彈載磁阻傳感器地磁場探測使用域分析研究

郭慶偉，高敏，王紅飛

（1.軍械工程學院，河北石家莊 050003；2.65161部隊，遼寧朝陽 122400）

彈載磁阻傳感器地磁場探測使用域分析研究

郭慶偉1，高敏1，王紅飛2

（1.軍械工程學院，河北石家莊 050003；2.65161部隊，遼寧朝陽 122400）

彈道修正是簡易制導化的重要發展方向，其關鍵技術之一就是彈體姿態的測量，應用磁阻傳感器對地磁矢量進行測量進而獲得彈體的姿態信息是目前的研究熱點。該文主要對磁阻傳感器在應用過程中出現的使用域問題進行分析研究，重點對地磁異常的干擾和磁阻傳感器自身因素進行相關闡述，并對彈道與磁北方向平行的特殊情況進行詳細地分析，為下一步的實際工程應用提供理論支撐。

磁阻傳感器；使用域；磁場探測；干擾

0 引言

常規彈藥的簡易制導化是常規彈藥改造的一個重要途徑，是各國軍工界研究的熱點之一，可以實現低成本下常規彈藥精度和戰斗力的大大提高。彈道修正彈是一種低成本、高精度的簡易制導常規彈藥，是一個重要的研究發展方向，而彈體姿態的測量是彈道修正實現的關鍵技術之一[1-3]。當前，用于彈體飛行姿態測量的方法很多，但是很少能得到廣泛應用。傳統的姿態測量方法應用于常規彈藥時大多數都受到很多條件的影響，限制了其應用范圍，近年來，基于自然矢量-地磁矢量的彈體姿態測量得到了更為廣泛的關注。

應用地磁場進行姿態測量的重要前提是地磁場的實時探測。目前，地磁場的探測方式通常是利用各類地磁敏感傳感器，最常用的磁傳感器有磁阻式、霍爾效應式、磁通門式等。磁阻式磁傳感器是使用半導體工藝加工而成的，因其體積小、價格低廉、可靠性高，得到了廣泛應用。因此，考慮技術和經濟因素，應用于常規彈藥彈體磁阻傳感器是最好的選擇。本文主要是針對使用域問題，從地磁異常的干擾和磁阻傳感器自身因素分析彈載磁阻傳感器的盲區和影響其正常工作的因素，并對彈道與磁北方向平行的情況進行詳細的分析。

1 地磁異常的干擾

1.1 異常磁場的干擾

地磁場是地球的自然磁場，基本磁場是穩定的，可以通過精確的地磁模型或地磁圖來分析。由于受到異常磁場的影響，產生地磁異常情況，導致模型偏差。異常磁場相對于穩定磁場可以定義為干擾磁場[4-5]，可以從以下4個方面考慮：（1）磁性礦物（如鐵礦等）；（2）地質構造的變化（如板塊構造、斷層等）；（3）地質活動及外界因素的影響（如火山、地震和太陽磁暴等）；（4）人為因素（如鐵軌、高壓線等）。其中磁性礦物質的影響較為普遍，也是可以通過航測來獲取異常變化，進而通過補償等處理方法來進行相應的優化處理。但是，相對彈體的射程和飛行軌跡，地磁異常的影響是比較小的，可以在彈體上通過軟硬件的設計來減小其帶來的影響，如設計固定時間置位復位程序、在線標定程序等等排除瞬時異常的影響，也可以在數據處理過程中對異常數據進行剔除，提高地磁數據的精度和降低地磁異常帶來的影響。

1.2 彈體磁場的影響

除了上述的異常磁場干擾以外，由于彈體材料通常是鐵磁材料，也會在其周圍產生干擾磁場，可以分為硬磁干擾與軟磁干擾[6-7]。硬磁干擾主要是由永久磁體以及被磁化的金屬所決定，這些干擾相對穩定，與彈體的坐標位置相對固定，便于分析和補償；軟磁干擾主要是由地球磁場和附近磁性材料間相互作用引起，其規律比較復雜，難以用確定的模型和方法進行分析，難以實現比較精確的補償。對于硬磁干擾，可以通過校正補償的方法進行修正，實際中常用的是通過軟件的方法，如最小二乘補償法、橢圓補償、橢球補償等；而軟磁干擾可以通過試驗的方法，在實際條件下利用具體的彈體環境獲得其補償值。彈體磁場帶來的影響在應用中必須要考慮，也是應當重點研究分析的對象，否則會直接對測量值帶來較大的誤差，從而影響探測精度。

