船载数字磁罗盘系统设计与校正
船载数字磁罗盘系统设计与校正
船载数字磁罗盘系统设计与校正
张琦;高启孝;陈永冰;陈浩
【期刊名称】《船海工程》
【年(卷),期】2011(040)005
【摘要】介绍所设计的基于磁阻罗盘HMR3000和微处理器MSP430的新型数字磁罗经系统,该系统应用一种新颖的椭圆拟和自差校正方法,实现自动消除自差,避免船舶导航中繁琐的自差修正,实船验证,在航行途中最大误差角小于1.9°,均方差误差角小于1.0°.
【总页数】3页(P137-139)
【作者】张琦;高启孝;陈永冰;陈浩
【作者单位】海军工程大学导航工程系,武汉430033;海军工程大学导航工程系,武汉430033;海军工程大学导航工程系,武汉430033;海军工程大学导航工程系,武汉430033
【正文语种】中文
【中图分类】U666.15
【相关文献】
1.一种数字磁罗盘的航向误差校正方法 [J], 王宇;吴志强;朱欣华
2.无航向基准时数字磁罗盘的自差校正 [J], 李科;
3.无航向基准时数字磁罗盘的自差校正 [J], 董文庆;高敬东;李科
4.基于数字媒体的船载微弱通信信号自动捕获系统设计 [J], 张君瑞
5.无航向基准时数字式磁罗盘的自差校正 [J], 张静;金志华;田蔚风
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船用磁罗经的自差校正
Nm
C'λH D 'H
H
f2 (A'-E ')λH
H'
δW
B'λH
0
f1
NS
3. 校正口诀： 东东上，西西上，东西下，西东
下
口诀中第一字表示自差的东或西； 第二字表示磁棒红端的朝向； 第三字“上”表示磁棒上移或增
D '0＝ 差系数
>0。 若校正软铁的象限自
D1 '<0时， 当使D'0 + D'1 ＝0，象 限自差为零
。
X
Y
o
+eY aX
X
+eY -aX
X
X
• 软铁球或软铁片对 罗经产生–a和＋e系 数，其象限自差数 为：
D'1＝
<0
Y
故满足消除象
限自差的要求 。
X
o
+eY aX
X
X
+eY -aX
X
2.校正象限自差方法
船正平，航向为E或W，用倾差仪 取代罗盆，倾差仪磁针与罗盘磁针在 同一水平面上。
调垂直磁铁直至倾差仪磁针水平。
恢复罗盆。
2） 船摇摆时校正方法： 当船在风浪中航行，若随着船的
摇摆，罗盘也左右或前后来回摆动， 可直接调整垂直磁铁的位置，直至罗 盘稳定为止。
半圆自差校正
半圆自差力 B'λH＝cZ＋P C 'λH＝fZ＋Q
一般船上fZ＝0，近似用佛氏铁消除 cZ≈0则
B 'λH＝P C 'λH＝Q 抵消P，Q两力，采用爱利法，即在 四个 主航向上通过观测自差，用纵横 磁铁分 别抵消P，Q产生的自差。
磁罗盘的校准方法及其重要性
磁罗盘的校准方法及其重要性磁罗盘是一种常见的导航工具，它通过指示地球磁场方向来帮助人们确定方向。
然而，由于各种原因，磁罗盘可能会发生偏差，影响导航的准确性。
校准磁罗盘是一项关键的任务，以确保其指示的方向与实际方向一致。
本文将介绍磁罗盘的校准方法及其重要性。
首先，让我们了解磁罗盘的工作原理。
磁罗盘内部包含一个磁针，它可以自由地旋转，并指向地球上的磁北极。
地球的磁场是不均匀的，因此磁针可能会受到其他磁场的干扰，导致偏差。
为了确保磁罗盘的准确性，校准是必要的。
有几种常见的磁罗盘校准方法。
