消磁控制設備現狀及其發展

張 巍，肖昌漢

（海軍工程大學 電氣與信息工程學院，武漢430033）

消磁控制設備作為系統核心，根據作用在船上的地球磁場，向消磁電源實時提供消磁電流控制信號、顯示消磁系統工作狀態并進行不同工況轉換。消磁繞組、消磁控制設備和消磁電源對于不同類型船舶有不同要求，其設計方法、技術要求、結構特征等都會有所不同。

1 技術要點

要實現消磁電流的自動控制，控制設備必需首先獲得投影到船舶坐標系上的地球磁場分量，然后控制消磁電源給消磁繞組正確供電。獲得地磁場的投影分量一直是消磁控制設備的難點，世界各國的專用控制技術基本上是圍繞這一核心展開的，其它技術的發展是隨電力電子技術和計算機技術水平的發展而不斷更新。

目前，得到地球磁場投影分量的方法有三類。

1.1 查閱地磁圖方法（羅經控制方式）

所謂查閱地磁圖方法，就是根據地磁圖查閱不同地區地磁場參數，列成表格備查，當船舶航行到某區域時，根據當地地磁場數據和船只的航向，實施半自動消磁電流調節，即Z方向消磁電流和X、Y方向消磁電流最大幅值是手動調整，而X、Y方向消磁電流隨船舶航向變化自動調節（其航向信號來自電羅經，所以通常稱為羅經控制方式）。這類控制設備的優點是性能可靠，缺點是不能實現全自動控制，且大多數設備不能隨船舶姿態的變化進行電流調節?；谶@類方法的消磁控制設備是最早出現的（以前均為手動控制），1992年的資料顯示美國和英國海軍仍然將該類設備作為鋼鐵船舶消磁控制設備的標準控制方式。

1.2 磁場傳感器方法（磁強計控制方式）

磁場傳感器方法就是在船舶桅桿上安裝三分量磁場傳感器，通過直接測量作用到船只上的地球磁場，對三個方向的消磁電流進行控制。該類控制設備的優點是除能夠對船舶不同位置、不同航向和不同姿態進行消磁電流自動調節外，能對局部地磁異常區域和地磁變化進行調節；缺點是抗干擾調整問題難以解決，調整時需要專業人員進行操作，且需船舶作不同的復雜運動進行配合。

1.3 地磁解算方法

地磁解算方法是根據船舶所在位置，利用“地磁模式組”數學方法計算當地地球磁場，根據船只的航向和姿態計算投影到其坐標系上的地磁分量，實施對消磁系統電流的全自動控制。這類控制設備的優點是既能實現全自動調整，又不需要進行復雜的抗干擾調整，且由于使用了計算機系統，能方便地實現分布式消磁電源控制和消磁系統的智能調整和監控；缺點是不能對變化的地磁場和局部異常地磁場作出反應，電流控制精度決定于“地磁模式組”的計算精度。在經過多年地球物理研究和測量數據基礎上，地球模式組精度已經能夠滿足船舶消磁系統控制要求。

這種控制方式只是最近幾年才開始出現，目前歐美各國都將其稱為現代消磁控制設備。

2 研究進展

上述三種控制方式是基于不同時代技術發展起來的，最早為羅經控制方式（基于電羅經提供控制信號），其次為磁傳感器方式（基于上世紀60年代出現的磁通門磁強計提供控制信號），最晚為地磁解算式（基于現代綜合導航信號、計算機技術和地磁數學模型），各國海軍艦船消磁控制設備也是沿著該主線發展。每一類型儀器出現多種型號的原因只是由于使用了不同的電子元器件和配接不同的消磁電源。

1992年美軍資料顯示，美海軍在此之前共使用了9種型號的消磁電流控制設備，分別是EMS、RM、FM、GM、SEM、GEM、MCD、SSM 和MDG，其中RM、FM、GM、和SSM四種型號是基于羅經控制方式，EMS、SEM、GEM、MCD 和MDG五種型號是基于磁傳感器控制方式。由于未能解決鋼鐵艦船磁傳感器消磁控制設備的抗干擾問題，美海軍只推薦其中三種儀器，MDG用于低磁船殼的獵掃雷艦、MCD用于鋁合金上層建筑的護衛艦，一般鋼鐵艦船則使用SSM控制設備。最近美國雷聲（Raytheon）公司關于為美海軍San Antonio級兩棲支援艦LPD-17提供的技術服務資料顯示，該艦裝備的是地磁解算式消磁控制系統，由瑞典Polyamp公司提供，并采用多區段供電方式。

最近，俄國克萊羅夫艦船研究院（Krylov shipbuilding research institute）對于鋼鐵艦艇和潛艇，發展了以地磁解算式為主的多用途混合式消磁控制設備，包括KDS-701和KDS-703控制模塊，前者利用地磁解算得到的地磁場，結合分布于全船的磁傳感器，實施對潛艇的自動閉環自動控制，后者利用得到的磁場數據用手動方式進行消磁電流調節。

