关于电子磁罗盘和双GPS组合两种定向方式的比较分析

关于电子磁罗盘和双GPS组合两种定向方式

的比较分析

吴书猛

（西安雷通科技有限责任公司 研发部，陕西西安 710100）

【摘要】：电子磁罗盘定向是利用地球地磁场的作用来实现的，主要部分有磁阻力传感器

和倾角传感器；双GPS组合定向则是基于全球定位系统（GPS），利用两GPS天线载波相位快速差分，通过相应算法来得到载体定向姿态信息。 关键词：电子磁罗盘，双GPS组合，定向

Comparative analysis the way of orientation about electronic

magnetic compass and dual GPS

Wu Shumeng

(XI’AN LEITONG SCIENCE&TECHNOLOGY CO.LTD, Shaanxi Xi’an，710100)

Abstract: electronic magnetic compass use Earth`s magnetic field to orient, the main part

consists of magnetic resistance sensor and tilt sensor. Dual GPS orientation is based on the Global Position System, using dual carrier phase of the GPS antenna, by the algorithm to achieve the orientation.

Key Words: electronic magnetic compass, dual GPS, orientation

1引言

车载、船载配套设备，如车载天线、轮船导航等经常需要定向设备来进行航向指示。目前行业中经常采用的有两种，一是利用地磁系统的电子磁罗盘，一是双GPS组合定向设备。两类产品各有优缺点，本文讲就两类产品的原理，使用和优缺点进行比较分析。

2电子磁罗盘定向原理

传统罗盘用一根被磁化的磁针来感应地球磁场，地球磁场与磁针之间的磁力引起磁针转动，直至磁针的两端分别指向地球的磁南极与磁北极。指南针就是通过感知地球磁场的存在来计算磁北极的方向。电子磁罗盘也一样，只不过把磁针换成了磁阻传感器，然后将感受到的地磁信息转换为数字信号，通过相应处理得到定向姿态各种角度信息。

电子磁罗盘核心部分主要是由三维磁阻力传感器、双轴倾角传感器和中央处理器组成。

地磁场是一个矢量，对于一个固定的地点来说，这个矢量可以分解为两个与当地水平面平行的分量和一个与当地水平面垂直的分量。如果保持电子罗盘和当地的水平面平行，那么罗盘中磁力计的三个轴就和这三个分量对应起来，如图所示。

对水平方向的两个分量来说，他们的矢量和总是指向磁北的。电子磁罗盘中的航向角就是当前方向和磁北的夹角。当电子磁罗盘保持水平，只需要用磁阻力传感器的水平方向两轴（通常为X轴和Y轴）的检测数据就可以计算出航向角。

3双GPS组合定向原理

GPS（全球定位系统）是美国第二代卫星导航系统，基本原理是通过GPS接收机对卫星发出的伪距信号进行解码，计算出地球上的绝对位置，为了获得定点的定位信息，必须同时依赖四颗卫星。GPS定位可以分为单点定位和相对定位（差分定位），其中差分GPS分为两类：伪距差分和载波相位差分。

双GPS组合定向就是利用两GPS天线接收载波的相位进行快速差分，原理图如下

利用两台GPS天线，将两台GPS卫星信号接收机的原始数据输出，通过载波相位快速差分软件，精确解算两个天线相位中心的相对位置坐标△x，△ y； △X=X2-X1, △Y=Y2-Y1；则有

依据△X和△Y的正负取值及a，即可得到天线中心线的方位角AZ，并在同时给出的两个天线中心的坐标，通过坐标变换和投影变换可转换为当地的平面直角坐标，进而实现定向。两个天线相距越远，方位角误差越小。

4电子磁罗盘定向和双GPS天线定向的实现

4.1电子磁罗盘定向实现

电子磁罗盘定向模块体积较小，容易实现，主要靠电子磁罗盘的磁阻力传感器、倾角传感器和中央处理器。

电子磁罗盘实现结构图如下：

复位电路 信 号三轴磁阻力传 调感器 A/D转处理器 理换电路 电 路

双轴倾角

传感器 上位机

利用地球磁场测量磁阻力传感器的信息，然后通过姿态坐标变换将传感器沿载体坐标的测量信号变换到地平坐标系。输出信号经过放大， A／D变换后在微处理器中进行实时姿态计算、坐标变换，系统误差补偿，得到载体的姿态参数。

4.2双GPS天线定向的实现

双GPS天线定向设备主要有两只天线，两块GPS卫星信号接收机，一块中央处理器。双GPS天线组合定向实现结构图如下

中央计算机通常采用嵌入式PC机，用于处理两块接收板的信号，同时通过其与上位机联系。中心处理机通过相应算法可以得到载体的姿态信息。

双GPS天线组合定向设备，在实际使用中需要满足两个天线同时接收到相同的卫星信号，而且相同卫星个数不小于4颗。

5电子磁罗盘定向和双GPS天线定向的优缺点分析

在实际使用中，电子罗盘定向设备因为是依据地球磁场信息进行定位，所有易受磁性物质的干扰。而双GPS天线组合定向设备因需接受卫星信号，则较适用有卫星信号的露天环境下使用。两类设备各有优缺点。

5.1电子磁罗盘定向方式

优点：1.体积更小；2.价格更低；3.安装使用更方便；4定向时间更短。 缺点：1.精度比双GPS组合定向设备略小，电子磁罗盘的磁阻力传感器，倾角传感器的精度直接影响定向精度；2.极易受干扰，现实中很多设备具有金属磁性，易对电子磁罗盘造成干扰，从而引起定向姿态信息的误差。

5.2双GPS组合定向方式

优点：1.精度高，两天线距离越远精度越高；2.不易受干扰，稳定性好、可靠性高。

缺定：1.成本比电子磁罗盘高；2.定位时间稍长；3.一般需要在露天使用，不得遮挡卫星信号，并且需要两GPS天线同时接收相同卫星4颗以上；4.因为双GPS组合定向设备是基于美国的全球定位系统（GPS）来实现的，故在军用和关键民用领域被禁止使用。

6结论

结合以上分析，在定向精度要求一般，且控制成本的大多数领域使用电子磁罗盘定向，如车载静中通卫星通信天线系统通常采用电子磁罗盘。在定向精度要求较高的场合通常采用双GPS组合定向设备，如船载导航设备。

目前，我国的北斗导航系统基本成熟，在一些军用领域，要求高精度定向的领域，正在用双北斗天线组合定向取代双GPS天线组合定向。

参考文献：

[1王广运等. 差分GPS定位与应用[M]，北京：电子工业出版社，1996。 [2]郑玉冰、 章雪挺、刘敬彪. AMR电子罗盘的设计及其误差补偿。 [3]王勇军、李军、李翔. 三轴电子罗盘的设计与误差校正。 [4]周建郑. GPS测量定位技术[M]，北京：化学工业出版社，2004。 [5]周中谟等. GPS测量原理及应用[M]，北京，测绘出版社，1992。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/y5m.html