首先是静态校准法。
这种方法要求在一个没有磁场干扰的地方进行，例如远离金属结构或电子设备的开阔区域。
校准过程中，将磁罗盘置于水平状态，通过旋转磁罗盘，使磁针与标尺上的刻度对齐。
这样可以消除罗盘的初始误差，并确保其准确度。
另一种常见的校准方法是比较校准法。
这种方法需要使用一个已知方向的指南针来校准磁罗盘。
将指南针与磁罗盘放在一起，然后旋转磁罗盘，使指南针上的指示方向与磁针对齐。
通过这种方法，可以通过已知的准确方向来校准磁罗盘，提高其导航准确性。
除了这些常见的校准方法外，还有一些高级的校准方法可以使用。
例如，动态校准法可以在运动中进行，通过观察指南针在移动状态下的指示来校准磁罗盘。
此外，某些现代导航设备还可以使用GPS或其他定位技术来校准磁罗盘，以提高准确性。
磁罗盘的校准非常重要，因为一个准确的指南针对于导航至关重要。
无论是在户外探险还是海上航行，正确的方向都是安全和成功的关键。
如果磁罗盘没有校准，它可能会给用户带来错误的方向指示，导致迷失方向或错过目标。
此外，磁罗盘的校准还对于地图阅读至关重要。
当使用地图进行导航时，需要结合磁罗盘的指示来确定自身位置和目标方向。
如果磁罗盘没有经过准确校准，地图阅读会变得困难甚至错误。
这有可能导致错误的行进方向或迷失在陌生的地方。
在户外运动、探险和旅行中，磁罗盘通常是不可或缺的工具。
无论是远足、露营还是登山，磁罗盘都能帮助人们找到正确的方向，避免迷路或遭遇危险。
数字电子罗盘误差分析及校正技术研究
平均误差 7’ #/. （ 均方根） ! 注： 表中方位测量单位为度， 目标真值使用方向机测量， 测量 精度优于 $ 189， 车头指向与初始校正方向一 致时， 误差较小； 如果车头指向与初始方向不一致时， 误差将增大， 特别是相差 "/-. 时， 误差最大可达 "4. ， 测量结果基本不能使用。 传统的校正技术是假定：
如果车头指向与初始方向不一致时误差将增大特别是相差180误差最大可达16则载体在原地旋转一周后测量数据在水平面的投影分量服从正圆分布经过多次试验验证当车载平台在某一指向校正如果车载平台的指向与校正方向差值小于30则平台指向变化对测量精度的影响较小因此在实际使用时可使用罗盘测量出载体平台的概略指向作为计算补偿量时的输入值数据处理流程使用式对电子罗盘输出值进行补偿的步骤和流程如下使用侦察设备的电子罗盘测量装载平台指向的概略方位为软铁磁场在xy轴上的投影分量但实际情况并非如此尤其是在本例中罗盘与平台之间存在相对运动导致软铁和硬铁的磁场强度的大小和方向不能够维持恒定加之实际应用时车载平台的指向是随机的导致了标定环境的磁场分布和使用环境的磁场分布不一致使标定失效测量精度变得非常差考虑装载平台指向补偿因素的校正方法假定未受干扰的地磁场在则目标方位角的真值应为瞄准目标记录电子罗盘输出值标定时需要注意以下几点用于标定的目标数量应不少于18并均匀分布在以观察中心为圆心的周边每隔30或更小测一组数据2台侦察设备分别安装在车载平台上然后应用本文给出的校正补偿方法对设备的补偿系数进行rctan为了得到目标方位角的真值必须从罗盘的输rctanrctan
