电子罗盘的干扰抑制

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电子罗盘的干扰抑制

王勇军，李智，李翔

（桂林电子科技大学，广西桂林５４１００４）

摘要：为保证信号测量可靠性和精确度，有效抑制工频干扰和白噪声信号，提出了电子罗盘的干

扰抑制方法。采用硬件电路滤去高频干扰，利用正弦波等分点均值滤波法和ＦＩＲ滤波法分别滤除工频干扰和白噪声信号。通过电子罗盘滤波前后测量误差的对比，验证了滤波设计对干扰信号的抑制。

关键词：电子罗盘；工频干扰；白噪声

中图分类号：ＴＭ９３

文献标识码：Ａ

文章编号：１６７４—７７２０（２０１０）１２—０１０４－０３

Ａｎｔｉ－ｊａｍｍｉｎｇｍｅｔｈｏｄｏｆｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｃｏｍｐａｓｓ

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随着定位导航技术的飞速发展和日臻成熟，电子罗盘在相关领域得到了越来越广泛的应用。罗盘内部电路和使用过程中周围磁场环境的影响，使罗盘系统的精度和稳定性大大下降，因此，航向角显示的可靠性成为衡量电子罗盘系统性能优劣的重要指标。本文涉及的电子罗盘是基于ＨＭＣｌ０２１／１０２２磁阻传感器和加速度传感器

航向角…。当加速度计被定向时，其ｘ轴和ｌ，轴与地球

表面平行，加速度计可用来作为具有翻滚和倾斜两个轴的双轴倾角传感器，则被测物体的俯仰角可记为７，横滚角为』Ｂ。将磁阻传感器的３个敏感轴沿载体的３个坐标轴安装，分别测量地磁场磁感应强度日在载体坐

标系３个坐标上的投影分量（巩，日ｒ，Ｈｚ）。在地平坐标系中，地磁场的三轴正交分量输出为（日。一，，风～ｒ，日ｎ—ｚＪ。根

据正交笛卡尔坐标系的坐标变换可知：

［日Ｒ—ｘ，日Ｒ—Ｙ，日Ｒ—ｚ］＿

一１

一ｌ

ＡＤＸＩ。２０２Ｅ研制的，它具有体积小、成本低、精度高、响

应速度快等优点。但是从磁阻传感器输出地信号只有几百微伏至几毫伏，信噪比较小，很容易受到内外环境的影响。如何消除这些干扰信号，成为处理磁场信号、确保罗盘精度和稳定性的酋‘要任务。

『ｃｏ秘０一ｓｉ邶］

ｏ

ｌ

ｏ

『ｌ

０

０ｃｏｓＴ

０ｓｉｎＴｃｏｓＴ

］

１［巩，日ｙ，日ｚ］１

Ｊ

１电子罗盘工作原理和干扰分析

在电子罗盘系统中，单片机ＶＲＳ５１Ｌ３０７４完成对磁阻传感器和加速度传感器输出信号的采集，从而获得罗盘载体位嚣的瞬时磁场和加速度值，然后利用函数关系计算出当前位置相对于已知参考位置之间的三轴磁场强度、横滚角和俯仰角，从而进行姿态解算得到载体的

【ｓｉ邮０ｃｏ够Ｊ【０一ｓｉｎｙ

（１）

通过对式（１）的姿态解算可以得到电子罗盘的航向角：

ｏｔ＝ａｒｃｔａｎ（Ｈａ－ｘｌＨＲ—ｙ）

（２）

通过实验测试，电子罗盘测量随机误差偏大或角度突变的问题时有出现。本文通过对静态与动态（罗盘低

￥基金项｝Ｉ：广阿研究叶ｊ科研创新项目（２００９１０５９５０８０４Ｍ３２１

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万方数据

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薯ｉ囔糯漫谈。；ＰａｎｉＣｉｐａｔ．ｏｎ

ｏｆＥｘｐｅｒＩｅｎｃｅ

速运动）数据的分析发现，通道测量数据呈波动形式，数据中有类似周期性变化的分量。

为了，摸清干扰信号的特性，找到干扰信号的真正来源，利用频谱分析仪先后对磁阻传感器输出信号进行频谱分析与监测。结果发现，传感器输出信号主谱附近存在５０

Ｈｚ、１００

Ｈｚ和３００Ｈｚ干扰频率，另外还有一些噪

声频谱。干扰成分在蓄电池供电条件下的干扰较市电供电条件下的：于扰幅度要小，其中以１００Ｈｚ和３００Ｈｚ干扰频率为主，噪声频谱略有减小，５０Ｈｚ的干扰幅度时大时小。由于传感器输出信号中有此干扰信号，电子罗盘

