基于地磁導航的磁空間模擬技術研究?

宋新昌 王曉峰

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

1 引言

地球是一個天然磁體，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，與特定地點的經度、緯度、高度存在著對應關系，可以為航空、航天、航海等提供天然的坐標系，利用該坐標系，能夠實現無源、無輻射、全天時、全天候、全地域、低能耗的自主導航定位［2～3］，但是地磁導航的飛行試驗費用昂貴，一旦失敗就有可能造成災難性的后果，所以在試驗之前需要做充分的準備。磁空間模擬技術能夠在試驗室條件下動態模擬全球各地的地磁場強度，可以為地磁導航系統提供在試驗室條件下的驗證，以極小的代價較為真實的模擬飛行器或衛星在飛行途中經歷的地球磁場，達到在試驗室中模擬地磁導航的流程［4-5］。

2 系統組成與工作原理

2.1 系統組成

用于地磁導航的磁空間模擬系統主要由磁場線圈、恒流源、電流測量系統、數據采集系統、控制系統等部分組成，如圖1所示。

圖1 系統組成框圖

2.2 工作原理

恒流源用來給磁場線圈供電，電流測量系統主要用來測量輸入到磁場線圈中的電流值大小，包括數字電壓表和標準電阻，待磁場線圈的線圈常數確定之后，通過控制系統，調用地磁模型，由經度、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整為驅動磁場線圈工作的穩定電流驅動信號，該系統就具有設置地理位置輸出磁場的基本功能。

用于地磁導航的磁空間模擬擬系統通常采用磁場計算法復現恒定磁場，即在磁場線圈中通一電流，在線圈中心復現需要的磁場。磁場值用式（1）計算得到：

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，單位為nT/A；I為磁場線圈中通過的電流，單位為A。

3 系統分析

3.1 磁場線圈

磁場線圈是磁空間模擬系統中最重要的組成部分，按功能可以分為：固定磁場補償繞組、磁場復現繞組、地磁場噪聲補償繞組、正交度調節繞組。磁場線圈設計的好壞直接決定著所復現磁場的精度和所需恒流源功率的大小，磁場線圈設計的目的為增大磁場均勻區及減小線圈的體積，各類線圈產生磁場的計算方法均可由畢奧-薩伐爾定律求得［6～7］：

現階段，最常用的圓形線圈系統如圖2所示，間距、半徑、匝數的最佳關系如表1所示，其中線圈的圓環數越多，其相對的均勻性越高，宋新昌在文獻［8～9］中給出了亥姆霍茲線圈、麥克斯韋線圈和Barker線圈的詳細計算結果。

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

實際中，復雜系統的所有各段圓環相串聯，再接到公共電源上，這時要保證所要求的匝數比有一定的困難，因為對一個理想系統來說，匝數比并不總是整數（如表1），這類缺點可以通過預先對結構做一些處理來消除。為此，首先應給出易于實現的匝數比，這個匝數比應盡可能接近理論計算值，然后從均勻性條件出發，求出幾何參數相應的微小增量［10］，具體設計方法可參照宋新昌的專利一種正八邊形三環磁場線圈［11］。

表1 獲得均勻場的載流圓環系統

3.2 恒流源

基于地磁導航的磁空間模擬系統的驅動電源可采用恒壓源或恒流源，由于模擬空間磁場環境的穩定度要求較高，若采用恒壓源驅動磁場線圈，線圈發熱會引起其阻值改變，使得線圈的電流也隨之變化，由于B=KBI，從而導致磁場不穩定；若采用恒流源驅動磁場線圈，則可以避免磁場線圈因電阻變化引起的勵磁電流變化，從而產生穩定的磁場。

恒流源作為穩定電源的一個分支，按功率器件的工作狀態不同，可分為開關型恒流源和線性恒流源。開關型恒流源效率較高，但高頻噪聲大，輸出紋波較大；線性恒流源輸出電流穩定，電路簡單可靠，但其效率較低［12］。考慮到用于地磁導航的磁空間模擬系統一般對穩定度要求較高，無論是開關型恒流源或者線性恒流源，應對特別關注下列技術指標：

1）電流漂移——輸出穩定性；

2）負載效應——當外接電阻減小50%時，電流值變化量；

3）源效應：當電源電壓（AC220V）波動變化10%時，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

測量電流時有兩種方法：直接用電流表測量或用標準電阻和數字電壓表組合的方式來測量電流。如果測量誤差要求較小，建議采用標準電阻和數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）計算得出，其原理如圖3所示。

圖3 電流測量系統原理框圖

3.4 數據采集系統

數據采集系統一般包括標準機柜、工控機、連接電纜等，其中機柜是控制系統各硬件的安裝載體，用于安裝系統內的所有硬件設備；工控機是實現系統的自動控制的核心，工控機硬件部分提供系統控制所需要的硬件基礎，保證系統運行速度和性能，連接電纜用于連接儀器柜中的各個儀器。

3.5 控制系統

上位機軟件運行在電腦中，通過WMM2015建立地球磁場模型，通過輸入的經緯度等數據計算不同地點的地磁場，WMM全稱為World Magnetic Model，即世界地磁模型，控制系統完成之后可以實現地磁場的自動控制，具體表現如下：

1）設置磁場，復現磁場；

2）設置經緯度，復現磁場；

3）設置特殊地點，復現磁場。

4 校準方法

由于地磁導航的磁空間模擬系統采用磁場計算法復現恒定磁場，在使用之前，必須對磁場線圈的線圈常數和均勻區進行校準，具體校準方法可參照JJG（軍工）20-2012《磁場線圈》。

5 結語

本文從地磁導航的意義和磁空間模擬的必要性出發，詳細介紹了基于地磁導航的磁空間模擬系統的組成、工作原理、各部分的功能及在設計時應該關注的問題，整個系統具有遠程控制、操作簡單的優點，本文對零磁空間的設計、地磁導航試驗過程具有一定的指導意義。