盘生产商建议尽量移去罗盘附近的软铁物质， 然后对 硬铁物质进行校正。 ! ’ !# 特殊应用模式下的校正技术 #’ #’ "! 应用背景 电子罗盘置于某侦察设备中， 侦察设备的装载平 台为轻型越野车， 侦察设备能相对于车载平台进行方 位巡航和俯仰运动。通过测量侦察设备与目标之间的 距离以及观察光轴与目标之间的方位与俯仰角， 解算 出目标的地理坐标。为保证解算精度， 罗盘的定向精 （ 均方根） 。 度应优于 ". #’ #’ #! 运用简单校正方法的误差校正技术 一般情况下， 当罗盘使用于车载平台中时， 可采用
磁罗盘动态性能校准研究
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２ ． 校准 方法和校 准原理 洲 Ｐ 动 态 性 能 校 准 是 利 用 三 轴 无 磁 转 台模 ｉ ０ ｄ 一 一 ， 拟磁 罗 盘 的运 动 状态 ，以转 台 的实 时角 度 为 标 准 ，在 匀速 转 动和 匀加 速 转动 的状态 下 ， 图２静止状态示值误差曲线 对 磁 罗盘 的 方位 角输 出精 度 进 行校 准 。将 被 检 磁 罗盘 安 装在 三 轴 无磁 液压 转 台 的工 作 如 图２ 所示 ，在静态 状态 下，磁罗 盘 的零 区安 装面 上 ，三 轴无 磁 液压 转 台产 生磁 罗 盘 偏 为０ 。 ，方位 角 均方 根误 差 为０ ． １ ７ 。 ，通 用磁 动 态 校准 所 需 的运动 状 态 ：磁 罗盘 在运 动 过 罗盘的均 方根 误差值 要求不超 过０ ． ５ 。 。 程 中输 出的 方位 角数 据 同步 传输 到控 制系 统 中 ，与三 轴 无磁 液压 转 台 的运 动数 据 进行 同 步 数 据处 理 ，实 现磁 罗 盘 的静 态性 能 校准 、 动 态 性 能 校 准 。三 轴 无 磁 液 压 转 台 如 图 １ 所
Ｊ 喜 （ 一
式 中 ，Ａ ａ —— 磁罗 盘 方位 角动 态示 值 的均方 根误差 ， （ 。 ）。 ３ ． 磁 罗盘方位 角动 态指标 测量 磁 罗盘 采 用通 用数 字 磁罗 盘 ， 内部磁 传 感 器采 用磁 阻传 感器 …，在 静 态情 况 下示 值 误 差可 以达 到Ｏ ． ５ 。 ，测 量 过程 中每 隔 １ ５ 。 采集 个点 ，转 动 一 圈共采 集 ２ ５ 点 ，磁罗 盘 数据 和 转 台的角 度 同步 采集 ，计 算磁 罗盘 的 示值 误 差和 方位 角 均方 根 误差 ，并画 出示 值 误差 曲线 。磁罗 盘 安装 载体 的转 动角 度速 度 一般 不超 过５ Ｏ 。 ／ ｓ ，因此 主要 校准 磁罗 盘 在静 止状
磁罗盘校准方法
磁罗盘校准方法
磁罗盘校准的方法可以分为以下几种：
1. 静态校准方法：将磁罗盘置于一个已知方向的磁场中，并将磁罗盘的指针对齐到该方向，达到校准的目的。
可以使用一个磁铁或者一个已知磁场强度的磁铁来进行校准。
2. 动态校准方法：将磁罗盘旋转360度，这样可以根据磁场的变化来校准磁罗盘的指针指向。
这种方法可以消除磁罗盘中的误差和漂移。
3. 复位校准方法：将磁罗盘复位到初始状态，通过按下复位按钮或者根据设备说明书中的方法来进行校准。
这种方法适用于一些数字或者电子磁罗盘。
4. 软件校准方法：通过使用特定的磁罗盘校准软件来进行校准。
这些软件一般提供了一系列的步骤和指导来帮助用户完成校准过程。
需要注意的是，校准磁罗盘时需要将磁罗盘远离磁场干扰源，例如电子设备、电缆等，以确保测量的准确性。
此外，校准的频率也取决于具体使用的磁罗盘和需要的精度。