2 磁阻傳感器的自身因素

2.1 磁阻傳感器測量盲區

根據磁阻傳感器的測量原理——磁電阻效應，當彈體的軸與地磁場方向重合時，如果兩軸傳感器沿垂面方向，則其軸垂直于磁場方向。此時，彈體滾轉過程中，磁阻傳感器的兩軸上的輸出始終為零，無法給出磁場的數值，進而無法進行下一步的計算和數據處理，此時即是磁阻傳感器的探測盲區。在理論上，只要彈體軸與地磁場方向平行，磁阻傳感器便無法給出磁場的數值。但是受到磁阻傳感器分辨率和探測精度的制約，實際的盲區范圍是一個空間錐角。磁阻傳感器的測量盲區是：磁阻傳感器所給出的磁場分量值不能滿足測試精度要求的一個錐角區域。如果考慮到環境磁場的影響，盲區產生的原因可能更加復雜。在此錐角區域，將無法獲得可信可用的地磁數據，就無法進行下一步的姿態解算工作，使得測量系統無法正常工作。

2.2 盲區的分析

由上節可知，傳感器的測量盲區是由于其工作原理造成的，同時也是應用過程中不可避免的問題。現就以具體且常用的雙軸磁阻傳感器Honeywell HMC1022為例進行盲區分析，其測量磁場范圍是±6 Gauss，分辨率為85μGauss。

假設磁阻傳感器沿垂直彈體軸向安裝，則彈體的橫截面即為磁阻傳感器的測量平面。彈體軸向與地磁場方向夾角為1°，地磁場強度為0.8Gauss，則彈體在旋轉過程必然存在一個位置，使得地磁場在敏感軸上的地磁分量強度小于85μGauss。此時，由于地磁分量強度小于分辨率，從而無法準確測量其真實值，所得的數據也是有偏差的，無法正常敏感地磁場，此時處于其盲區范圍。

從實例可以得出，盲區的范圍與地磁場強度的大小、磁阻傳感器分辨率以及彈體軸與地磁場方向的夾角有關[8]。如果地磁場強度的大小、彈體軸與地磁場方向的夾角都大于一定的值，盲區的范圍就會非常的小；如果值較小，則可能在滾轉的某些角度出現盲區。下面簡單定量的分析盲區范圍的大小，假定磁場強度Bs、磁阻傳感器分辨率τ以及彈體軸與地磁場方向的夾角α，示意圖見圖1。

圖1 地磁場測量示意圖

如果滾轉角測量誤差為5°，設定此角度范圍為盲區的計算閾值，此時有

滿足式（1）的Bs、τ，盲區的范圍在橫截面上角度小于5°，也就是錐形區域的頂角小于5°。

反之，如果Bs、τ不滿足式（1），則出現盲區的范圍就是

此時，角度的范圍就是

由于是雙軸傳感器，兩軸相互垂直，因而會在同一方向上每軸有兩個角度區域，而且在此方向的相反方向也是其盲區只是符號正負發生變化，如圖2所示。

圖2 盲區范圍示意圖（彈體橫截面）

2.3 磁阻傳感器的硬件條件影響

由于彈體飛行速度快，轉速較高，特別是飛行過程中彈體上環境很復雜，空間也有限，對地磁測量傳感器的響應速度、測量精度、分辨率、環境溫度、測量域、體積及抗干擾性等均有很高的要求。地磁場屬于弱磁場，現有的磁阻傳感器雖然能滿足彈載動態測量時對響應速度、精度和分辨率等性能指標的要求，但是在應用到彈體上時往往在體積和工作環境會受到一定的影響；因此，在選擇磁阻傳感器時，需要充分考慮各種影響因素。

3 彈道與磁北方向平行

3.1 基本條件分析

在磁阻傳感器的測量盲區分析中，當彈體飛行方向與磁場方向平行時，磁阻傳感器將無法測量其分量值。現在考慮極限情況下，當彈道與磁場方向平行時，分析其對磁場探測的影響。

現以常溫彈道某型火箭彈的彈道為參考，其示意圖如圖3所示，彈道傾角隨高度而變化：在上升弧段時，其彈道傾角逐漸減小，到彈道頂點減小至零，理論上從射角大小逐步降為零；在下降弧段時，其彈道傾角逐漸增大，到落點增大到最大。

圖3 彈道示意圖

不考慮地磁異常的影響，地磁場可以通過地磁模型來進行模擬和分析。利用Geomag70軟件，時間設定為2012年7月30日，地點取北緯42.8°，東經124.6°，采用地磁模型IGRF2010，可以獲得地磁傾角隨海拔高度的變化，如表1所示。

