基于模擬多特征向量的地磁匹配導航半實物仿真系統設計

蔡欣華 柳宇 樊宇韜 梁琨 宋忠國

摘要：地磁匹配導航半實物仿真技術是地磁匹配導航技術基礎理論研究，工程實現和武器系統定型、鑒定等過程中是不可或缺的重要環節。基于地磁匹配導航原理，本文設計了一套地磁匹配導航半實物仿真系統。將地磁場多特征向量模擬器引入系統并討論了模擬多特征向量的重要作用。本文提出的對地磁場進行高精度模擬的半實物仿真系統方案，可以為地磁匹配導航相關技術的研究提供試驗驗證平臺。

關鍵詞：半實物仿真;地磁匹配導航;地磁場多特征向量;地磁場環境仿真;亥姆霍茲線圈

中圖分類號：TP18 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）30-0241-03

半實物仿真，也稱為硬件在環仿真，是將實物添加到數字仿真中。半實物仿真可以通過構建目標或者環境生成裝置，在真是條件下模擬目標或環境場景。并且系統中一些具有較高非線性的關鍵部件可以實際引入仿真環路。這避免了由于在全數字仿真中建立非線性分量的數學模型的不準確性而導致的誤差。半實物仿真結果更接近實際情況，從而可以大大提高仿真的可信度，獲得更確切的信息。與純物理仿真相比，半實物仿真的系統結構更容易修改、優化，研制成本也更低，實驗周期更短，可以重復實驗;與純數學仿真相比，半實物仿真更加接近實際實驗隋況，仿真精度更高，更可靠。

地磁匹配導航技術的基礎理論研究，工程實現和武器系統定型鑒定等過程中，半實物仿真是必不可少的重要環節。目前，地磁匹配導航的研究大都是純理論研究和全數字仿真，如何將理論知識和研究成果轉化為工程應用，已是刻不容緩的問題。通過搭建有效的半實物仿真實驗系統來評估地磁匹配導航理論研究，是能否實現工程應用的一個重要環節。基于此實際需求，本文設計了一種基于模擬多特征向量的地磁匹配導航半實物仿真系統。該系統可以高精度模地擬地磁場，為地磁匹配導航算法驗證等實驗提供了可靠平臺。

1地磁匹配導航原理

地磁場是地球的基本物理場，包含豐富的參數信息，如地磁總場、地磁三分量、磁傾角、磁偏角和地磁場梯度等。這些參數為地磁匹配導航研究提供了豐富的匹配信息，是研究地磁導航的基礎。

地磁匹配導航原理是地磁匹配導航半實物仿真的理論基礎，其原理如圖1所示。利用安裝在載體上的磁場傳感器實時測量地磁場數據，將實測數據與地磁場基準圖進行匹配，從而確定載體的位置信息。具體過程分為以下幾步：

1）規劃航跡所經過的地磁匹配區域，并將該區域劃分成網格并繪制出地磁基準圖，將基準圖存儲在導航系統數據庫中;

2）當載體經過地磁匹配區域時，開啟地磁匹配導航模式，由安裝在載體上的地磁傳感器測量所經過區域的磁場強度。當載體按照預定軌跡飛行一段時間后，將測量得到的一系列地磁特征值生成一組實時測量序列，經數據采集系統傳送至導航計算機，構成實時圖;

3）導航計算機選擇相應的地磁匹配算法，將實時圖與地磁基準圖進行匹配解算。通過算法選擇最佳匹配位置，判斷實時圖在地磁導航數據庫中的位置;

4）輸出載體的實時位置，糾正載體的航跡誤差。

2地磁場多特征向量模擬生成器

在地磁匹配半實物仿真中，最重要的是在仿真回路中模擬生成地磁場，并將磁場測量儀引入仿真回路。模擬地磁場需要地磁場模擬生成裝置，模擬載體所經過匹配區域的地磁場變化，并由載體安裝的磁場測量儀得到實時測量數據。

2.1地磁場要素

地磁場矢量可以分解為地理坐標系的7個特征量，如圖2所示，稱為地磁場要素。三個方向的地磁場強度分量（北向分量，東向分量，垂直分量），水平強度，總磁強度，磁傾角和磁偏角。除了這七個特征量之外，還有多種衍生特征，如梯度和梯度張量。由于每個特征量包含的信息量不同，隨時間變化程度和地磁場測量儀和測量環境之間的差異，并非所有的特征量都適用于地磁匹配導航。根據可用的最優匹配特征量的選取準則可知，總磁強度分量是最優選擇。它在空間上變化劇烈，能夠提供實現精確定位導航所需要的信息量，具有高測量精度。