一般来说，校准的频率可以根据设备的要求或者实际情况来决定。
简易的磁罗经校正口诀和调整步骤
简易的磁罗经校正口诀和调整步骤正文开始船公司一般都是每年安排一次罗经校正师来船校准，并出具自差曲线表。
但散货船因装运货物的特性，例如装铁矿时，船上磁场变化剧烈，经常造成船上磁罗经自差太大，和罗经校正卡自差曲线完全背离，很容易被检查时列为缺失项目，像在温哥华和澳洲等有些港口，如果自查太大，会要求开行前校准，否则不允许开船。
所以，平常船上如发现磁罗经自差太大，就应该自行校准，避免被PSC检查列为缺失项目。
现在和大家分享一种简单的磁罗经自差校正方法，可以由我们船员操纵船舶进行罗经自差的校正。
（一）在四个主航向（N、E、S、W）上，用纵、横磁棒校正半圆自差可应用口诀：东东上，西西上，东西下，西东下。
口诀每字组的三个字中，第一个字表示自差是东或是西，第二个字表示校正磁棒红端朝罗盘的东或西，第三个字表示该校正磁棒上移和往上加或是下移或取下。
举例说，船航向为北，测得这航向为西自差，罗经柜中东西方向（即横向）无磁棒。
根据西西上，应以磁棒红端向西（向左舷）往上插。
若这航向自差仍为西自差，罗经柜中东西方向（即横向）原已有磁棒，设横磁棒原来红端朝东，（即朝右舷），根据口诀西东下，则应将原横磁棒往下移，即可消除西自差。
船航向为东或西时，则纵校正磁棒在罗盘的东西方向。
（二）在象限航向上校正象限自差，可用口诀：东南西北大，软铁往里靠。
这口诀意思是在东南（S、E）或西北（N、W）航向上，求自差所测的罗经方位比磁方位大，（即西自差），软铁应往罗经靠近，也可以增加软铁片；若在这两个航向上，罗经方位比磁方位小，则软铁应往外移。
在东北（NE）或西南（SW）航向上，测罗经方位大，则软铁应往外移；罗经方位小，则软铁应往里移靠。
步骤：1、船航行N、S的磁航向，通过调整横向磁棒消磁（或C轮）。
2、船航行E、W的磁航向，通过调整纵向磁棒消磁（或B轮）。
3、船航行NW、SE、NE、SW的磁航向，通过调整软铁盒（或球）消磁。
磁罗经调整步骤1.选择在地磁场磁差变化相对较小的宽阔水域，在天气海况视线良好的时候进行。
无航向基准时数字磁罗盘的自差校正
55军民两用技术与产品2014·9（下）1.引言随着MEMS 技术的发展，微小型数字磁罗盘相继问世，它将两个倾斜仪和三个磁阻传感器集成在一起，并带有模数转换和微处理器，可在一定倾斜范围内输出航向信息，其中的磁阻传感器和倾斜仪均采用微硅技术制造，整体重量<100g 。
磁罗盘已发展成为一种成本低、重量轻、体积小、比较稳定可靠的姿态传感器，被广泛用于无人机、车辆导航、机器人控制等场合。
安装在钢铁船舶上的数字磁罗盘与传统机械磁罗盘一样，需要在硬铁和软铁磁力环境中进行自差校正。
磁罗盘的校正通常都需要载体作一些运动，或者在某些特定的点上作测量。
在文献[1]中，针对船用机械式磁罗经，分析了硬铁和软铁对磁罗盘自差的影响，并采用一套工程上成熟的观测自差方法对自差进行补偿。
在文献[2]中，将载体转动一圈的磁通密度测量数据取平均作为硬铁磁力，而且针对载体在航向角为0°的特殊情况，建立了软铁系数的随机游走模型，对软铁系数进行估计。
在文献[3]中，对某无人机航向测量的磁罗盘采用多位置硬铁磁力和软铁系数标定的方法来修正自差，它是在已知当地地磁场的三要素，即地磁场的水平分量、磁倾角和磁差，并且在载体真实姿态可知的情况下进行的。