输出航向角也存在不同程度的起伏。

２电子罗盘抗干扰设计

２．１电子罗盘硬件抗干扰设计

通过分析传感器输出信号频谱中的低频干扰分量可知，这些干扰分量主要是由供电系统的工频干扰引起。，若测试的信号本身变化比较缓慢，在上面叠加了工频干扰之后，它测量的值发生偏移，直接影响到测量的精度，有时甚至达不到测量精度的要求。因为５０Ｈｚ工频也是一种变化很缓慢的干扰，使用通常的方法很难将它与被测的有用信号区分开。经理论分析和试验结果可知，要降低工频干扰的影响，可从设备及硬件上做调整，也可从数据处理方法上对干扰的影响进行抑制。为了提高系统的可靠性及稳定性，通常采用屏蔽、滤波、良好接地及光电隔离等措施来抑制干扰【２ｌ，这些方法对于抑制非工频干扰很有效。传感器输出信号先经过硬件电路滤去工频的高次谐波和部分高频干扰，再由软件滤去工频的基波和低频噪声信号。

因为硬件滤波器都有一定的带宽，采用单纯的硬件电路很难将工频干扰的影响消除，对白噪声的抑制也很有限，处理不好很容易滤除有用的信号，而且硬件滤波器很难做成多个陷波点，其影响较大的低次谐波也很难滤去。所以，必须进一步利用数字信号处理的相关理论，借助ＶＲＳ５１Ｌ３０７４的高性能运算单元，使用数字滤波滤去工频的基波和噪声信号。２．２软件滤波

通过对多次任务数据处理分析，电子罗盘主通道测量数据可用下式模型表示：

“ｔ）＝ｓ（ｔ）＋ｚ（ｔ）＋ｅ￡

（３）

其中，ｓ（￡）为有效磁场信号，在有限长时间内可看做直流信号；ｚ（ｔ）为周期性干扰分量，它是测量通道低频干扰的组合．ｅｆ为白噪声序列。

对于电子罗盘信号中周期性干扰主要为５０Ｈｚ的工频干扰，可以利用正弦波等分点均值滤波法滤除。由欧拉公式可知，正弦波一周中任取ｎ个等分点的和为零，则有：

ｎ＋女一ｌ

∑。ｉｎ（ｉ堕＋ｃ）：０

（４）

ｉ：ｋ

凡

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万方数据

其中，／／，是大于１的整数，ｋ为任意整数，Ｃ为任意实数。式（４）左边部分可看作是式（３）的虚部：

ｎ＋ｋ—ｌ

∑。。。（ｉ堕＋。）ｏ。ｉｎ（ｉ堡＋。）

（５）

ｆ：＾

／２

ｎ

利用欧拉公式可将式（５）写为：

“壹１。川等川：酽“窆１ｉ＝ｋ

ｉ＝ｋ

ｅ¨￡孚）：∥。Ｊ譬『』专｝］：ｏ（６）

【ｌ—ｅ‘。Ｊ

其中，ｉ是复数记号，式（２）得证。滤波算法就是取ｎ个采样点的平均值，即：

１

ｏ

，，＝上乞戈。＝ｘ

（７）

因此，对于５０Ｈｚ工频干扰，本方法简单易于实现。／２个点的平均值ｘ本来就是一个线性低通滤波器，但它的特别之处在于当／２取ｓ／ｆ时（ｓ是每秒采样点数；，是欲消除的正弦波的频率；／２必须是整数，否则要通过改变ｓ来调整），此时ｎ点对干扰波来说正好就是一周中的凡个等分点，其和为零。于是干扰波被完全消除。例如采样速率为每秒２５０点，为消除其中混入的５０Ｈｚ工频电源于扰，将其连续５点采样求平均值后作为滤波输出。在实现方法上可将最近５点采样值及５点的和保存，每来一个新点时，在和中减去最早的点，再加上新点然后将和除以５即得均值。为了免去除法，可将忍凑成４或８，将采样点改为２００点或４００点，此时只要用二进制右移指令即可代替费时的除法。

电子罗盘白噪声的处理采用ＦＩＲ滤波法１３１，其原理是对一组数据ｘ（ｎ）中的每个点移动平均后滤波得到的结果ｙ（／２），即：

１“－ｐＮ＋ｌ

ｙ（ｎ）＝—石１２。互（ｉ）（８）

则其传递函数为：

／／（ｚ）＝（１＋ｚ一１＋ｚ～２＋・・・＋ｚ（。。ｖ一’）／Ⅳ

（９）

其对应的噪声减少率彻Ｒ＝１／Ⅳ，如果需要得到较小

的ＮＲＲ，则需要较高的计算点数Ⅳ。由传递函数知Ｈ（ｚ）对应的截止频率６０斫＝叮ｒ／Ⅳ，而较高的点数会造成截止频率６０珊较小，有可能对磁场输出信号产生较大影响。假如进行１０点的平均滤波法计算，其噪声减少至原噪声的１０％，滤波器截止频率甜斫＝０．１竹。

３干扰抑制效果测试

除了工频干扰和噪声，罗盘航向角还受传感器误差、软硬磁干扰和倾斜角度等因素的影响。对电子罗盘进行测试，首先是对电子罗盘的稳定性进行评估。实验时，通过对相同条件下同一物理量多次重复测量值的标准差大小的比较，来对其相应抗干扰性能进行评估。测试结果如表１所示。