在地磁場的七個要素中，只地磁場的三個分量彼此獨立，分別是地磁場三個方向的地磁場強度分量X，y，Z。其他四個要素可以通過空間幾何關系推導獲取，如公式（1）所示：

2.2地磁場多特征要素模擬器

相比單一的模擬地磁場總場分量，模擬地磁場多特征向量能使半實物仿真系統精確度更高，能更準確的反應實際地磁場特征值，并且可以滿足地磁匹配導航中更多的實驗需求。在模擬地磁導航多特征量的半實物仿真系統中，理論上只要能夠形成相對足夠的均勻磁場區域，就能夠滿足地磁匹配導航中所有需要的實驗要求，包括更精確的磁場測量儀型號選擇與配置、載體干擾磁場的研究與補償、地磁匹配算法的驗證等。

地磁場多特量模擬器與地磁總場模擬器相似，不同之處在于前者需要模擬地磁場的多個特征量。由公式（1）可知，通過已知的地磁場的三個方向的分量X、y、Z，就可以得到磁傾角I、磁偏角D、總場F和水平分量H等多個特征量。因此，需要模擬地磁場多特征值，只需要模擬生成地磁場三分量x、y、Z即可。目前常用的模擬磁場生成裝置大多采用通電線圈，本文設計的地磁場多特征量模擬生成裝置如圖3所示，由三組單軸亥姆霍茲線圈組成，每組線圈兩兩正交且共軸心。

亥姆霍茲線圈由兩個線圈組成，這兩個線圈具有相同線圈匝數，相同纏繞方式，同軸平行放置并且線圈間距等于線圈半徑。當兩個線圈通入相同的電流時，在兩個線圈軸線中點周圍能產生一定區域的均勻磁場，如圖4所示。通過在三個方向上設置亥姆霍茲線圈，并讓他們兩兩正交，就可以生成三個方向上分別可控的磁場強度，用來模擬地磁場三分量。

2.3半實物仿真系統設計

本文所設計的地磁匹配導航半實物仿真系統如圖5所示。地磁場多特征向量模擬生成裝置、磁力計、磁探頭、仿真計算機和高穩定度程控電流源串聯組成閉環仿真回路。其中最重要的組件是地磁場多特征向量模擬器。地磁匹配導航所需的總場分量，由模擬裝置提供的三分量X，y，Z解算獲得。模擬器生成的地磁場三分量，為后續的實驗提供了更多的實驗環境，包括為地磁匹配軟件和載體干擾補償軟件提供實時地磁場，驗證地磁匹配解算軟件性能等。

該系統中的實物部分是在實驗室條件下模擬飛行器在實際運動中所經歷的多特征向量地磁場環境。其中所用到的磁力儀探頭和磁力計是武漢大學磁傳感實驗室研制的FGM2000型三軸磁通門磁力計和磁探頭，其測量范圍為0-±70000 nT，分辨率為0.2nT，采樣頻率10Hz，具有RS232接口，能夠與計算機連接進行通信，此儀器還具有補償背景磁場功能，即打開背景補償開關，將背景磁場補償掉，這樣就可以排除背景磁場的影響，得到除去背景磁場的三軸磁場值;高穩定度程控恒流源是中國計量科學研究院研制的SCS1001高穩定度程控恒流源，是專門為產生高穩定度磁場線圈的配套電源，電源采用數字調節輸出電流，具有RS232接口，能夠進行智能控制。其輸出電流范圍為0-100mA，最高輸出電壓為10V，電流調節精度極高，為0.1uA。

3結束語

本文探討了地磁導航半實物仿真在工程應用中的重要作用，并介紹了地磁匹配導航原理從地磁匹配導航的工程化需求出發，設計了一套地磁匹配導航半實物仿真系統，并將實物地磁場多特征向量模擬器引入系統。通過對地磁場多特征量的模擬，能更好的反應地磁場真實情況，提供了多樣的地磁場數據，為地磁匹配算法及其算法性能驗證、載體干擾磁場的分析與補償等后續研究工作提供較為真實的實驗條件。