电子罗盘在海洋浮标中的应用

在大多数的海洋浮标中,搭载GPS模块是必不可少的,而GPS模块往往需要搭配电子罗盘使用。

  海洋浮标,是一种投放在相关海域中兼具观测和测量作用的信息采集设备。浮标主要是利用自身所携带的各类传感器,来获取周围海洋环境中的相关数据,包括海洋水文、气象等几十种参数。在大多数的海洋浮标中,安装有太阳能电池板以自行供电,从而实现全天候、不间断的测量。

  这些测量数据能帮助人们研究和认识海洋,对人类开发和利用海洋具有重要意义。但在此之前,确定浮标的实时测量位置及变动情况是第一步,因此,在大多数的海洋浮标中,搭载GPS模块是必不可少的,而GPS模块往往需要搭配电子罗盘使用。


  电子罗盘的前世今生

  电子罗盘,也叫数字罗盘、数字指南针,是利用地磁场来定北极的一种方法。

  电子罗盘最早可追溯到公元前3世纪战国末期的司南与唐宋时期的指南针。之后,经过发展演变成把方向刻度盘和磁针连接在一起转动的磁罗经。随着先进工艺的发展,现在一般采用磁阻传感器和磁通门加工而成的电子罗盘。

  电子罗盘是导航系统不可缺少的重要组成部分。目前广为使用的是三轴捷联磁阻式电子罗盘,这种罗盘具有抗振性、航向精度较高、对干扰场有电子补偿、可以集成到控制回路中进行数据链接等优点,因而广泛应用于航空、航天、机器人、航海、车辆自主导航等领域。


  电子罗盘的工作原理

  电子罗盘可以分为平面电子罗盘和三维电子罗盘。平面电子罗盘要求用户在使用时必须保持罗盘的水平,否则当罗盘发生倾斜时,也会给出航向的变化而实际上航向并没有变化。虽然平面电子罗盘对使用时要求很高,但如果能保证罗盘所附载体始终水平的话,平面罗盘是一种性价比很好的选择。

  三维电子罗盘克服了平面电子罗盘在使用中的严格限制,因为三维电子罗盘在其内部加入了倾角传感器,如果电子罗盘发生倾斜时可以对罗盘进行倾斜补偿,这样即使罗盘发生倾斜,航向数据依然准确无误。有时为了克服温度漂移,罗盘也可内置温度补偿,最大限度减少倾斜角和指向角的温度漂移。

  三维电子罗盘由三维磁阻传感器、双轴倾角传感器和MCU构成。

  三维磁阻传感器用来测量地球磁场,倾角传感器是在磁力仪非水平状态时进行补偿;MCU处理磁力仪和倾角传感器的信号以及数据输出和软铁、硬铁补偿。

  三维磁阻传感器采用三个互相垂直的磁阻传感器,每个轴向上的传感器检测在该方向上的地磁场强度。


  向前的方向称为x方向的传感器检测地磁场在x方向的矢量值;向左或Y方向的传感器检测地磁场在Y方向的矢量值;向下或Z方向的传感器检测地磁场在Z方向的矢量值。每个方向的传感器的灵敏度都已根据在该方向上地磁场的分矢量调整到最佳点,并具有非常低的横轴灵敏度。传感器产生的模拟输出信号进行放大后送入MCU进行处理。

  电子罗盘在海洋浮标GPS辅助定位中的应用

  举例声纳浮标。

  声纳浮标因具有使用方便、搜潜速度快、搜索面积大、效率高、隐蔽性强等优点,成为航空反潜艇最常用的方法之一。利用声纳浮标进行水下目标定位首先需要进行浮标本身的定位,浮标相对于飞机位置的精度,将直接影响系统对水下目标的定位精度。


  利用GPS对声纳浮标定位能大大缩短载机达到指定浮标的时间,从而提高对水下目标的搜索速度,GPS声纳浮标在海面工作,由于海流和海浪起伏等因素,浮标的姿态是随机变化的,这将影响系统的定位精度。

  此时,可采用电子罗盘来对浮标姿态进行实时更正。在实际使用过程中,通常会采用三轴电子罗盘来辅助GPS进行定位,从而实时监测浮标的姿态和方位角,对浮标姿态进行实时坐标更正。

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