基于地磁導(dǎo)航的磁空間模擬技術(shù)研究?

宋新昌 王曉峰

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七一〇研究所國防科技工業(yè)弱磁一級計(jì)量站 宜昌 443003）

1 引言

地球是一個(gè)天然磁體，在其周圍空間存在著磁場，即地球磁場［1］。地球磁場是一種矢量場，與特定地點(diǎn)的經(jīng)度、緯度、高度存在著對應(yīng)關(guān)系，可以為航空、航天、航海等提供天然的坐標(biāo)系，利用該坐標(biāo)系，能夠?qū)崿F(xiàn)無源、無輻射、全天時(shí)、全天候、全地域、低能耗的自主導(dǎo)航定位［2～3］，但是地磁導(dǎo)航的飛行試驗(yàn)費(fèi)用昂貴，一旦失敗就有可能造成災(zāi)難性的后果，所以在試驗(yàn)之前需要做充分的準(zhǔn)備。磁空間模擬技術(shù)能夠在試驗(yàn)室條件下動(dòng)態(tài)模擬全球各地的地磁場強(qiáng)度，可以為地磁導(dǎo)航系統(tǒng)提供在試驗(yàn)室條件下的驗(yàn)證，以極小的代價(jià)較為真實(shí)的模擬飛行器或衛(wèi)星在飛行途中經(jīng)歷的地球磁場，達(dá)到在試驗(yàn)室中模擬地磁導(dǎo)航的流程［4-5］。

2 系統(tǒng)組成與工作原理

2.1 系統(tǒng)組成

用于地磁導(dǎo)航的磁空間模擬系統(tǒng)主要由磁場線圈、恒流源、電流測量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等部分組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

2.2 工作原理

恒流源用來給磁場線圈供電，電流測量系統(tǒng)主要用來測量輸入到磁場線圈中的電流值大小，包括數(shù)字電壓表和標(biāo)準(zhǔn)電阻，待磁場線圈的線圈常數(shù)確定之后，通過控制系統(tǒng)，調(diào)用地磁模型，由經(jīng)度、緯度、高度等地理信息，解析出該位置的磁場值，由式（1）將所需的磁場信號調(diào)整為驅(qū)動(dòng)磁場線圈工作的穩(wěn)定電流驅(qū)動(dòng)信號，該系統(tǒng)就具有設(shè)置地理位置輸出磁場的基本功能。

用于地磁導(dǎo)航的磁空間模擬擬系統(tǒng)通常采用磁場計(jì)算法復(fù)現(xiàn)恒定磁場，即在磁場線圈中通一電流，在線圈中心復(fù)現(xiàn)需要的磁場。磁場值用式（1）計(jì)算得到：

式中：B為磁場線圈中心的磁場，單位為nT；KB為磁場線圈常數(shù)，單位為nT/A；I為磁場線圈中通過的電流，單位為A。

3 系統(tǒng)分析

3.1 磁場線圈

磁場線圈是磁空間模擬系統(tǒng)中最重要的組成部分，按功能可以分為：固定磁場補(bǔ)償繞組、磁場復(fù)現(xiàn)繞組、地磁場噪聲補(bǔ)償繞組、正交度調(diào)節(jié)繞組。磁場線圈設(shè)計(jì)的好壞直接決定著所復(fù)現(xiàn)磁場的精度和所需恒流源功率的大小，磁場線圈設(shè)計(jì)的目的為增大磁場均勻區(qū)及減小線圈的體積，各類線圈產(chǎn)生磁場的計(jì)算方法均可由畢奧-薩伐爾定律求得［6～7］：

現(xiàn)階段，最常用的圓形線圈系統(tǒng)如圖2所示，間距、半徑、匝數(shù)的最佳關(guān)系如表1所示，其中線圈的圓環(huán)數(shù)越多，其相對的均勻性越高，宋新昌在文獻(xiàn)［8～9］中給出了亥姆霍茲線圈、麥克斯韋線圈和Barker線圈的詳細(xì)計(jì)算結(jié)果。

圖2 載流圓環(huán)系統(tǒng)：（a）亥姆霍茲型；（b）麥克斯韋型；（c）Barker型；（d）Garret型

實(shí)際中，復(fù)雜系統(tǒng)的所有各段圓環(huán)相串聯(lián)，再接到公共電源上，這時(shí)要保證所要求的匝數(shù)比有一定的困難，因?yàn)閷σ粋€(gè)理想系統(tǒng)來說，匝數(shù)比并不總是整數(shù)（如表1），這類缺點(diǎn)可以通過預(yù)先對結(jié)構(gòu)做一些處理來消除。為此，首先應(yīng)給出易于實(shí)現(xiàn)的匝數(shù)比，這個(gè)匝數(shù)比應(yīng)盡可能接近理論計(jì)算值，然后從均勻性條件出發(fā)，求出幾何參數(shù)相應(yīng)的微小增量［10］，具體設(shè)計(jì)方法可參照宋新昌的專利一種正八邊形三環(huán)磁場線圈［11］。

