概述
随着科學技術的飛速發展，人類的活動範圍不斷擴大，從深達數千米的地層、海底到外大氣層都有人類活動的痕迹。伴随着人類活動領域的不斷擴展，衛星、飛機、導彈、運動平台的穩定、微波通信天線的自動跟蹤、勘探和探測等研究活動都需要定向導航技術。因此，定向導航技術的研究在科學研究、工程領域中具有重要的意義。
電子羅盤，又稱數字羅盤，在現代技術條件中電子羅盤作為導航儀器或姿态傳感器已被廣泛應用。電子羅盤與傳統指針式和平衡架結構羅盤相比能耗低、體積小、重量輕、精度高、可微型化，其輸出信号通過處理可以實現數碼顯示，不僅可以用來指向，其數字信号可直接送到自動舵，控制船舶的操縱。目前，廣為使用的是三軸捷聯磁阻式數字磁羅盤，這種羅盤具有抗搖動和抗振性、航向精度較高、對幹擾場有電子補償、可以集成到控制回路中進行數據鍊接等優點，因而廣泛應用于航空、航天、機器人、航海、車輛自主導航等領域。
雖然GPS在導航、定位、測速、定向方面有着廣泛的應用，但由于其信号常被地形、地物遮擋，導緻精度大大降低，甚至不能使用。尤其在高樓林立城區和植被茂密的林區，GPS信号的有效性僅為60%。并且在靜止的情況下，GPS也無法給出航向信息。為彌補這一不足，可以采用組合導航定向的方法。電子羅盤産品正是為滿足用戶的此類需求而設計的。它可以對GPS信号進行有效補償，保證導航定向信息100%有效，即使是在GPS信号失鎖後也能正常工作，做到“丢星不丢向”。
當然，随着GPS技術的發展，采用雙GPS接收機作為衛星信号傳感器，利用載波測量技術和快速求解模糊度技術，精确計算出運動載體的方位角，同時可以輸出俯仰角、位置、速度以及UTC等信息 也可以實現靜止狀态給出航向信息。目前市場典型XW-SC3600/3660定位定向系統，克服陀螺尋北的成本高、動态差和磁羅盤精度低、響應慢等缺點。
功能簡介
電子羅盤可以分為平面電子羅盤和三維電子羅盤，主要用在手持設備和汽車航海運輸方面。平面電子羅盤要求用戶在使用時必須保持羅盤的水平，否則當羅盤發生傾斜時，也會給出航向的變化而實際上航向并沒有變化。雖然平面電子羅盤對使用時要求很高，但如果能保證羅盤所附載體始終水平的話，平面羅盤是一種性價比很好的選擇。三維電子羅盤克服了平面電子羅盤在使用中的嚴格限制，因為三維電子羅盤在其内部加入了傾角傳感器，如果電子羅盤 發生傾斜時可以對羅盤進行傾斜補償，這樣即使羅盤發生傾斜，航向數據依然準确無誤。有時為了克服溫度漂移，羅盤也可内置溫度補償，最大限度減少傾斜角和指向角的溫度漂移。
原理
三維 電子羅盤由三維磁阻傳感器、雙軸傾角傳感器和MCU構成。三維磁阻傳感器用來測量地球磁場，傾角傳感器是在磁力儀非水平狀态時進行補償；MCU處理磁力儀和傾角傳感器的信号以及數據輸出和軟鐵、硬鐵補償。該磁力儀是采用三個互相垂直的磁阻傳感器，每個軸向上的傳感器檢測在該方向上的地磁場強度。
向前的方向稱為x方向的傳感器檢測地磁場在x方向的矢量值；向左或Y方向的傳感器檢測地磁場在Y方向的矢量值；向下或Z方向的傳感器檢測地磁場在Z方向的矢量值。每個方向的傳感器的靈敏度都已根據在該方向上地磁場的分矢量調整到最佳點，并具有非常低的橫軸靈敏度。傳感器産生的模拟輸出信号進行放大後送入MCU進行處理。磁場測量範圍為±2Gauss。通過采用12位A/D轉換器，磁力儀能夠分辨出小于1mGauss的磁場變化量，我們便可通過該高分辨力來準确測量出200-300mGauss的X和Y方向的磁場強度，不論是在赤道上的向上變化還是在南北極的更低值位置。
