Техническое описание электронных компасов
До недавнего времени в геодезии в основном использовались компасы и буссоли, где чувствительным элементом является намагниченная игла, вращающаяся на стержне и используемая в разных модификациях этих приборов уже несколько тысячелетий. При ориентировании игла принимает такое положение, что ее плоскость становится параллельна линиям магнитного поля, проходящим в данном месте. Если игла имеет две степени свободы, т. е. может вращаться в горизонтальной и вертикальной плоскостях, то направление, в котором указывает игла, будет показывать и склонение, и уклон локального геомагнитного поля. Во многих приборах, для того чтобы игла точно показывала направление на северный магнитный полюс, ее обычно уравновешивают специально под особенности магнитного поля того региона, в котором компас будет эксплуатироваться.
Иногда используют компасы с глобальным балансированием, которые могут использоваться по всему миру. Для демпфирования колебаний иглы во время движения компас заполняется жидкостью (смесь воды с алкоголем или очищенным маслом). Показания таких приборов отягощены ошибками из-за влияния внешних воздействий, таких как вибрация, наклон, ускорение, а также внешние магнитные поля. Традиционные компасы и буссоли сложно приспособить к цифровому считыванию, а следовательно, сложно использовать в комплексе с новейшими геодезическими приборами.
В современных электронных компасах в качестве чувствительного элемента используются магнитометры, которые являются, как и компас, аналоговыми приборами и измеряют интенсивность одной или нескольких составляющих магнитного поля Земли в той точке, где он находится. Сигналы с выхода магнитометра преобразуются в цифровую форму и могут быть использованы для дальнейшей обработки микропроцессором. В современных приборах в основном используются магнитометры, в которых используются магниторезистивные и магнитоиндуктивные датчики, датчики на основе эффекта Холла, а также датчики, изготовленные по технологии «fluxgate». Для ориентирования обычно используется электронный компас, который имеет два магнитометра, установленных в горизонтальной плоскости под прямым углом друг к другу, чтобы измерять одну из компонент магнитного поля Вх или Вy, соответственно по оси х или по оси у. Угол между осью х и магнитным меридианом будет равен:
ψ = arctg(By/Bx). (7.1)
Современные магнетометры имеют небольшие размеры и встраиваются в интегральные микросхемы.
В некоторые геодезические приборы встраиваются анизотропные магниторезистивные (AMP) датчики, представляющие собой специальные резисторы, сделанные из тонкой пермаллоевой пленки, вектор намагничивания которой при попадании во внешнее магнитное поле начинает вращаться или изменять угол, меняя сопротивление пленки. При измерениях такую пленку помещают в мост Уитсона и оценивают изменение напряжения, вызванное изменением сопротивления пленки, по которому оценивают силу воздействия магнитного поля. Магниторезистивные датчики обеспечивают точность, превышающую один градус, и могут иметь одну, две или три оси, и их встраивают в электронные компасы.
Необходимо отметить, что многие спутниковые приемники имеют аналогичные встроенные электронные компасы. В спутниковых приемниках обычно используют двухосевой компас, а в некоторых случаях — трехосевые датчики направлений, которые позволяют получать достаточно точные направления даже в случае небольшого наклона. В том случае, когда спутниковый приемник движется со скоростью свыше 10 км/час, он по спутниковым наблюдениям может определять направление своего движения с ошибкой менее одного градуса. При меньших скоростях движения GPS-приемник в комплекте с одной антенной не способен определить направление движения. Поэтому приемник настраивают так, чтобы при достижении им определенной скорости (например, 5 или 10 км в час), он переключался бы с функции направления по компасу на функцию направления, полученного из спутниковых наблюдений, выполненных самим GPS-приемником, а при уменьшении скорости движения приемник возвращался к направлению компаса.
Чтобы спутниковый приемник мог вычислять как географический (истинный), так и магнитный азимуты движения, в приемник встраивают программное обеспечение, которое содержит параметры модели основного геомагнитного поля Земли. Приемник непрерывно обновляет информацию о направлении на объект по мере того, как пользователь двигается произвольным путем до объекта.
Магнитоиндуктивные датчики направления появились сравнительно недавно — первый патент на них был выдан в 1989 году. Принцип его работы основан на том, что в генераторе колебаний используется катушка, индуктивность которой меняется под воздействием изменения окружающего магнитного поля. Изменение индуктивности катушки вызывает изменение частоты генератора. Таким образом, магнитометр такого типа измеряет магнитное поле по его влиянию на индуктивность катушки проволоки или соленоида.
Для определения направления на северный магнитный полюс (в горизонтальной
плоскости) два таких датчика, установленных перпендикулярно друг другу,
закрепляют на карданном подвесе, чтобы они располагались в горизонтальной
плоскости, а в трехосевом используется еще и креномер. Многие современные
автомобильные компасы производятся на основе магнитоиндуктивных
датчиков.
