大地磁場(chǎng)的垂直分量對(duì)飛行控制的影響

李 瑤，李麗錦

（西安愛生技術(shù)集團(tuán)公司，西安 710065）

由于體積重量的限制，小型無人機(jī)不使用航向陀螺。而是使用磁傳感器進(jìn)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(dāng)于空間立體坐標(biāo)。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(dāng)大地磁場(chǎng)有磁力線穿過AB 時(shí)，磁航向就會(huì)有電信號(hào)輸出。無人機(jī)控制系統(tǒng)利用該信號(hào)就可以對(duì)飛機(jī)進(jìn)行定向飛行。但是大地磁場(chǎng)的磁力線并不平行地面，例如西安地區(qū)，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(chǎng)的垂直分量對(duì)飛機(jī)的控制有什么影響呢？仍然用簡(jiǎn)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(jī)縱軸，指北為N，這時(shí)磁棍AB 在飛機(jī)上的安裝位置與飛機(jī)縱軸垂直。如圖1的a 所示。當(dāng)航向偏差為零時(shí)，控制系統(tǒng)應(yīng)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(tài)。若由于某種干擾使飛機(jī)產(chǎn)生了左偏航，見圖1的b 所示。控制系統(tǒng)應(yīng)產(chǎn)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(tài)，這時(shí)磁力線的水平分量是由A 到B 進(jìn)入線圈的，磁場(chǎng)的垂直分量對(duì)磁棍不起作用。在糾正左偏航的過程中，飛機(jī)會(huì)右傾，因磁棍與機(jī)體固連也必然產(chǎn)生右傾，如圖1的C 所示。Z 軸垂直地面。這時(shí)磁場(chǎng)的垂直分量就有一部分進(jìn)入磁棍，其方向也是由A 到B，故與上邊一樣也產(chǎn)生右方向舵或右副翼。注意飛機(jī)右傾產(chǎn)生右舵。對(duì)傾斜控制而言是不穩(wěn)定狀態(tài)。

圖1 磁航向的工作

總之，當(dāng)定向正北時(shí)如果飛機(jī)發(fā)生了左偏航，磁場(chǎng)的水平分量通過控制系統(tǒng)產(chǎn)生右舵，糾正偏航，是穩(wěn)定工作狀態(tài)。但當(dāng)飛機(jī)發(fā)生右傾斜時(shí)，磁場(chǎng)垂直分量通過控制系統(tǒng)也產(chǎn)生右方向舵或右副翼。對(duì)傾斜控制而言是不穩(wěn)定狀態(tài)。因?yàn)樗焕诩m正右傾。

2 定向正南

與定向正北相反。因磁棍與機(jī)體固連，當(dāng)定向正南時(shí)，X 軸指南，這時(shí)磁棍AB 的安裝位置如圖2的a 所示。當(dāng)航向偏差為零時(shí)，方向舵或副翼（或兩者都有）處于零位狀態(tài)。若由于某種干擾使飛機(jī)產(chǎn)生了左偏航，見圖2的b 所示。初始位置磁棍處于水平狀態(tài)。注意這時(shí)磁力線的水平分量是由B 到A 進(jìn)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(tǒng)由定向正北改為定向正南時(shí)，會(huì)自動(dòng)反號(hào)，所以這時(shí)由左偏航產(chǎn)生的仍然是右舵〔右方向舵或右副翼）也就是對(duì)航向控制而言是穩(wěn)定工作狀態(tài)。同樣在糾正左偏航的過程中，飛機(jī)會(huì)右傾。如圖2的c 所示。這時(shí)磁場(chǎng)的垂直分量就有一部分進(jìn)入磁棍，其方向是由A 到B（地球的北半球），同樣控制系統(tǒng)由定向正北改為定向正南時(shí)，會(huì)自動(dòng)反號(hào)，所以產(chǎn)生了左舵（左方向舵或左副翼）。注意對(duì)傾斜控制而言，右傾斜產(chǎn)生左舵屬于穩(wěn)定工作狀態(tài)。

圖2 磁航向的工作

總之，定向正南時(shí)，磁場(chǎng)的水平分量對(duì)航向控制而言，是穩(wěn)定工作狀態(tài)。磁場(chǎng)的垂直分量對(duì)傾斜控制而言，也是穩(wěn)定工作狀態(tài)。

3 定向正東

這時(shí)可認(rèn)為磁棍AB 的軸線與飛機(jī)縱軸X 軸重合，如圖3的a 所示。注意，這時(shí)如果左偏航90度，機(jī)頭指向正北，此后在偏航信號(hào)的作用下，因?yàn)槎ㄏ蛘龞|，控制系統(tǒng)操縱飛機(jī)逐漸向正東飛行。在糾正偏航的過程中，飛機(jī)會(huì)右傾。但因?yàn)榇殴鰽B 的軸線與飛機(jī)縱軸X 軸重合，不管飛機(jī)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(chǎng)的垂直分量不能穿過磁棍，于是對(duì)飛機(jī)傾斜控制的穩(wěn)定性沒有任何影向。

圖3 航向定向正東的示意圖

（個(gè)人認(rèn)為：產(chǎn)生左右方向舵或左右副翼的，是左右軸向的磁分量，因此對(duì)于東西方向飛機(jī)傾斜控制的穩(wěn)定性沒有影響）

以上定向正東的討論對(duì)定向正西也適用。由以上3點(diǎn)討論可以得到以下結(jié)論：

（1）大地磁場(chǎng)的垂直分量對(duì)磁航向的定向存在著影響。對(duì)南北定向影響較大，而對(duì)東西定向而言則不受影響。如果捷聯(lián)慣導(dǎo)使用磁航向也是如此。因?yàn)榇殴靼惭b總存在誤差，計(jì)算機(jī)也存在誤差等。

（2）對(duì)于使用飛控計(jì)算機(jī)的無人機(jī)，其中包括航向計(jì)算機(jī)，垂直陀螺等。利用計(jì)算機(jī)軟件把大地磁場(chǎng)的垂直分量的不良影響先行去除。因而對(duì)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定就沒有什么影響了。

（3）如果同時(shí)使用磁航向和垂直陀螺穩(wěn)定三個(gè)姿態(tài)角，但不使用飛控?cái)?shù)字計(jì)算機(jī)，則垂直陀螺對(duì)飛機(jī)傾斜角的穩(wěn)定作用，可以抵消磁航向中磁場(chǎng)垂直分量的不良影響。

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