CN102322845B - 测量方位角的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例涉及一种测量方位角的装置及方法，装置包括磁性传感器，其中，磁性传感器用于测量同一方向上至少两个地理位置上的磁信号；方位角测量装置还包括：信号调理及模数A/D转换单元、微控制器。通过微控制器对测得的多个磁信号的差值得到干扰磁信号的方向，并以此对测量的磁信号进行校准，进而利用校准的磁信号计算方位角，避免了测量方位角时的旋转操作，简化了方位角校准的操作，提高了测量的抗干扰性。

Description

测量方位角的装置及方法

技术领域

本发明涉及方位角测量技术，尤其涉及一种测量方位角的装置及方法。

背景技术

随着集成电路以及机电一体化技术的飞速发展，磁感式电子罗盘等测量方位角的装置在导航，船舶及个人手持式装置的应用领域中已逐渐取代传统的指南针。

测量方位角的装置主要包括磁性传感器，磁性传感器通过检测地磁北向与目标方向的角度变化的数据以确定电子罗盘的导向即方位角。

测量方位角的装置由于极易受周围的地球磁场、其元件周围电路所产生的磁场、元件周围磁性物质等合成磁场的影响，导致测量结果出现偏差。因此，需要校准测量结果。

一种传统的测量方位角的装置通过一恒定的角速度围绕特定轴旋转来实现校准。当测量方位角的装置以恒定的角速度w围绕z轴旋转时，安装在测量方位角的装置上的x轴霍尔元件Hex的输出Srx Srx=a_xM_xycos(wt+θ₀)+X₀，其中a_x是该x-轴霍尔元件Hex的灵敏度；X₀是该x-轴霍尔元件Hex的偏差；

θ₀＝tan^-1(M_x/M_y)，其中，M_x是地磁M的x方向分量，M_y是地磁M的y方向分量。

因此，x轴霍尔元件Hex的输出Srx的最大值和最小值分别为：

X_max=a_xM_xy+X₀

X_min=-a_xM_xy+X₀

从而可以计算出x轴上霍尔元件Hex的偏差X₀=(X_max+X_min)/2。

y轴的偏差计算原理同上。

使用测量方位角的装置校准时，启动校准按钮，然后使测量方位角的装置在保持x-轴水平的同时，以一恒定的速度缓慢地旋转360°，最后，按下校准结束按钮。测量方位角的装置从旋转过程产生的Srx中搜索出Srx的最大值和最小值，相加除以2得到x轴的偏差，同理得到y轴的偏差，然后通过公式θ₀=tan^-1((Sry-Y₀)/(Srx-X₀))得到校准后的方位角。

但是，上述测量方位角的装置对磁性传感器进行校准时须要将磁性传感器旋转360°，操作繁琐。并且，当旋转速度过高时可能漏掉测得的最大值和最小值，而当旋转速度较低时读出的数据量非常庞大，又使得存储器溢出。而且，当磁干扰源固定不能随测量方位角的装置旋转时，如测量方位角的装置靠近铁质磁性干扰源等，上述测量方位角的装置无法对外部磁场干扰进行校准。

还有一种测量方位角的装置通过使用定时器，在预定周期期间旋转一次传感器，自动计算和校正地磁信号的偏移及标度值，无需用户进行手动校准。

但是，该测量方位角的装置仍存在当旋转速度过高时可能漏掉最大值和最小值，而当旋转速度较低时读出的数据量非常庞大，又使得存储器溢出的问题，以及当磁干扰源固定不能随测量方位角的装置旋转时，如测量方位角的装置靠近铁质磁性干扰源等，上述测量方位角的装置无法对外部磁场干扰进行校准的问题。

发明内容

本发明实施例提出一种测量方位角的装置及方法，以简化方位角校准的操作，提高测量的抗干扰性。

本发明实施例提供了一种测量方位角的装置，包括磁性传感器，其中，所述磁性传感器用于测量同一方向上至少两个地理位置上的磁信号；

所述方位角测量装置还包括：

信号调理及模数A/D转换单元，与所述磁性传感器相连，用于对所述磁性传感器测量的至少两个磁信号进行A/D转换，得到所述至少两个磁信号的A/D采样数据；

微控制器，与所述信号调理及A/D转换单元相连，用于采用所述至少两个磁信号的A/D采样数据的差值对所述至少两个磁信号中的任一个磁信号的A/D采样数据进行校准，利用校准后的A/D采样数据计算方位角；

