基于世界地磁模型2010的磁场模拟系统*

孟 诚 伍东凌

(中国船舶重工集团公司第七一〇研究所 宜昌 443003)



基于世界地磁模型2010的磁场模拟系统*

孟 诚 伍东凌

(中国船舶重工集团公司第七一〇研究所 宜昌 443003)

通过WMM2010数据库建立世界地磁模型，计算得到地球上任意一点的地磁数据，并通过电流源产生相应的磁场，模拟地球上任意一点的磁场。测试结果显示该模型能有效模拟地磁场。

地磁; WMM2010; 磁场七要素

Class Number TM15

1 引言

地磁场是地球内部存在的天然磁性现象。地球可视为一个磁偶极，其中一极位于地理北极附近，另一极位于地理南极附近。地球磁场向太空伸出数万公里形成地球磁圈引。地磁场包括基本磁场和变化磁场两个部分，其中变化磁场包括地磁场的各种短期变化，主要起源于地球内部，相对比较微弱[1～2]。

在舰船工业和水中兵器领域，对产品的磁性有着越来越严格的要求，利用磁场进行信号侦测和定向技术的应用也越来越多[3]，而对物体的磁性研究和磁传感器的性能测试，需要考虑由于地点不同造成的地磁场变化，因此需要模拟地球不同地点的磁场，虚拟出不同地区的地磁场。本文描述的磁场模拟系统通过应用WMM数据库，建立地磁模型，解析磁传感器数据，控制电流源产生相应的磁场。

2 系统组成

磁场模拟系统主要用于通过建立世界地磁模型，模拟出地球上任意一点的地磁信息。

该系统主要由通讯模块、控制模块、界面模块组成，如图1所示。

通讯模块主要实现与电流源和磁通门传感器数据采集仪器的通讯，其中包括CAN总线数据转换为串口数据的转换模块。

控制模块实现地球磁场数据库模型的建立，并实现各种运算，得到磁场数据，将目标磁场控制转换为电流值设定，同时收到的数据进行处理。

界面模块主要用于进行人机交互，便于用户进行控制操作。

3 世界地磁模型

至今为止，国内外已提出很多地磁场模型分析方法，在研究区域或局部地磁场时，多采用多项式[4]、曲面样条函数、球冠谐[5～8]等方法，但在研究全球范围地磁时空变化时，主要采用球谐分析法[9]。

图1 总体设计图

地磁场主要由基本磁场和变化磁场两部分组成，基本磁场是地磁场的主要部分，起源于地球内部，比较稳定，属于静磁场部分；变化磁场包括地磁场的各种短期变化，主要起源于地球内部，相对比较微弱，又分为平静变化和干扰变化两大类型。

在地球物理学中，表示地球基本磁场的国际标准称之为国际参考磁场(International Geomagnetic Reference Field，IGRF)[10～11]，它以球谐级数的形式表达。其最高阶通常为10，共120个球谐系数。

球谐分析法，即将地球表面观测的某个物理量展开成球谐函数的级数，其中球谐函数是拉普拉斯方程的球坐标系形式的解。

在近地空间的无源区，起源于地球内部的主磁场可以表示成标量磁位U的负梯度，如式(1)。

(1)

世界地磁模型(World Magnetic Model,WMM)，是由美国地理空间情报局(NGA)和英国国防地理影响与情报局投资，由美国地球物理数据中心和英国地质勘探局研究出来的成果。

地磁场是一个向量场，描述空间某一点的地磁场，需要三个独立的地磁要素。常用的地磁要素有七个[1]，即总场、水平分量、北向分量、东向分量、垂直分量场、磁偏角、地磁倾角。这七个元素之间的关系如图2所示。

