HMC1051/2+STM32F103C二维电子罗盘硬件设计和软件设计(3)
由于电子罗盘军事应用潜能大，西方发达国家一直严格限制高精度导航产品的出口。因此国内电子罗盘制作水平较低[8]，产品性能与发达国家具有较大的距离。目前市场上电子罗盘主要分为磁通门式和磁阻式两种。前者精度有限，动态性能差，精度达到±0.5°，多为国产；后者采用IC形式封装，尺寸小，可靠性高，灵敏度高，响应快，精度达到±0.3°，多为进口。所以研制高精度的电子罗盘对提高我国导航产品的技术水平具有极其重大的意义，有利于促进航空、航天及国防事业的发展[9]。
1.2本文的主要工作
本文的工作主要包括以下几个方面：
1) 介绍地磁场的基本理论及二文系统测量原理；
2) 二文磁阻式电子罗盘硬件设计和软件设计，介绍主要器件的性能特性；
3) 调整试验平台，测量实验数据并进行校正；
4) 分析各种可能存在的误差，并进行补偿；
5) 针对三文电子罗盘，初步提出一种新的方案；
6) 对三文电子罗盘进行系统仿真；
7) 补偿三文电子罗盘非正交误差。
2 电子罗盘的测量原理
2.1地球磁场
普遍认为，地球磁场主要是由地核内液态铁的流动引起的。地球磁场的强度大约为0.5×10-4-0.6×10-4特斯拉，按其磁场矢量的分布[10]大致可划分为三种情形：在北半球，磁场方向指向下；赤道附近，指向为水平；在南半球，指向向上。将地球磁场分解后有一个平行于地球表面且始终指向磁北的分量，这是测量方位角的基准。地球磁场可用图1模拟表示。地磁场由不同的源叠加而成，可分成两部分：源于固体地球内部的稳定磁场和固体地球外部的变化磁场。变化磁场最大变化量也只占稳定磁场的2%-4%[11]，因此依靠稳定场导航。
图1.1 地球磁场图
本文设计的电子罗盘是利用磁阻传感器测量地磁场来实现定向的，因此需要对地磁场矢量进行分析。地球本身是一个巨大的磁体，而且地磁场是围绕地球闭合弯曲的，因此磁力线与地球表面呈现一个的夹角，称为磁倾角。如赤道地区磁倾角为0o，在大连磁倾角为58o，在南京地区磁倾角为48o。
2.2 地磁图和地磁模型
磁北由地球内部的稳定磁场决定，真北在地球的旋转轴处，是地球经线的汇聚处。磁偏角[7]就是地球南北极连线与地磁南北极连线的夹角。不同地理位置的磁偏角不同，最大偏差可达25o。磁偏角在杭州地区为偏西4.4o，在大连为偏西7.5o，南京地区的磁偏角为偏西4.5o。电子罗盘在计算方位角时需要补偿当地的磁偏角。磁偏角可由地磁模型计算得到。
地磁图和地磁模型是描述地磁场的主要手段，也是地磁导航的主要依据。
地磁图是表示在地球磁场各要素数值及其在地球表面分布和变化的等值线图。常用的有磁倾角、磁偏角、水平分量及垂直分量等几种地磁图。地磁模型则是通过拟合的方式所建立的数学模型。目前表征地磁模型的国际标准是IGRF（国际参考地磁场）。该模型是地理经度L、纬度N、高度H、时间T的函数，可以由最新的地磁数据计算出某时某地的地磁要素[12]。
2.3坐标系与姿态角定义
本文用到的坐标系[13]有地面坐标系和载体坐标系。设地面坐标系为OXYZ，OX轴为地磁矢量在水平面上的投影，OY轴位于水平面内且垂直于OX轴，OZ轴垂直于OX轴且竖直向上，OZ与OX轴、OY轴构成右旋坐标系；设载体坐标系为OXaYaZa，OXa位于载体平面内，为罗盘指向方向，OYa轴位于载体平面内且垂直于OXa轴，OZa轴垂直于载体平面向上，且与OXa轴、OYa轴构成右旋坐标系。如图2-1所示。