所述微控制器具体用于通过

计算得到k值，计算出方位角

其中，（x，y，z）为所述至少两个磁信号中的一个磁信号，（⊿x，⊿y，⊿z）为所述差值，k为干扰磁信号的衰减或增加系数，M为无干扰的磁信号的幅值，(x-k△x,y-k△y,z-k△z)为校准后的磁信号；利用校准后的磁信号(x-k△x,y-k△y,z-k△z)计算出方位角

本发明实施例还提供了一种测量方位角的方法，包括：

测量同一方向上至少两个地理位置上的磁信号，得到至少两个磁信号；

用所述至少两个磁信号的差值对所述至少两个磁信号中的任一个磁信号进行校准；

利用校准后的磁信号计算方位角；

其中，用所述至少两个磁信号的差值对所述至少两个磁信号中的任一个磁信号进行校准，包括：

通过

计算得到k值，其中，（x，y，z）为所述至少两个磁信号中的一个磁信号，（⊿x，⊿y，⊿z）为所述差值，k为干扰磁信号的衰减或增加系数，M为无干扰的磁信号的幅值；

得到校准后的磁信号(x-k△x,y-k△y,z-k△z)；

利用校准后的磁信号计算方位角，包括：

利用校准后的磁信号(x-k△x,y-k△y,z-k△z)计算出方位角

本发明实施例提供的测量方位角的装置及方法，通过同一方向上至少两个地理位置上的磁信号的差值对测量的磁信号进行校准，简化了方位角校准的操作，提高了测量的抗干扰性。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明实施例提供的测量方位角的方法的流程图；

图2A为本发明实施例提供的一种测量方位角的装置的结构示意图；

图2B为本发明实施例提供的测量方位角的装置中磁性传感器的一种结构示意图；

图3为本发明实施例提供的测量方位角的装置测量方位角的流程图；

图4为本发明实施例提供的另一种测量方位角的装置的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的测量方位角的装置中磁性传感器的另一种结构示意图；

图6A为本发明实施例提供的测量方位角的装置中磁性传感器的一种排布示意图；

图6B为本发明实施例提供的测量方位角的装置中磁性传感器的另一种排布示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供的测量方位角的装置包括磁性传感器、信号调理及模数（A/D）转换单元、以及微控制器，其中，所述磁性传感器用于测量同一方向上至少两个地理位置上的磁信号；

信号调理及A/D转换单元与所述磁性传感器相连，用于对所述磁性传感器测量的至少两个磁信号进行A/D转换，得到所述至少两个磁信号的A/D采样数据；

微控制器与所述信号调理及A/D转换单元相连，用于采用所述至少两个磁信号的A/D采样数据的差值对所述至少两个磁信号中的任一个磁信号的A/D采样数据进行校准，利用校准后的A/D采样数据计算方位角。

作为本发明的进一步改进，如上所述的测量方位角的装置还可包括：下倾角测量单元，下倾角测量单元与所述微控制器相连，用于测量所述测量方位角的装置的下倾角；相应地，所述微控制器还用于用所述下倾角测量单元测量的下倾角对所述至少两个磁信号的A/D采样数据进行下倾角补偿，使用补偿后的A/D采样数据进行校准。

如上所述的测量方位角的装置，其中，所述微控制器具体用于通过 $\sqrt{{(x-\mathrm{k\Δx})}^2+{(y-\mathrm{k\Δy})}^2+{(z-\mathrm{k\Δz})}^2}=M$ 计算得到k值，计算出方位角 $\arctan \left(\frac{y-\mathrm{k\Δy}}{x-\mathrm{k\Δx}}\right),$ 其中（x，y，z）为所述至少两个磁信号中的一个磁信号，（⊿x，⊿y，⊿z）为所述差值，k为干扰磁信号的衰减或增加系数，M为无干扰的磁信号的幅值，(x-k△x,y-k△y,z-k△z)为校准后的磁信号。

