大地磁場的垂直分量對飛行控制的影響

李 瑤，李麗錦

（西安愛生技術集團公司，西安 710065）

由于體積重量的限制，小型無人機不使用航向陀螺。而是使用磁傳感器進行定向。一般磁航向敏感元件由互相垂直的三根磁棍組成。相當于空間立體坐標。為了討論的方便，把磁敏感元件看成一根磁棍AB，上面繞有線圈，當大地磁場有磁力線穿過AB 時，磁航向就會有電信號輸出。無人機控制系統利用該信號就可以對飛機進行定向飛行。但是大地磁場的磁力線并不平行地面，例如西安地區，磁力線與地平面成40多度交角。所以磁力線有水平分量（平行于地面）和垂直分量（垂直于地面）。而飛行定向用的是水平分量。那么大地磁場的垂直分量對飛機的控制有什么影響呢？仍然用簡化的單根磁棍來定性的說明工作原理。

1 定向正北

X 軸代表飛機縱軸，指北為N，這時磁棍AB 在飛機上的安裝位置與飛機縱軸垂直。如圖1的a 所示。當航向偏差為零時，控制系統應該沒有舵面糾正航向。即方向舵或副翼（或兩者都有）處于零位狀態。若由于某種干擾使飛機產生了左偏航，見圖1的b 所示。控制系統應產生右方向舵或右副翼，糾正該左偏航，注意磁棍初始位置處于水平狀態，這時磁力線的水平分量是由A 到B 進入線圈的，磁場的垂直分量對磁棍不起作用。在糾正左偏航的過程中，飛機會右傾，因磁棍與機體固連也必然產生右傾，如圖1的C 所示。Z 軸垂直地面。這時磁場的垂直分量就有一部分進入磁棍，其方向也是由A 到B，故與上邊一樣也產生右方向舵或右副翼。注意飛機右傾產生右舵。對傾斜控制而言是不穩定狀態。

圖1 磁航向的工作

總之，當定向正北時如果飛機發生了左偏航，磁場的水平分量通過控制系統產生右舵，糾正偏航，是穩定工作狀態。但當飛機發生右傾斜時，磁場垂直分量通過控制系統也產生右方向舵或右副翼。對傾斜控制而言是不穩定狀態。因為它不利于糾正右傾。

2 定向正南

與定向正北相反。因磁棍與機體固連，當定向正南時，X 軸指南，這時磁棍AB 的安裝位置如圖2的a 所示。當航向偏差為零時，方向舵或副翼（或兩者都有）處于零位狀態。若由于某種干擾使飛機產生了左偏航，見圖2的b 所示。初始位置磁棍處于水平狀態。注意這時磁力線的水平分量是由B 到A 進入線圈的，這與定向正北不同，按理控制舵面的極性也相反。但是控制系統由定向正北改為定向正南時，會自動反號，所以這時由左偏航產生的仍然是右舵〔右方向舵或右副翼）也就是對航向控制而言是穩定工作狀態。同樣在糾正左偏航的過程中，飛機會右傾。如圖2的c 所示。這時磁場的垂直分量就有一部分進入磁棍，其方向是由A 到B（地球的北半球），同樣控制系統由定向正北改為定向正南時，會自動反號，所以產生了左舵（左方向舵或左副翼）。注意對傾斜控制而言，右傾斜產生左舵屬于穩定工作狀態。

圖2 磁航向的工作

總之，定向正南時，磁場的水平分量對航向控制而言，是穩定工作狀態。磁場的垂直分量對傾斜控制而言，也是穩定工作狀態。

3 定向正東

這時可認為磁棍AB 的軸線與飛機縱軸X 軸重合，如圖3的a 所示。注意，這時如果左偏航90度，機頭指向正北，此后在偏航信號的作用下，因為定向正東，控制系統操縱飛機逐漸向正東飛行。在糾正偏航的過程中，飛機會右傾。但因為磁棍AB 的軸線與飛機縱軸X 軸重合，不管飛機傾斜多少度，磁棍AB 的軸線都是處于水平位置。所以大地磁場的垂直分量不能穿過磁棍，于是對飛機傾斜控制的穩定性沒有任何影向。

圖3 航向定向正東的示意圖

（個人認為：產生左右方向舵或左右副翼的，是左右軸向的磁分量，因此對于東西方向飛機傾斜控制的穩定性沒有影響）

以上定向正東的討論對定向正西也適用。由以上3點討論可以得到以下結論：

（1）大地磁場的垂直分量對磁航向的定向存在著影響。對南北定向影響較大，而對東西定向而言則不受影響。如果捷聯慣導使用磁航向也是如此。因為磁棍安裝總存在誤差，計算機也存在誤差等。

（2）對于使用飛控計算機的無人機，其中包括航向計算機，垂直陀螺等。利用計算機軟件把大地磁場的垂直分量的不良影響先行去除。因而對控制系統的穩定就沒有什么影響了。

（3）如果同時使用磁航向和垂直陀螺穩定三個姿態角，但不使用飛控數字計算機，則垂直陀螺對飛機傾斜角的穩定作用，可以抵消磁航向中磁場垂直分量的不良影響。

（4）對于我國早期的XX 型靶機，若只能用磁航向定向，而且不使用垂直陀螺時，則飛機向北定向飛行不穩定，而向南定向飛行是穩定的，這就是大地磁場垂直分量的影響。