表1 地磁傾角隨海拔高度的變化

從表1中可以看出，地磁傾角隨高度的變化非常小，在整個飛行過程中，其變化幅度最大為0.01°，變化率為0.02%，幾乎可以忽略不計，近似為方向不變。

通過對比彈道飛行過程中的傾角變化與地磁傾角隨高度的變化，可以得知：地磁傾角在彈體飛行中變化非常小，可以近似沒有改變；彈道傾角在彈體飛行過程中逐步變化，而且某一個角度出現并保持的時間非常的短，對應整個彈道是可以近似為一點。

如果射角在磁傾角附近時，彈體飛行過程中將有可能出現盲區。如果射角大于磁傾角時，飛行過程中必定出現彈體與磁場方向平行，且上升弧段與下降弧段都會出現盲區；如果射角小于但是接近磁傾角時，飛行過程中在下降弧段可能出現彈體與磁場方向平行的情況；如果射角遠小于磁傾角時，飛行過程中將不會出現彈體與磁場方向平行情況。

以某型火箭彈為例，如果地點為北緯42.8°，東經124.6°，磁偏角為60.51°，其彈道傾角在60.00°～61.00°的時間為1.61 s，此時彈道傾角與磁偏角非常接近，處于探測盲區，無法獲得準確的地磁數據。

3.2 建議與措施

在我國境內，從南至北，磁傾角由-10°增至70°，且陸地上都是在40°以上。考慮探測盲區的問題，在進行射擊時，首先，方位角應當盡量避免選擇磁北方向，從根源上避免可能會產生無法探測的因素；其次，在無法避免的情況下，盡量選擇小的射角進行射擊，選擇小于磁偏角的射角；第三，可以通過技術途徑來解決這種情況帶來的影響，如提高傳感器精度、改進算法等，通過辨識探測盲區進行標定或軟件補償等處理。

4 結束語

地磁場是天然磁場，以其固有優勢逐步得到廣泛的應用。磁阻傳感器是目前得到普遍應用的地磁傳感器，但將其應用于常規彈藥簡易制導化過程中，應當考慮其在使用過程中的影響因素。在使用域的分析中，本文主要對地磁異常的干擾和傳感器自身的影響兩個方面進行闡述，并重點對彈道方向與磁北方向平行的情況進行分析，對相關的解決措施和方法進行描述，但仍有一些問題沒有涉及到，如地磁場模型隨時間發生的改變等，是下一步應當研究的方向。通過分析使用域的情況，對在實際應用中應當重點把握和解決的重點、難點問題具有重要的指導意義，為下一步的技術研究提供理論支撐。

[1]雷芳，王華，焦國太，等.彈道修正彈藥的姿態測量技術研究[J].彈箭與制導學報，2009，29（4）：123-132.

[2]Titterton D，Weston J.Strapdown inertial navigation technology[R].2nd Edition.AIAA，2005.

[3]王廣龍，祖靜，張文棟.地磁場傳感器及其在飛行體姿態測量中的應用[J].北京理工大學學報，1999，19（3）：361-364.

[4]曹紅松，陳國光.飛行彈體滾轉姿態探測方法研究[J].彈箭與制導學報，2004，24（1）：141-142.

[5]晏登洋.慣性/地磁組合導航技術研究[D].西安：西安工業大學，2007.

[6]李忠亮，邊少鋒.世界地磁模型WMM2010及其應用[J].艦船電子工程，2011，31（2）：58-61.

[7]陳明輝.基于地磁異常的定位方法研究[D].西安：西安工業大學，2009.

[8]孫寧.利用磁阻傳感器測量飛行體滾轉角[D].南京：南京理工大學，2008.

Research and analysis of application range of magnetic resistance sensor carried by projectile in geomagnetic field measurement

GUO Qing-wei1，GAO Min1，WANG Hong-fei2
（1.Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China；
2.Unit 65161，Chaoyang 122400，China）

Trajectory correction is a significant improving aspect of simple homing of traditional ammunition.Measurement of projectile attitude is the key technology in the correction.Applying the geomagnetic field to detect the attitude information is the hot spot recently.This paper gives more attention to the application range of magnetic resistance sensor when they are employed in the projectile.The geomagnetic field anomaly interference and the self-element of magnetic resistance sensor are put forward in the following words，especially in the situation that the trajectory of projectile is parallel with geomagnetic field direction.From the analysis，more theory information is provided to the coming application.

magnetic resistance sensor；application range；geomagnetic field measurement；reference

TJ413；TP212.1；TM936.1；TM930.12

A

1674-5124（2013）03-0031-03

2012-08-27；

：2012-10-14

郭慶偉（1988-），男，山東泰安市人，碩士研究生，專業方向為機電設計與評估。