如上所述的测量方位角的装置，其中，所述磁性传感器为一个。

如上所述的测量方位角的装置，其中，所述磁性传感器至少有两个，分别位于同一方向上的至少两个地理位置上，共测量出所述至少两个磁信号。

如上所述的测量方位角的装置还可包括：信息存储单元，与所述微控制器相连，用于存储所述A/D采样数据；相应地，所述微控制器还用于将所述A/D采样数据发送到所述信息存储单元中进行存储。

相应地，本发明实施例提供的测量方位角的方法如图1所示，包括：

步骤11、测量同一方向上至少两个地理位置上的磁信号，得到至少两个磁信号；

步骤12、用所述至少两个磁信号的差值对所述至少两个磁信号中的任一个磁信号进行校准；

如通过

计算得到k值，其中，（x，y，z）为所述至少两个磁信号中的一个磁信号，（⊿x，⊿y，⊿z）为所述差值，k为干扰磁信号的衰减或增加系数，M为无干扰的磁信号的幅值；

然后得到校准后的磁信号(x-k△x,y-k△y,z-k△z)。

步骤13、利用校准后的磁信号计算方位角。

如利用校准后的磁信号(x-k△x,y-k△y,z-k△z)计算出方位角 $\arctan \left(\frac{y-\mathrm{k\Δy}}{x-\mathrm{k\Δx}}\right).$

本发明实施例提供的测量方位角的方法还可包括：测量下倾角，以使测量方位角的装置倾斜时将测得的磁信号补偿到水平分量；

所述用所述至少两个磁信号的差值对所述至少两个磁信号中的任一个磁信号进行校准之前，还包括：所述利用所述下倾角对所述至少两个磁信号进行下倾角补偿。

本发明实施例提供的测量方位角的装置及方法，通过对测得的多个磁信号的差值得到干扰磁信号的方向，并以此对测量的磁信号进行校准，进而利用校准的磁信号得到方位角，使得测量方位角的装置在周围有磁场时也可以直接通过传感器测得的数据将当前地磁信号与干扰磁信号分离出来，准确获取方位角信息，从而在磁干扰源固定的环境中也可以准确测量方位角。避免了测量方位角时的旋转操作，简化了方位角校准的操作，提高了测量的抗干扰性。

由于磁性传感器测得的磁信号包含地磁北信号和干扰磁信号，且在一定范围内地磁信号的矢量方向和幅值固定，而干扰磁信号的幅值会随离干扰源的距离变化而衰减或增强，干扰磁信号的矢量方向不变。因此，可以用一个磁性传感器在某一方向上的不同距离上测量多个磁信号，或者也可以用多个磁性传感器在某一方向上测量多个磁信号，将测得的磁信号取差值就可以得到干扰磁信号的矢量方向。在测得的某一磁信号中沿着干扰磁信号的矢量方向衰减或增强，直至该磁信号接近地磁信号即接近无干扰时测得的磁信号的幅值时，实现磁信号的精确校准，从而利用校准的磁信号获取准确的方位角信息。

下面通过实施例一、实施例二对测量方位角的装置及方法进行详细说明。

实施例一

图2A为本发明实施例提供的一种测量方位角的装置的结构示意图。如图2A所示，本实施例中，测量方位角的装置如图2A所示，包含磁性传感器21和磁性传感器22、电源驱动单元23、信号调理及A/D转换单元24、下倾角测量单元25、微控制器26和信息存储单元27。

磁性传感器21和磁性传感器22可以均为如图2B所示的3轴磁性传感器，包括x轴霍尔元件、y轴霍尔元件及z轴霍尔元件。

磁性传感器21和磁性传感器22的位置有一定的距离，均与信号调理及A/D转换单元24相连。信号调理及A/D转换单元24将从磁性传感器21和磁性传感器22获取的模拟信号转换成数字信号。

