基于模擬多特征向量的地磁匹配導(dǎo)航半實物仿真系統(tǒng)設(shè)計

蔡欣華 柳宇 樊宇韜 梁琨 宋忠國

摘要：地磁匹配導(dǎo)航半實物仿真技術(shù)是地磁匹配導(dǎo)航技術(shù)基礎(chǔ)理論研究，工程實現(xiàn)和武器系統(tǒng)定型、鑒定等過程中是不可或缺的重要環(huán)節(jié)。基于地磁匹配導(dǎo)航原理，本文設(shè)計了一套地磁匹配導(dǎo)航半實物仿真系統(tǒng)。將地磁場多特征向量模擬器引入系統(tǒng)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(jìn)行高精度模擬的半實物仿真系統(tǒng)方案，可以為地磁匹配導(dǎo)航相關(guān)技術(shù)的研究提供試驗驗證平臺。

關(guān)鍵詞：半實物仿真;地磁匹配導(dǎo)航;地磁場多特征向量;地磁場環(huán)境仿真;亥姆霍茲線圈

中圖分類號：TP18 文獻(xiàn)標(biāo)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(huán)仿真，是將實物添加到數(shù)字仿真中。半實物仿真可以通過構(gòu)建目標(biāo)或者環(huán)境生成裝置，在真是條件下模擬目標(biāo)或環(huán)境場景。并且系統(tǒng)中一些具有較高非線性的關(guān)鍵部件可以實際引入仿真環(huán)路。這避免了由于在全數(shù)字仿真中建立非線性分量的數(shù)學(xué)模型的不準(zhǔn)確性而導(dǎo)致的誤差。半實物仿真結(jié)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(tǒng)結(jié)構(gòu)更容易修改、優(yōu)化，研制成本也更低，實驗周期更短，可以重復(fù)實驗;與純數(shù)學(xué)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(dǎo)航技術(shù)的基礎(chǔ)理論研究，工程實現(xiàn)和武器系統(tǒng)定型鑒定等過程中，半實物仿真是必不可少的重要環(huán)節(jié)。目前，地磁匹配導(dǎo)航的研究大都是純理論研究和全數(shù)字仿真，如何將理論知識和研究成果轉(zhuǎn)化為工程應(yīng)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(tǒng)來評估地磁匹配導(dǎo)航理論研究，是能否實現(xiàn)工程應(yīng)用的一個重要環(huán)節(jié)。基于此實際需求，本文設(shè)計了一種基于模擬多特征向量的地磁匹配導(dǎo)航半實物仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以高精度模地擬地磁場，為地磁匹配導(dǎo)航算法驗證等實驗提供了可靠平臺。

1地磁匹配導(dǎo)航原理

地磁場是地球的基本物理場，包含豐富的參數(shù)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(shù)為地磁匹配導(dǎo)航研究提供了豐富的匹配信息，是研究地磁導(dǎo)航的基礎(chǔ)。

地磁匹配導(dǎo)航原理是地磁匹配導(dǎo)航半實物仿真的理論基礎(chǔ)，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(shù)據(jù)，將實測數(shù)據(jù)與地磁場基準(zhǔn)圖進(jìn)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(guī)劃航跡所經(jīng)過的地磁匹配區(qū)域，并將該區(qū)域劃分成網(wǎng)格并繪制出地磁基準(zhǔn)圖，將基準(zhǔn)圖存儲在導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中;

2）當(dāng)載體經(jīng)過地磁匹配區(qū)域時，開啟地磁匹配導(dǎo)航模式，由安裝在載體上的地磁傳感器測量所經(jīng)過區(qū)域的磁場強(qiáng)度。當(dāng)載體按照預(yù)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(jīng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳送至導(dǎo)航計算機(jī)，構(gòu)成實時圖;

3）導(dǎo)航計算機(jī)選擇相應(yīng)的地磁匹配算法，將實時圖與地磁基準(zhǔn)圖進(jìn)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(dǎo)航數(shù)據(jù)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(jīng)過匹配區(qū)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(shù)據(jù)。

2.1地磁場要素

地磁場矢量可以分解為地理坐標(biāo)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(qiáng)度分量（北向分量，東向分量，垂直分量），水平強(qiáng)度，總磁強(qiáng)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(huán)境之間的差異，并非所有的特征量都適用于地磁匹配導(dǎo)航。根據(jù)可用的最優(yōu)匹配特征量的選取準(zhǔn)則可知，總磁強(qiáng)度分量是最優(yōu)選擇。它在空間上變化劇烈，能夠提供實現(xiàn)精確定位導(dǎo)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(dú)立，分別是地磁場三個方向的地磁場強(qiáng)度分量X，y，Z。其他四個要素可以通過空間幾何關(guān)系推導(dǎo)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(tǒng)精確度更高，能更準(zhǔn)確的反應(yīng)實際地磁場特征值，并且可以滿足地磁匹配導(dǎo)航中更多的實驗需求。在模擬地磁導(dǎo)航多特征量的半實物仿真系統(tǒng)中，理論上只要能夠形成相對足夠的均勻磁場區(qū)域，就能夠滿足地磁匹配導(dǎo)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(bǔ)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(shè)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(shù)，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(dāng)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(chǎn)生一定區(qū)域的均勻磁場，如圖4所示。通過在三個方向上設(shè)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(qiáng)度，用來模擬地磁場三分量。

2.3半實物仿真系統(tǒng)設(shè)計

本文所設(shè)計的地磁匹配導(dǎo)航半實物仿真系統(tǒng)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(jī)和高穩(wěn)定度程控電流源串聯(lián)組成閉環(huán)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(dǎo)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(xù)的實驗提供了更多的實驗環(huán)境，包括為地磁匹配軟件和載體干擾補(bǔ)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(tǒng)中的實物部分是在實驗室條件下模擬飛行器在實際運(yùn)動中所經(jīng)歷的多特征向量地磁場環(huán)境。其中所用到的磁力儀探頭和磁力計是武漢大學(xué)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(jī)連接進(jìn)行通信，此儀器還具有補(bǔ)償背景磁場功能，即打開背景補(bǔ)償開關(guān)，將背景磁場補(bǔ)償?shù)簦@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(wěn)定度程控恒流源是中國計量科學(xué)研究院研制的SCS1001高穩(wěn)定度程控恒流源，是專門為產(chǎn)生高穩(wěn)定度磁場線圈的配套電源，電源采用數(shù)字調(diào)節(jié)輸出電流，具有RS232接口，能夠進(jìn)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(diào)節(jié)精度極高，為0.1uA。

3結(jié)束語

本文探討了地磁導(dǎo)航半實物仿真在工程應(yīng)用中的重要作用，并介紹了地磁匹配導(dǎo)航原理從地磁匹配導(dǎo)航的工程化需求出發(fā)，設(shè)計了一套地磁匹配導(dǎo)航半實物仿真系統(tǒng)，并將實物地磁場多特征向量模擬器引入系統(tǒng)。通過對地磁場多特征量的模擬，能更好的反應(yīng)地磁場真實情況，提供了多樣的地磁場數(shù)據(jù)，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(bǔ)償?shù)群罄m(xù)研究工作提供較為真實的實驗條件。