僅用地磁場在X和Y的兩個分矢量值便可确定方位值：
Azimuth=arcTan(Y/X)
該關系式是在檢測儀器與地表面平行時才成立。當儀器發生傾斜時，方位值的準确性将要受到很大的影響，該誤差的大小取決于儀器所處的位置和傾斜角的大小。為減少該誤差的影響，采用雙軸傾角傳感器來測量俯仰和側傾角，這個俯仰角被定義為由前向後方向的角度變化；而側傾角則為由左到右方向的角度變化。電子羅盤将俯仰和側傾角的數據經過轉換計算，将磁力儀在三個軸向上的矢量在原來的位置“拉”回到水平的位置。
标準的轉換計算式如下：
Xr=Xcosα+Ysinαsinβ-Zcosβsinα
Yr=Xcosβ+Zsinβ
這裡Xr和Yr為要轉換到水平位置的值
α為俯仰角
β為側傾角
從以上這三個計算公式可以看出，在整個補償技術中Z軸向的矢量扮演一個非常重要的角色。要正确運用這些值，俯仰和側傾角的數字必須時刻更新。采用雙軸寬線性量程範圍、高分辨率、溫漂系數低的陶瓷基體電解質傳感器來測量俯仰角和側傾角，傾角數值經過電路闆上的溫度傳感器補償後得出的。
特點
總結一下，典型的數字羅盤具有以下特點:
1． 三軸磁阻效應傳感器測量平面地磁場，雙軸傾角補償。
2． 高速高精度A/D轉換。
3． 内置溫度補償，最大限度減少傾斜角和指向角的溫度漂移。
4． 内置微處理器計算傳感器與磁北夾角。
5． 具有簡單有效的用戶标校指令。
6． 具有指向零點修正功能。
7． 外殼結構防水，無磁。電子羅盤的原理是測量地球磁場，如果在使用的環境中有除了有地球以外的磁場且這些磁場無法有效的屏蔽時，那麼電子羅盤的使用就有很大的問題，這時隻能考慮使用陀螺來測定航向了。
應用場合
水平孔和垂直孔測量、水下勘探、飛行器導航、科學研究、教育培訓、建築物定位、設備維護、導航系統、測速、仿真系統、GPS備份、汽車指南針、虛拟現實。
分類
随着微電子集成技術以及加工工藝、材料技術的不斷發展。電子羅盤的研究制造與運用也達到了一個前所未有的水平。目前電子羅盤按照有無傾角補償可以分為平面電子羅盤和三維電子羅盤,也可以按照傳感器的不同分為磁阻效應傳感器、霍爾效應傳感器和磁通門傳感器。
1磁阻效應傳感器
磁阻效應傳感器是根據磁性材料的磁阻效應制成的。磁性材料(如坡莫合金)具有各向異性，對它進行磁化時，其磁化方向将取決于材料的易磁化軸、材料的形狀和磁化磁場的方向。如圖所示，當給帶狀坡莫合金材料通電流I時，材料的電阻取決于電流的方向與磁化方向的夾角。如果給材料施加一個磁場B(被測磁場)，就會使原來的磁化方向轉動。如果磁化方向轉向垂直于電流的方向，則材料的電阻将減小;如果磁化方向轉向平行于電流的方向，則材料的電阻将增大。
磁阻效應傳感器一般有四個這樣的電阻組成，并将它們接成電橋。在被測磁場B作用下，電橋中位于相對位置的兩個電阻阻值增大，另外兩個電阻的阻值減小。在其線性範圍内，電橋的輸出電壓與被測磁場成正比。 磁阻傳感器已經能制作在矽片上，并形成産品。其靈敏度和線性度已經能滿足磁羅盤的要求，各方面的性能明顯優于霍爾器件。遲滞誤差和零點溫度漂移還可 采用對傳感器進行交替正向磁化和反向磁化的方法加以消除。
