陀螺经纬仪自动粗寻北系统的设计研究

　　0　引　言

　　现阶段,国内的机械陀螺仪寻北大多还是应用跟踪逆转点法和中天法。中天法测量精度高,观测具有省力、眼睛不易疲劳、观测者在观测过程中可以应付外界来往人员及其他突发因素的干扰等优点。但中天法只有在一定的北方向角度范围内适用。因此,传统的寻北过程首先利用跟踪逆转点法粗寻北,然后,再利用中天法精寻北, 2种方法结合来完成整个寻北任务。跟踪逆转点法寻北,需要操作人员对光标位置进行跟踪和记录,其劳动强度大、易疲劳且耗时较长[1]。因此,本文提出了一种利用电子罗盘替代跟踪逆转点法实现陀螺经纬仪粗寻北自动化的方法,在保证粗寻北精度的前提下,大幅度降低了粗寻北时间。

　　1　电子罗盘的工作原理

　　电子罗盘是利用磁传感器感知地球磁场来实现测向定位的,地球上某点的磁场矢量分析如图1所示。

　　x轴和y轴在水平面上且x轴与y轴相互垂直, z轴是垂直方向(重力方向)。磁北的方向就是地磁场He在水平面上的分量Heh的方向。对照图1中3个角度进行以下说明。

　　1)方位角α(磁北与x轴之间的夹角)

　　2)磁倾角δ(地磁场与水平面之间的夹角)

　　磁倾角与地球上所在的具体位置有关,如,在赤道位置磁倾角为0°,在杭州磁倾角为45°,在大连磁倾角为58°。当罗盘倾斜工作时,方位角精度必须考虑倾角的影响。

　　3)磁偏角λ(地理北极与磁场北极之间的偏离角)

　　磁偏角也叫磁差,磁偏角是与地理位置有关的参量。磁偏角在杭州地区为偏西4.4°,在大连为偏西7.5°。利用磁罗盘在计算真方位角(即相对地理北极)时,必须对磁差进行补偿。

　　电子罗盘由相互正交的两组磁敏元件构成,假设两组磁敏元件按图1中x轴,y轴方向放置,则一路磁传感器感知x方向的地磁分量,另一路感知y分量。对某一固定地点,当罗盘z轴在水平面转动时,虽然地磁场分量的大小和方向都不会变化,但随着夹角α的变化,Heh在x轴与y轴上的分量会有规律的变化,放置在x,y轴上的磁敏元件感知的电压(或电流)值也随着变化,根据公式(1)就可计算出方位角α的具体值。电子罗盘的组成框图如图2示。

　　磁传感器可以是利用霍尔效应制成的霍尔元件,也可以是磁阻或磁导元件。两路输出的电压(或电流)信号,一般都比较微弱,需要对其进行放大和校正补偿处理,由于两路磁敏元件输出Vx,Vy比例于磁场强度,根据公式(1)可得方位角：

　　2　电子罗盘的校准

　　2.1　影响电子罗盘精度的因素

　　根据工程经验,影响电子罗盘定向精度的因素主要有以下几种: 1)电子罗盘转换的分辨率; 2)温度; 3)磁传感器误差; 4)地球磁场的变化; 5)罗盘的倾斜误差; 6)使用环境的铁磁介质引起的磁场变化。