信号调理及A/D转换单元24与微控制器26相连，微控制器26还与下倾角测量单元25、信息存储单元27相连。下倾角测量单元25用于测量该测量方位角的装置的下倾角。微控制器26将调理及A/D转换单元24转换得到的磁信号的A/D采样数据即数字信号形式的磁信号发送到信息存储单元27中进行存储，并利用下倾角测量单元25测量的下倾角将磁性传感器21、磁性传感器22测得的磁信号补偿到水平分量。然后利用补偿后的磁信号的差值校准磁信号，利用校准后的磁信号计算方位角，并输出方位角信息。此处校准前的磁信号为信息存储单元27中存储的数字信号。

电源驱动单元23与磁性传感器21、磁性传感器22及微控制器26，为磁性传感器21、磁性传感器22和微控制器26供电。

采用该测量方位角的装置测量方位角的实施步骤如图3所示，包括:

步骤31：磁性传感器21、磁性传感器22分别测量得到x轴、y轴、z轴磁信号（x11，y11，z11）和磁信号（x12，y12，z12）；

步骤32：微控制器16进行下倾角补偿。补偿方法是通过下倾角测量单元25测得的下倾角，将磁信号（x11，y11，z11）和磁信号（x12，y12，z12）补偿到水平分量，得到补偿后的x轴，y轴，z轴磁信号（x21，y21，z21）和磁信号（x22，y22，z22）。

步骤33：进行磁信号校准。

微控制器26首先利用补偿后的磁信号计算出干扰磁信号的矢量方向（△x，△y，△z）。其中：(△x.△y,△z)=(x21.y21,z21)-(x22.y22,z22)。

由于干扰磁信号的方向不变，且幅值随着与干扰源之间的距离变化而衰减或增强，因此，矢量方向（△x，△y，△z）上的各处干扰磁信号为（k△x，k△y，k△z），其中，k为变量。从而得到磁性传感器21所在位置的未受干扰的磁信号 $\sqrt{{(x21-k_1\mathrm{\Δx})}^2+{(y21-k_1\mathrm{\Δy})}^2+{(z-k_1\mathrm{\Δz})}^2}=M,$ 其中，M为预先测得的无干扰的磁信号的幅值，利用该公式可以得到k₁值，从而得到校准后的磁信号（x21-k₁△x，y21-k₁△y，z-k₁△z）。

或者，磁性传感器22所在位置的未受干扰的磁信号 $\sqrt{{(x21-k_2\mathrm{\Δx})}^2+{(y21-k_2\mathrm{\Δy})}^2+{(z-k_2\mathrm{\Δz})}^2}=M,$ 其中，M为测得的无干扰的磁信号，利用该公式可以得到k₂值，从而得到校准后的磁信号（x21-k₂△x，y21-k₂△y，z-k₂△z）。

步骤34：利用校准后的磁信号计算当前方位角，

或者

二者得到的方位角相同。

进一步地，可在执行步骤32之前判断是否需要进行下倾角补偿，如果测量方位角的装置水平放置，则可省去下倾角测量单元，相应地，微控制器无需进行下倾角补偿操作，无需执行步骤32，可直接进行下一步步骤33的操作，利用补偿前的磁信号进行校准；否则，执行步骤32后再执行步骤33。

当无需执行步骤32时，直接用步骤31中测得的磁信号（x21，y21，z21）和磁信号（x22，y22，z22）计算干扰磁信号的矢量方向，计算方法同步骤32。

当△x、△y、△z的值均为0时，直接用步骤31中测得的磁信号或者步骤32进行下倾角补偿后的磁信号计算方位角即可，计算方法同步骤33。

实施例二

本实施例与实施例一类似，不同之处在于：本实施例中采用了一个3轴磁性传感器测量磁信号。如图4所示，磁性传感器41是集成了信号调理及A/D功能的单模块器件，直接与微控制器相连。

测量时，通过移动磁性传感器41，使得磁性传感器41位于不同的位置，在各位置均测量得到一个磁信号，总共测量得到多个磁信号以用于校准。

上述实施例中，磁性传感器也可为如图5所示的2轴磁性传感器。磁性传感器还可以是3个，位置关系可以是如图6A所示排成一条直线，或者可以是如图6B所示排成折线形式。当磁性传感器的数量更多是还可以排成一个阵列。并且，当上述测量方位角的装置水平放置时，下倾角测量单元可以省略不用，相应地，微控制器也无需进行下倾角补偿操作。