從德國SAM公司提供給德國海軍的消磁控制設備分析：在DEG-COMP型設備出現以前，只有22搜獵掃雷艦（10艘SM343型，12艘 MJ332型）安裝的是DEG-STAT型設備，其它驅護艦、登錄艦以及202型潛艇等軍艦安裝的均是DEGROT型設備。所以可以判斷DEG-ROT是羅經或地磁解算控制方式，而只有DEG-STAT是磁傳感器控制方式。新造艦船和潛艇（如F124護衛艦、212型潛艇）安裝和準備安裝DEG-COMP型設備。從型號看，ROT應為配置旋轉電源、STAT為配置靜止電源。DEG-COMP為混合式艦船消磁控制設備，其控制信號接口既可來自地磁解算方式，又可來自磁場傳感器方式。該型設備的出現主要是從標準化、系列化方面考慮的，在具體配置時是可以靈活裁減的，因為有研究指出，“在不適合安裝磁傳感器的地方，比如潛艇，可以去掉磁傳感器控制方式”。DEG-COMP消磁控制設備在電源配置和通信方式上也是可以靈活使用的，如可以實現對小功率電源（一般為獵掃雷艦）的集中控制，也可以對大功率消磁電源實施分布式控制。SAM公司提出的消磁智能終端的設備值得借鑒，該設備是在地磁解算式和計算機平臺基礎上提出的，既可與DEG-COMP消磁系統聯合使用，也可作為獨立設備使用，具有如下功能：

1）艦船磁性狀態預報。在特定地點和航向上預報本艦磁性狀態；

2）消磁系統優化調整。在消磁繞組部分損壞時重新進行消磁電流優化分配；

3）敵方水雷威脅分析。根據掌握的敵方水雷有關情況和本艦磁性狀態，分析水雷的威脅程度；

4）消磁系統遙控。作為消磁控制設備的控制備件，必要時起到控制消磁電流的作用。

英、法、意、瑞典等國在艦船消磁系統及艦船消磁控制設備研制方面極其活躍，英國的馬可尼（marconi）、桑恩（Thorn）、和阿爾特（Ultra）電器公司、意大利的愛分（Ifnn）公司和瑞典的樸力安普（Polyamp）公司，生產了大量的消磁控制設備安裝到各型軍艦上。如馬可尼公司的MDG-1701型、CC2型消磁控制設備大量安裝在MCM-1（復仇者）型掃雷艦上，并在其基礎上增加閉環消磁控制功能，加拿大的金斯屯噸級軍艦采用的是桑恩公司生產的消磁控制設備。1992年資料顯示，盡管磁傳感器控制方式有很多優點，但由于艦船磁場的干擾，英國海軍艦船在此之前是不使用該類設備的，只在獵掃雷艦上使用。意大利的愛分公司已經為世界各國海軍提供了150多套消磁控制設備，其最有名的磁場傳感器控制方式MDG4系列設備裝備到多種獵掃雷艦上，同時也特別指出：“對于鋼殼艦船，將提供新一代的MDG5消磁控制系統”。可見其鋼鐵艦船的消磁設備控制方式是有別于獵掃雷艦消磁設備控制方式的。瑞典的樸力安普公司網站上以前只介紹分離的消磁控制設備，2004年介紹了一種混合型分布式消磁控制設備。作為雷聲公司的分承包商，已將其地磁解算式消磁控制設備應用到美國的San Antonio級兩棲補給艦LPD-17上。芬蘭愛麗斯闊（Elesco）公司的FDC-700消磁控制設備也是集成了多種信號（含磁傳感器、電羅經、搖擺信號、導航信號）的混合控制方式，為基于計算機的多模塊結構，且也特別提到地磁解算式。

綜觀美、俄和歐洲國家消磁控制設備的發展情況，不難看出其特點為，早期全部使用的是羅經式控制方式，盡管磁傳感器控制方式出現后，其自動控制程度和地磁場適應能力大大提高，但受鋼鐵艦船磁場干擾問題影響，這類設備只是使用在獵掃雷艦和輕型艦船上，大量鋼鐵艦船使用的仍然是羅經控制（美、英、德）或者與羅經控制方式聯合的控制方式（俄）。最近出現的地磁解算控制設備控制精度已能與磁傳感器控制方式媲美，而且可以借助計算機技術實現一些新的功能，如對分布式消磁電源進行靈活控制、實現消磁系統智能監測和調整等，已被世界各海軍國家接受并作為鋼鐵艦船的標準控制方式。

為了統一使用和維護保養，消磁控制設備將朝著標準化、系列化、模塊化和較強操作維護性能的方向發展。無論對何種船舶，消磁控制設備的結構形式和操作步驟應保持一致，這就要求消磁控制設備具有結構一致性和多信號接口適應功能，并具有新型擴展功能的預留接口，如消磁系統智能終端、閉環消磁磁傳感器陣列接口等。對此采用專用嵌入式計算機方案更佳，不宜采用通用計算機模塊。因為計算機通用模塊看似標準化較好，但實際消磁系統控制計算為中小型專用軟件，嵌入式計算機在可靠性、專用性、實時性和整體更換維修時具有極大的優點。由于采用計算機方案，消磁控制設備還可以利用這一軟硬件平臺增強控制調整的智能化水平，進一步提高船舶磁性防護性能，這些新的功能主要包括閉環消磁技術和消磁系統智能終端等等。

3 結束語

目前，世界各國海軍對消磁繞組、消磁控制設備和消磁電源三個核心技術都在進行不斷研究，特別是針對獵掃雷艦、潛艇和特大型船等特殊艦船，出現了如艦船磁場精確計算、超導消磁艦船消磁繞組、分布式消磁電源、地磁解算控制設備、閉環消磁等新技術。消磁系統的研究正呈現蓬勃發展的態勢。