总场，即地磁场在某点的向量。水平分量，即地磁场在水平面上的分向量。北向分量，即地磁场在水平正北方向的分向量。东向分量，即地磁场在水平正东方向的分向量。垂直分量，即地磁场在垂直于地球水平面方向的分向量。磁偏角，即地理上的正北方向和磁北方向之间的角度。是从地理上的正北方向开始，向磁北方向旋转的角度，顺时针方向为正，反之为负。例如，磁偏角为-10°时，罗盘上指北针指向的方向，需要向西偏移10°，才是指向地理上的正北方向。

图2 地磁场要素示意图

4 控制模块

控制模块的主控软件运行时的流程图如图3。

图3 主程序流程图

主控程序在开始运行后，开启串口数据接收定时器，实时接收CAN网络中的数据，并按照不同的CAN地址区分不同的仪器，从而对数据进行解析。

CAN网络由多个节点组成，其中包括磁传感器数据采集仪器、磁场模拟电源、地磁补偿电源、主控计算机以及磁场模拟系统。每个仪器的CAN地址都不相同，软件中对各个地址对应的数据进行的不同方式的解析，例如磁传感器数据采集仪器，当数据采集仪器接收到数据查询指令后，仪器分两次返回三轴的磁场数据，第一次返回X轴和Y轴数据，第二次返回Z轴数据，根据数据长度分别进行解析，得到三轴磁场数据。

通过CAN地址，还可接收远程控制指令，实现远程控制功能。判断CAN地址为远程控制地址时，则进入远程控制响应，返回上位机所需的数据和回应。

开始进行磁场模拟时，首先读取磁场模拟电源的状态，判断是否需要反向，若需要反向，则先发送断电指令，然后发送反向指令，否则直接发送设置电流指令。设置零磁空间时，首先读取地磁监测磁传感器的数据，然后设置反向的地磁补偿电流，从而形成零磁空间。

5 结语

测试结果表明，该系统计算结果与World Magnetic Model 2010软件的计算结果相同，能够正确计算出地球上任意一点的地磁数据，并且能读取到磁传感器的数据从而控制电流源产生响应的磁场。

[1] 刘大明.舰船消磁理论与方法[M].北京:国防工业出版社,2011:3-13.

[2] 杜志瀛.舰船消磁[M].北京:国防工业出版社,1983:1-5.

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[5] 徐文耀.国际参考地磁场模型中高阶球谐项对地磁场长期变化的影响[J].地球物理学报.2003,46(4):476-481.

[6] 朱道雨,宫斌,杨益平.基于世界地磁模型2010的方位角校正以及目标定位[J].舰船电子对抗,2013,36(3):36-38,54.

[7] 安振昌.2000年中国地磁场及长期变化的冠谐分析[J]. 地球物理学报.2003,46(1):68-72.

[8] 顾左文,安振昌,高金田,等.京津冀地区地磁场球冠谐分析[J].地球物理学报.2004,47(6):61-66.

[9] 徐文耀,区加明,杜爱民.地磁场全球建模和局部建模[J].地球物理学报,2011,26(2):398-415.

[10] 陈斌，顾左文，高金田,等.IGRF-11描述的2005-2010年中国地区地磁长期变化及其误差分析[J].地球物理学进展,2012,27(2):512-521.

[11] 柴松均,陈曙东,张爽.国际地磁参考场的计算与软件实现[J].吉林大学学报,2015,33(3):280-285.

Simulation of Geomagnetic System Based on World Magnetic Model 2010

MENG Cheng WU Dongling

(No.710 Research Institute, CSIC, Yichang 443003)

The geomagnetic model is established with the WMM2010 database. The magnetic field elements of geomagnetic can be obtained by the calculation. The corresponding magnetic field is built by setting the current of electrical source. The test result shows the madel can simulate geomagnetic field effectively.

geomagnetic, WMM2010, seven magnetic field elements

2016年5月11日,

2016年6月27日

孟诚，男，硕士，工程师，研究方向：磁性目标探测。伍东凌，男，硕士，工程师，研究方向：磁性目标探测。

TM15

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.11.019