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导航磁传感器应用：概要

李伟^1,2，李金玲²

¹（电子与信息学院，西北工业大学，中国）

²（测绘与地理信息工程学院，新南威尔士大学，澳大利亚）

本文报告了现有导航应用电子磁传感器技术。磁罗盘几个世纪以来一直被用于导航。地球的磁场被认为是提供了准确，可靠和经济适用的方向上的信息。同时，现代的磁力计和罗盘校准技术使电子罗盘来成为一个重要的导航工具，与此同时，现代磁力计和指南针校准技术允许电子罗盘成为一个至关重要的导航工具,即使在现代卫星导航使用全球导航卫星系统(GNSS)。对磁传感器技术、误差建模和补偿方法进行了综述。对当前的趋势和未来发展前景的电子罗盘进行了分析。

关键词：1.电子罗盘。2.磁力计。3.指南针校准

提交:2013年5月23日。接受:2013年7月28日。第一次网上公布:2013年8月15日

1 引言

地球的磁场强度为约0.5至0.6高斯，可近似到偶极子模型（Ojeda和Borenstein，2000）。Glatzmaier和Roberts（1995）提出了这个偶极子模型采用了一个用磁力线进行的三维仿真。地磁场指向磁北，这指的是地磁极位置，而地理北极是地球的旋转轴和经络线引用。虽然地磁场是不完均匀，地球的整个表面被一个相对一致和可预测而足以指出一个方向的磁场。

自从中国人用天然磁石在超过2000年前（Caruso，1997）显示水平方向开始，地磁场已经被用于定位。在12世纪，第一次记录到使用磁罗盘是地中海海员在海上记录（Grant和Klinkert，1970）。磁罗盘成功用于船舶，是在钢铁船出现之前，自从船只建造引入磁性材料，有了校准程序，被称为罗盘调整，已经开发了以弥补此类船只的磁场罗盘。这个校准调节永位于罗盘箱中指南针的永久磁体和软铁部件（Bowditch，1984），这是费力和耗时的。重新校准必须定期完成，如船的磁性偏差随时间变化并且可以由货物和船舶的地理位置的影响。

为了克服这些问题，惯性技术被开发。敏感的回转罗盘被部署在舰艇以及大飞机上提供精确的航向和姿态。低漂移率这样的惯性器件通常是大型且昂贵的，因此其应用受到限制。航姿，也被称为欧拉角，包括偏航，俯仰和横滚，理论上是从一个特定类型的惯性导航系统（INS）的衍生称为姿态和航向参考系统（AHRS）。

近日，全球定位系统（GPS）设备已被应用到不具有惯性漂移或磁场变化的航姿给予解决方案。单天线GPS接收器能够获得具有位置差或速度测量行驶的车辆的航向。航向精度取决于定位精度和驱动速度（Hu等人，2010）。市售基于GPS的多天线系统的姿态精度比0.5°更好（Kao和Tsai，2006）。这样的精度是一个函数的许多参数，如载波相位观测的精度，多径的水平，天线和车辆的驱动之间的距离（Lachapelle等人，1996）。因此，基于GPS的航姿测定在低动力的应用，如海运和低动力航空（如民用飞机和军用运输飞行）中是可靠的。

随着过去几十年中很大的发展，高性能的导航已经比较成熟，今天的一大挑战是开发使用低成本传感器的导航系统，以实现可接受的性能（Brown和Lu，2004年）。各种不同的传感技术，如雷达，激光（Dickman和de Haag，2009年），视觉（Ruotsalainen等人，2010）已经随着发展用于导航，但地磁场仍然被认为是准确的，可靠的和合算的定向信息源。随着矢量磁力仪技术的发展（Acuntilde;a，2002年），固态电子磁罗盘作为低成本导向系统正在取得进展。电子磁罗盘可以提供方向，而零漂移和现代指南针校正技术可以克服传统磁罗盘的偏差问题。

本文综述了当前电子的罗盘技术，包括磁传感器技术，误差建模和补偿技术。它不包括所有相关的技术，或提供特定算法的细节，而是给打算将电子磁传感器集成到他们的系统设计的设计师提供分析报告在2节介绍了一种电子罗盘的磁传感器。电子罗盘定向的基本原理在3节给出。误差来源和误差模型在4节。在第5节介绍了指南针校准的主要方法。目前的趋势和未来的工作展望是在第6节。