硬铁校正过程在很多数字磁罗盘的用户手册中也有描述，TCM2磁罗盘[4]在校正过程中，将磁罗盘连续转动多圈，转动需尽可能均匀并变化俯仰和滚动姿态，可在所有的倾斜方向上对硬铁磁力进行校正，其校正程序由厂家提供。
本文从数字磁罗盘的测量原理出发，针对数字罗盘模块HMR3300和计算机组成的数字磁罗盘系统，分析硬铁磁力、软铁磁力对磁罗盘系统测量的影响，结合船泊的具体应用情况，研究无航向基准时自差校正的实用方法，并借助于转台验证该方法的有效性。
2.数字磁罗盘系统的测量原理与自差数字罗盘模块HMR3300是Honey -well 公司新近推出的智能电子罗盘模块。
它采用了两轴向的加速度计传感器和高可靠性能MR 技术的固态磁阻传感器，HMR3300有三个相互垂直的的固态磁阻传感器，并带有模数转换和微处理器。
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０ ５， ＭＣ 通 过 串 口（ ＡＲＴ） 式进 行 数 据 ． 。与 Ｕ ＵＳ 方 传输 ， 本满 足数 字 磁 罗 经 舰 船 指 向备 份 功 能 的 基
需要 。ＨＭＲ３ ０ ０ ０的测 量 动态 范 围是 ±１ Ｔ， ０ 为 避 免磁测 量饱 和 减 少 舰船 硬 铁 软 铁 干 扰 ， 要 安 需 装 在尽量 远 离 甲板 的位 置 。采用 ４ ５长距 离通 信 ８
目前 各 类 舰 船 上 都 装 备 有 不 同类 型 的 磁 罗 经 。 由于受舰 船 铁 磁 力 的影 响 ， 罗经 磁 北 往 往 会 偏离 磁北 方 向产生 自差 。当 自差 较 大 时 ， 影 响 将 罗经 指 向的稳 定性 和指 向精 度 。我 国舰船 的各 式 磁罗 经 主要使 用 爱 利 法 消 除 自差 ， 差 由人 工 完 校 成且 精度 不 高 。随 着 微 机 电加 工 技 术 的发 展 ， 采
国霍 尼 韦 尔 公 司 ， 辨 率 ０ １ ， 向 精 度 达 到 分 ． 。航
船舶上安装更为便捷 ； 可实现 自 动消除 自 ， 差 降低
工 作人 员 的劳 动 强度 以及 避 免 人 为 误差 ； 实 现 可 数 字显 示 ， 且航 向信 息不 仅可 以用 来指 向， 可 以 还 直 接送 到 自动舵 ， 制船 舶 的操纵 ； 留有数 据通 控 预 信 接 口， 以便与 其他 导航 设备 实现 数据 融合 ， 实 为 现 组合 导航 提供 坚 实 的基 础 。
Ｉ 液晶显示屏Ｉ
亟 ： ＝ ４
电罗经航 向接 口 ｌ ＝ａ
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备份 电源
图 １ 数 字 磁 罗经 系统 结 构
用将 微小 型磁 罗 盘两个倾 斜 仪和 三个 磁 阻传感 器 集 成 的方 式 ， 一定 倾斜 范 围 内输 出航 向信 息 ， 在 已
被广 泛用 于卫 星 、 人驾 驶 飞机 、 无 车辆 导航 和机 器 人 控 制等 场合 ［ ］ １ 。使 用 微 小 型 磁 罗 盘设 计 的 数 字 磁 罗经 系统 可 以 改 变 传 统 航 海 磁 罗 经 的 罗 经 盆 、 经柜 结构 ， 罗 改进 后 的装 置体积 小 、 重量 轻 ， 在
船
海
工
程
第４ Ｏ卷
２ 数 字磁 罗经 系统 的误 差 模 型