本发明实施例提供的测量方位角的装置通过两个不同磁信号获得干扰磁信号的方向，使得测量方位角的装置在方位角校准时无需旋转，只需获取多个磁性传感器测得的磁信号，进行地磁信号与干扰磁信号的分离，实现方位角的准确测量。并且当磁性干扰物质固定，不能随测量方位角的装置旋转时，能够通过多个磁信号实现方位角的准确测量。同样，在强磁环境下，本发明实施例提供的测量方位角的装置测量的结果不受外界环境的影响，且操作简便。本发明实施例提供的测量方位角的装置可安装在天线上对天线的方位角进行测量，以使测量结果不受天线安装环境的影响，且可以实时检测，便于后期维护和检修。同时便于集中化管理，方便对天线网络的管理。另外，本发明实施例提供的测量方位角的装置还可以应用在手提式电子装置或导航装置中，避免了测量方位角实时旋转360°的设计要求，结构小巧，操作简单。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种测量方位角的装置，包括磁性传感器，其特征在于，所述磁性传感器用于测量同一方向上至少两个地理位置上的磁信号；

所述方位角测量装置还包括：

信号调理及模数A/D转换单元，与所述磁性传感器相连，用于对所述磁性传感器测量的至少两个磁信号进行A/D转换，得到所述至少两个磁信号的A/D采样数据；

微控制器，与所述信号调理及A/D转换单元相连，用于采用所述至少两个磁信号的A/D采样数据的差值对所述至少两个磁信号中的任一个磁信号的A/D采样数据进行校准，利用校准后的A/D采样数据计算方位角；

所述微控制器具体用于通过

计算得到k值，计算出方位角

其中，（x，y，z）为所述至少两个磁信号中的一个磁信号，（⊿x，⊿y，⊿z）为所述差值，k为干扰磁信号的衰减或增加系数，M为无干扰的磁信号的幅值，(x-k△x,y-k△y,z-k△z)为校准后的磁信号；利用校准后的磁信号(x-k△x,y-k△y,z-k△z)计算出方位角

2.根据权利要求1所述的测量方位角的装置，其特征在于，还包括：

下倾角测量单元，与所述微控制器相连，用于测量所述测量方位角的装置的下倾角；

所述微控制器，还用于用所述下倾角测量单元测量的下倾角对所述至少两个磁信号的A/D采样数据进行下倾角补偿，使用补偿后的A/D采样数据进行校准。

3.根据权利要求1或2所述的测量方位角的装置，其特征在于，所述磁性传感器为一个。

4.根据权利要求1或2所述的测量方位角的装置，其特征在于，所述磁性传感器至少有两个，分别位于至少两个地理位置上，用于测量出所述至少两个磁信号。

5.根据权利要求1或2所述的测量方位角的装置，其特征在于，还包括：

信息存储单元，与所述微控制器相连，用于存储所述A/D采样数据；

所述微控制器，还用于将所述A/D采样数据发送到所述信息存储单元中进行存储。

6.一种测量方位角的方法，其特征在于，包括：

测量同一方向上至少两个地理位置上的磁信号；

用所述至少两个磁信号的差值对所述至少两个磁信号中的任一个磁信号进行校准；

利用校准后的磁信号计算方位角；

其中，用所述至少两个磁信号的差值对所述至少两个磁信号中的任一个磁信号进行校准，包括：

通过

计算得到k值，其中，（x，y，z）为所述至少两个磁信号中的一个磁信号，（⊿x，⊿y，⊿z）为所述差值，k为干扰磁信号的衰减或增加系数，M为无干扰的磁信号的幅值；

得到校准后的磁信号(x-k△x,y-k△y,z-k△z)；

利用校准后的磁信号计算方位角，包括：

利用校准后的磁信号(x-k△x,y-k△y,z-k△z)计算出方位角

7.根据权利要求6所述的测量方位角的方法，其特征在于，还包括：

测量下倾角；

所述用所述至少两个磁信号的差值对所述至少两个磁信号中的任一个磁信号进行校准之前，还包括：利用所述下倾角对所述至少两个磁信号进行下倾角补偿。

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