表1 獲得均勻場的載流圓環(huán)系統(tǒng)

3.2 恒流源

基于地磁導(dǎo)航的磁空間模擬系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電源可采用恒壓源或恒流源，由于模擬空間磁場環(huán)境的穩(wěn)定度要求較高，若采用恒壓源驅(qū)動(dòng)磁場線圈，線圈發(fā)熱會(huì)引起其阻值改變，使得線圈的電流也隨之變化，由于B=KBI，從而導(dǎo)致磁場不穩(wěn)定；若采用恒流源驅(qū)動(dòng)磁場線圈，則可以避免磁場線圈因電阻變化引起的勵(lì)磁電流變化，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場。

恒流源作為穩(wěn)定電源的一個(gè)分支，按功率器件的工作狀態(tài)不同，可分為開關(guān)型恒流源和線性恒流源。開關(guān)型恒流源效率較高，但高頻噪聲大，輸出紋波較大；線性恒流源輸出電流穩(wěn)定，電路簡單可靠，但其效率較低［12］。考慮到用于地磁導(dǎo)航的磁空間模擬系統(tǒng)一般對穩(wěn)定度要求較高，無論是開關(guān)型恒流源或者線性恒流源，應(yīng)對特別關(guān)注下列技術(shù)指標(biāo)：

1）電流漂移——輸出穩(wěn)定性；

2）負(fù)載效應(yīng)——當(dāng)外接電阻減小50%時(shí)，電流值變化量；

3）源效應(yīng)：當(dāng)電源電壓（AC220V）波動(dòng)變化10%時(shí)，電流值變化量；

4）最大輸出電流；

5）最大輸出電壓。

3.3 電流測量系統(tǒng)

測量電流時(shí)有兩種方法：直接用電流表測量或用標(biāo)準(zhǔn)電阻和數(shù)字電壓表組合的方式來測量電流。如果測量誤差要求較小，建議采用標(biāo)準(zhǔn)電阻和數(shù)字電壓表組合的方式來測量出磁場線圈中的電流。磁場線圈繞組中的電流由式（3）計(jì)算得出，其原理如圖3所示。

圖3 電流測量系統(tǒng)原理框圖

3.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般包括標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜、工控機(jī)、連接電纜等，其中機(jī)柜是控制系統(tǒng)各硬件的安裝載體，用于安裝系統(tǒng)內(nèi)的所有硬件設(shè)備；工控機(jī)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)控制的核心，工控機(jī)硬件部分提供系統(tǒng)控制所需要的硬件基礎(chǔ)，保證系統(tǒng)運(yùn)行速度和性能，連接電纜用于連接儀器柜中的各個(gè)儀器。

3.5 控制系統(tǒng)

上位機(jī)軟件運(yùn)行在電腦中，通過WMM2015建立地球磁場模型，通過輸入的經(jīng)緯度等數(shù)據(jù)計(jì)算不同地點(diǎn)的地磁場，WMM全稱為World Magnetic Model，即世界地磁模型，控制系統(tǒng)完成之后可以實(shí)現(xiàn)地磁場的自動(dòng)控制，具體表現(xiàn)如下：

1）設(shè)置磁場，復(fù)現(xiàn)磁場；

2）設(shè)置經(jīng)緯度，復(fù)現(xiàn)磁場；

3）設(shè)置特殊地點(diǎn)，復(fù)現(xiàn)磁場。

4 校準(zhǔn)方法

由于地磁導(dǎo)航的磁空間模擬系統(tǒng)采用磁場計(jì)算法復(fù)現(xiàn)恒定磁場，在使用之前，必須對磁場線圈的線圈常數(shù)和均勻區(qū)進(jìn)行校準(zhǔn)，具體校準(zhǔn)方法可參照J(rèn)JG（軍工）20-2012《磁場線圈》。

5 結(jié)語

本文從地磁導(dǎo)航的意義和磁空間模擬的必要性出發(fā)，詳細(xì)介紹了基于地磁導(dǎo)航的磁空間模擬系統(tǒng)的組成、工作原理、各部分的功能及在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該關(guān)注的問題，整個(gè)系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程控制、操作簡單的優(yōu)點(diǎn)，本文對零磁空間的設(shè)計(jì)、地磁導(dǎo)航試驗(yàn)過程具有一定的指導(dǎo)意義。