当不存 在外 界 干 扰 磁 场 且 船 体水 平 时 ， 轴 二 磁 传感 器输 出应 该 满足
国 Ｔ 公 司 的 １ 位低 功耗 单 片 机 ＭＳ ４ ０ Ｉ ６ Ｐ ３ 。信 息 处理 控制 板 负责 的 工作 有 ： 过 串 口对 电子 罗 盘 通
ＨＭＲ ０ ０ 行 通 信 设 置 ， 获 得 导 航 所 需 要 的 ３０ 进 以
磁 传感 器接 收盒 包括 磁 传感 器 和 ２ ２４５转 ３—８
方式 ， 员可 以在 舱 内 的信 息 控 制箱 方 便 地 监 视 船
航 向信 息 。
１ 数 字磁 罗经 系统 的硬 件 结 构
数 字磁 罗经 系统 主要 包括 磁传 感器 接 收盒 和 信 号显 示控 制箱 。数 字磁 罗经 结构 见 图 １ 。
基 于功 能强 大 、 上外 围模 块 丰 富及 存 储 器 片 容量 大 的特点 ， 息 处 理 板 上 的 主控 芯 片 采 用美 信
换电路 ， 主要负责采集 三轴地磁分量值和俯仰倾 斜 角度 并实 现与 信号 显示 控制 箱长 距离 通讯 。信
收 稿 日期 ：０ ００—５ ２ １－ ９１
三轴 地磁 分量 值和 俯仰 倾斜 角度 数据 。依 据船 载
设 备情 况 的有 无 和 优 劣 选 择 Ｇ Ｓ航 向接 口或 电 Ｐ 罗经航 向接 口， 采集 基 准航 向信 号 。按 照 软 件设 计流 程对 数据 进 行 分 析 与处 理 ， 除船 载 硬 铁 和 消 软铁 干扰 并将 获得 消除 自差 的航 向数据 在液 晶 显
号 显示 控制 箱包 括液 晶屏显 示 器 、 键盘 板 、 载 软 船
ＧＰ Ｓ航 向接 口 、 载 电 罗经 航 向接 口 、 息 处 理 船 信
主 控板 和备 份 电源 。
经 过选 择 ， 统 使 用 较 为 成 熟 的 ＨＭＲ ００ 系 ３ ０ 电子罗 盘为 传感 器 。 ＨＭＲ ００电子 罗 盘来 自美 ３０
摘
要： 介绍所设计 的基 于磁 阻罗盘 ＨＭＲ ０ ０和微处 理器 ＭＳ ４ ０的新 型数字磁 罗经 系统 ， 系统应 ３０ Ｐ３ 该
用 一 种 新 颖 的 椭 圆拟 和 自差 校 正 方 法 ， 现 自动 消 除 自差 ， 免 船 舶 导 航 中 繁 琐 的 自差 修 正 ， 船 验 证 ， 航 实 避 实 在 行 途 中 最 大 误 差 角 小 于 １９ ， 方 差 误 差 角小 于 １ ０。 ． 。均 ．。 关键词 ： 电子 磁 罗经 ； 圆 拟 和 ； 阻传 感 器 ； 差 补 偿 椭 磁 误 中 图分 类 号 ： ６ ． ５ Ｕ６ ６ １ 文献标志码 ： Ａ 文 章编 号 ：６ １７ ５ （ ０ １ ０－１ ７０ １７ —９ ３２ １ ）５０ ３—３
示屏 上显 示 。
１ ７ ３
修 回 日期 ：０ ０１—９ ２ １— １２ 作者简介 ： 张 琦 （９ ９）男 ， 士 生 。 １７ 一 ， 博
研 究 方 向 ： 航 制 导 与 控 制 导
Ｅ ｍａｌ３ ０ ５ ５ ０ ｑ ． ｏ － ｉ： ５ ７ ３ ０ ＠ ｑ ｃ ｒ ｎ
第 ５ 期
第４卷 Ｏ
第 ５ 期
船 海 工 程
Ｓ Ｐ＆ ＯＣＥＡＮ ＨＩ ＥＮＧＩ ＮＥＥＲＩ ＮＧ
Ｖｏ ． ０ Ｎｏ ５ １４ ．
２１ 年 １ ０１ Ｏ月
０ｃ ． ０ Ｉ ｔ ２ １
船 载 陈永冰 ， 陈 浩
（ 军 工程 大 学 导航 工程 系 ， 汉 ４ ０ ３ ） 海 武 ３ ０ ３