由于磁阻傳感器的這些優越性能，使它在某些應用場合能夠與磁通門競 争。磁阻傳感器的主要問題是其翻轉效應,這是其原理所固有的。如前所述，在使用前對磁性材料進行了磁化，此後如果遇到了較強的相反方向的磁場(大于20高斯)就會對材料的磁化産生影響，從而影響傳感器的性能。在極端情況下，會使磁化方向翻轉180。
這種危險雖然可以利用周期性磁化的方法加以消除，但仍存在問題。對材料進行磁化的磁場必須很強，如果采用外加線圈來産生周期性磁化磁場，就失去了小型化的意義，Honeywell公司的一項專利，解決了這個問題。他們在矽片上制作了一個電流帶來産生磁化磁場，該電流帶的阻值隻有5歐姆左右。雖然磁化電流隻持續1-2毫秒，但電流強度卻高達1到1.5安培。但這種方案對驅動電路要求高，而且如果集成入微系統，這樣強的脈沖電流将威脅系統中的微處理器等其它電路的可靠性。
2霍爾效應傳感器
霍爾效應磁傳感器的工作原理如圖2-2所示。如果沿矩形金屬薄片的長方向通電流I，由于載流子受洛侖茲力作用，在垂直于薄片平面的方向施加強磁場B，則在其橫向會産生電壓差U，其大小與電流I、磁場B和材料的霍爾系數R成正比，與金屬薄片的厚度d反比。100多年前發現的霍爾效應，由于一般材料的霍爾系數都很小而難以應用，直到半導體問世後才真正用于磁場測量。
這是因為半導體中的載流子數量少，如果給它通的電流與金屬材料相同，那麼半導體中載流子的速度就更快，所受到的洛侖茲力就更大，因而霍爾效應的系數也就更大。霍爾效應磁傳感器的優點是體積小，重量輕，功耗小，價格便宜，接口電路簡單，特别适用于強磁場的測量。但是，它又有靈敏度低，噪聲大，溫度性能差等缺點。雖然有些高靈敏度或采取了聚磁措施霍爾器件也能用于測量地磁場，但一般都是用于要求不高的場合。
3磁通門傳感器
磁飽和法是基于磁調制原理，即利用被測磁場中鐵磁材料磁芯在交變磁場的飽和勵磁下其磁感應強度與磁場強度的非線性關系來測量弱磁場的一種方法。應用磁飽和法測量磁場的磁強計稱為磁飽和磁強計，也稱磁通門磁強計或鐵磁探針磁強計。磁飽和法大體劃分為諧波選擇法和諧波非選擇法兩大類。
諧波選擇法隻是考慮探頭感應電動勢的偶次諧波(主要是二次諧波)，而濾去其他諧波；諧波非選擇法是不經濾波而直接測量探 頭感應電動勢的全部頻譜，利用差分對磁飽和探頭能夠構成磁飽和梯度計，可以測量非均勻磁場，同時利用梯度計能夠克服地磁場的影響和抑制外界的幹擾。這種磁強計早在本世紀30年代開始用于地磁測量以來，不斷獲得發展與改進，目前仍然是測量弱磁場的基本儀器之一。
磁飽和磁強計分辨力較高測量弱磁場的範圍較寬，并且可靠、簡易、價廉、耐用，能夠直接測量磁場的分量和适于在高速運動系統中使用。因此，它廣泛應用在各個領域中，如地磁研究、地質勘探、武器偵察、材料無損探傷、空間磁場測量等。近年來，磁飽和磁強計在宇航工程中得到了重要的應用，例如用來控制人造衛星和火箭的姿态，還可以測繪來自太陽的“太陽風”以及帶電粒子相互作用的空間磁場、月球磁場、行星磁場和行星際磁場的圖形。 雖然磁通門還存在處理電路相對較複雜、體積較大和功耗相對較大的問題，但随着微系統、微型磁通門和低功耗磁通門的研究，這些問題可以得到解決。從三者的比較來看,目前基于磁電阻傳感器的電子羅盤具有體積小、響應速度快等優點,優勢明顯,是電子羅盤的發展方向。