2 磁传感器

磁传感器也被称为磁力计。磁场可以通过各种物理现象来检测。磁传感器或周围的地磁场工作报告是由Lenz（1990）给出。Caruso（1998）将磁传感器分为三类：低场传感器（低于1微高斯），地球磁场传感器（1微高斯至10高斯），和偏置磁场传感器（大于10高斯）。Ripka和Janosek（2010）对磁传感器的技术和应用的最新进展进行了报告。由Robbes（2006年）进行报告的超导量子干涉设备（SQUID）是最敏感的低磁场传感器。最近的光学原子磁力仪的报告是由Budker等人（2007）提出。Bulatowicz和Larsen（2012）提出了一个原子磁力技术，它有可能提供一个独立于GPS的全球位置参考。目前，霍尔，各向异性磁阻（AMR）和磁通门（FG）是市场上最流行的固态磁场传感器。霍尔传感器的典型感应范围是不适合地磁场感测。FG和AMR是现代电子罗盘设计地磁感应工作主力。

2.1 磁通门传感器

磁通门传感器是测量直流和低频交流频段高达1mT的，这是最广泛地用于高精确度的电子罗盘。Moore（1992）评估基于磁通门的磁性罗盘在不同的美国海军船舶类型上，显示出他们有连续校准验证的优势，其性能超过标准的磁罗盘。磁通门传感器的一个很好的报告是由Ripka（1992年）提出，它的基本传感器配置和工作原理也被Ripka（2003）给出。磁通门传感器的最新发展是在数字化（Cerman等，2005），小型化（Baschirotto等人，2007），和正交磁通门（Zorlu等人，2007）。

2.2 AMR传感器

AMR传感器都适合地磁场感应范围，并且是中等精度电子罗盘标准的现成设备。一个很好的导论被Hauser（2000）给出。通常情况下，AMR传感器是由坡莫薄膜沉积到硅衬底并构图，以形成惠斯通电桥电阻器（Caruso，1998）。桥的电阻与感测磁场是成比例的。沿单一轴的场的大小和方向可以被测量。AMR传感器的发展是由Ripka和Janosek（2010）总结。

3定向电子磁罗盘

磁力计构成的定向系统也被称为电子磁罗盘。一种电子磁罗盘可以分为两类：两轴罗盘和捷联式指南针。

3.1 两轴罗盘

在典型的两轴指南针，传感器的x轴指向罗盘前方，y轴指向罗盘的右侧，同时X轴，Y轴是在水平面上。正如图1所示，罗盘方位角是和地磁北和罗盘x轴之间的角度。在x-y-z坐标的是罗盘的主体框架，其中X轴和Y轴平行于地球表面，而z轴指向垂直向下。地磁场是由七个参数描述（Maus等人，2010）。具体而言，在该点的地磁场矢量称为总强度（F）。它可分为垂直强度（Z）和横向强度（H）。水平强度在水平面上分为南北强度（X）和东西强度（Y）。偏角（D）是地理（大地）北磁北，和倾角（Ⅰ）之间的角度为总强度与水平面之间的角度。

图1. 方位角定义（Stork, 2000）

方位可以通过下式计算：

（1）

其中，H_X和H_y是指南针传感器输出。指南针的正确航向可以通过采取偏角兼顾得到。

两轴罗盘只要保持水平就会表现良好。然而，在飞机，船只或陆地车辆的应用中，经常是很难保持罗盘水平的，这导致了相当数量的驶向误差称为倾斜误差。在某些装置中，这是通过使用机械或流体平衡环降低的。

3.2 捷联式指南针

在捷联罗盘是用来纠正倾斜误差的。在一个典型的捷联式指南针，传感器X轴点在指南针向前方向，y轴指向罗盘的右侧，沿z轴指向罗盘的底部。

倾斜角包括俯仰和侧滚。二轴或三轴加速度计通常用于测量这些。三轴加速度计可感测重力加速度，并且倾斜角可通过下式计算：

（2）

其中theta;和gamma;分别指俯仰和侧滚，g是重力加速度，和F_X，F_Y，F_Z是加速度计的输出。如果指南针与这些倾角和滚动角成角度，地磁场的校正分量可以被下列公式计算出

