下的测量图。罗盘的横向误差在50°的横滚角下，依旧保持在±1°左右。

总结

数据显示，TCM3的航向测量误差在横滚/俯仰角为50°时保持在±1°左右，该角度下霍尼韦尔HMR3500的误差约为±3°，而OS5000则仅在俯仰角为20°时，就已经达到了±7°。很显然造成这种结果的原因是因为HMR3500和OS5000的软磁干扰校准仅在水平情况下具有较好的适应性。此次实验结果充分证实了，PNI电子罗盘校准算法的相对优异性，尤其是在面临大倾斜角情况下的测量，这种优势将更加显著。

 

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