从实验测试的标准差可以看出，经过软件滤波后均

方误差盯小了很多，采用的软件滤波算法对抑制干扰非常有效。

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经验漫谈ｊＭｉｃｉｐａｔｉｏｎｏｔ

表１

２

３２．１２．７９９．６９２．３３００．６３００．２

４

、

ＥＸｐｅｒｉｅｎｃｅ

一定程度上影响了补偿效果。

标准差口

－２．３２０．５４

同一位置滤波前后测试结果ｆ单位：。）

５

６６．５３

１

平均值

４．１５２．５５

单纯使用硬件滤除干扰，因受硬件滤波器带宽的限制，在滤去低次谐波时容易造成有用信号的失真；而单纯使用软件的方法，因受到ＣＰＵ运算速度的影响，很难滤去干扰中的高频成分。使用软硬结合的方法，综合利用了两者的优点，最大限度地从被测信号中滤除了工频和白噪声信号对测量的干扰。本文提出的软件滤波算法速度快，适合处理任意

滤波丽ｄ１滤波后ａｌ滤波前０１２滤波后ｄ２滤波胁ａ３滤波后ａ３

４．５２．１８０

７

２．２３．２８６

３

７．３１．９

９０．２８９．６３００．９３０３．２

２．３２．３

７９．３９３．４

８９．５８９．２

８７．６８９．８３２９８．９７

３００．１２

７．３８ｌ

２．６１５．４２１．９５

８６．４２９１．４２９８．７

８８．１２９６．３３０１．３

２９７．１

２９７．７

３０７．５２９９．６

试验过程中，采用光电编码盘作为角度测量标准装置，将电子罗盘放在水平面内缓慢转动一周，对光电编码盘的输出脉冲进行计数实现参考角度的计算，每转动一下（约１５。），测一次。根据测量数据建立航向误差曲线，如图１所示，实线是由原始数据量直接统计的罗盘航向误差曲线，测量随机误差为０．５。～１１．９。；而虚线是经过于扰对消法统计的航向误差，它可以控制在０．１。～７．７

ｏ

固定周期的干扰信号，滤波效果理想，是一种实用的数字滤波设计方法。在此基础上进行误差校正，并引入误差校正算法，消除传感器的误差和系统的软硬磁干扰，进一步提高了电子罗盘的精度。参考文献

［１］熊剑，刘建业．数字磁罗盘的研制［Ｊ］．传感器技术，２００４，

２３ｆ８）：４６．

之间。同时也可看到，在抑制干扰后测量数据误差仍然较大，这是受测量数据尚未消除传感器误差（主要是零位误差、标度因数和非正交误差）的影响造成的，因而在

［２】张文娜，叶湘滨．传感器接口电路的抗干扰技术及其应

用［Ｊ］．计算机自动测量与控制，２００１（３）：６０—６２．

【３］王树勋．数字信号处理基础及试验【Ｍ］．北京：机械工业出

版社，１９９２．

（收稿日期：２０１０一０２—１０）

作者简介：

王勇军，男，１９８５年生，硕士研究生，主要研究方向：精密测量与智能控制。

李智，男，１９６４年生，博士，教授，主要研究方向：自动测试总线与系统，智能仪器系统，测试理论与技术。

李翔，男，１９８４年生，硕士研究生，主要研究方向：信号

图ｌ航向角误差曲线

处理与信息集成系统。

（上接第＿…３页）

践【Ｍ］．北京：科学出版社，１９８８．

［７】汤Ｕ东．硬件ｊＣ余技术及可靠性评价［Ｊ】．广西民族学院

学报（自然科学版），２００３，９（４）：６３—６７．

张紫瑞，男，１９８４年生，在读硕士研究生，主要研究方向：嵌人式软件。

严锐，男，１９６８年生，工程师，主要研究方向：计算机辅助设计。

岳继光，男，１９６１年生，博导，教授，主要研究方向：过程控制与计算机控制。

（收稿日期：２０１０—０ｌ一２１）

作者简介：

ＣＳＲ携手英特尔打造ＰＣ连接新境界

全球领先的蓝牙连接及无线技术提供商ＣＳＲ公司（伦敦证券交易所：ＣＳＲ．Ｌ）日前宣布与英特尔公司携手，为ＰＣ市场开发蓝牙与Ｗｉ—Ｆｉ相结合的解决方案，并将其作为ＣＳＲ正在进行的优选合作伙伴战略的组成部分。这将有助于最新蓝牙标准实现新的应用，并改善下一代笔记本、上网本和其他移动设备的性能。

ＣＳＲ公司语音及消费事业部高级副总裁ＡｎｔｈｏｎｙＭｕｒｒａｙ表示：“英特尔是ＰＣ平台当之无愧的领导厂商，我们期待在这些新型高速Ｗｉ—Ｆｉ和蓝牙产品的开发中与他们合作。我们相信这一产品协作将为全球ＰＣ平台的主流消费群体带来最新的蓝牙技术优势。”

此次产品协作符合ｃｓＲ的优选合作伙伴战略，进一步巩固了我们的连接和定位技术在主流消费群体中的优势，加强了ＣＳＲ在ＰＣ连接市场的地位。

（ＣＳＲ公司供稿）

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