（3a）

（3b）

（3c）

将（3）式代入（1），可以计算出校正后的方位角。

4.磁传感器误差

罗盘检测地磁字段可由多个误差源的影响。

4.1 仪表误差

无论在使用哪种传感器类型的指南针，仪器误差都可以被建模为常数的特定三轴磁力计。

4.1.1 偏压

该传感器在输出中引入了一个偏置量b_so。它是一种可以建模为每个轴的一个标量的在传感器测量中的附加误差。

（4）

4.1.2 比例因子

比例因子是与所述输入到磁力计输出的恒定比例。它可以建模为比例因子矩阵S。

（5）

其中S是由各轴的比例因子SX，SY和Sz组成的对角矩阵。

4.1.3。非正交性。

每个敏感轴的非正交性可以描述为向量空间的基础上，通过参数化的转化（Foster 和Elkaim，2008）

（6）

其中（εx，εy，εz）是偏斜传感器轴和正交轴之间的旋转。

4.1.4 错位

错位是安装错误，当罗盘安装到在一个主机平台，按照在罗盘上的传感器和主机平台的主体框架之间的旋转，表示在Gebre-Egziabher（2006）等人的矩阵变换。

（7）

eta;x，eta;y和eta;z分别是围绕主架x，y和z轴小的旋转。

4.2 地磁误差

地磁误差主要是由于地磁场的特征造成，包括磁偏角和磁倾角。

4.2.1 磁偏角

由指南针测得的方位角，必须通过磁偏角修正，以便得到相对于地理北极的航向。偏角取决于指南针（Caruso，1997年）的位置，但偏角的变化是很慢的和可预测的。可以使用，包含基于全球地磁模型的局部磁偏角的地图或图表可以消除这个误差（马斯等，2010），由美国国家地球物理数据中心（NGDC）开发。

4.2.2 倾角

倾角是可预测的，并且可以通过使用从全球地磁模型数据被消除。如果发生了倾斜，它就是误差源。传统的罗盘使用机械（或流体）平衡环，或捷联式罗盘可以用于倾斜补偿，这对主机平台的动态加速度来说是敏感的。其结果是，所有类型的磁罗盘的工作在固定的或低机动条件下更好。对磁罗盘集成速率陀螺仪，或AHRS有助于克服这种限制。

4.3 局部磁误差

局部磁误差是天然的或人工的异常局部磁干扰产生在地磁场的偏差。就安装在主机平台的指南针而论，局部磁干扰分为主机平台的偏差和环境磁偏差。

4.3.1 主机平台偏差

由于磁性材料的性质，主机平台误差可分为永磁（硬铁）和诱导的磁（软铁）产生的误差。

• 硬铁。硬铁产生于由永久磁铁和磁滞现象。如果主机平台上的硬铁材料的位置保持一致，硬铁效果可以相当于一个偏置表示为

（8）

• 软铁。软质铁材料没有表现出自己的磁性，但它们可以在外加磁场的影响下获得这些性能。这种现象被称为感应磁性。由于附近的软质铁材料的磁感应磁场的强度和方向，将改变根据外部磁场。软铁的影响可以被建模为：

（9）

其中对角元素被充当每个传感器轴的比例因子，以及C_SI的其余元件被充当偏移。

4.3.2 环境磁偏差

在主机平台环境周围的的磁源可引起环境磁场的偏差。对于主机平台，通过这些区域移动时，周围的罗盘环境磁源的位置是随时间变化的，所以强度和感测到的磁场的方向是不可预测的，并且不能在数学上建模。这些不可预知的磁异常是在异常磁场环境，如城市峡谷和室内应用（Afzal，2011）采用电子罗盘主要关注的问题。冗余传感器技术可以帮助检测和减轻对环境的磁性偏差（Ojeda和Borenstein，2000）。在图2所示的罗盘误差中，地磁误差是可以预见的，并且可以很容易地消除；幅度和环境磁场的偏差的方向是不可预知的并且高度依赖于应用环境；仪器误差和主机平台的偏差是主要误差源，它可以通过罗盘误差建模进行补偿。

4.4 指南针误差建模

1824年，Poisson提出了以下航海的罗盘偏差模式（Hine，1968年）：

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