磁罗盘空间特性校准装置研究

李 享 翟晶晶 程华富

（中国船舶重工集团有限公司第七一○研究所，湖北宜昌443003）

1 引 言

地磁场作为地球固有信息，对其进行精确测量在导航定位、地球物理研究以及矿藏探测等方面都有重要的应用价值［1］。 磁罗盘作为一种常用的磁场测量仪器，通过测量周围磁场在三轴磁传感器轴向上的分量来计算磁场强度以及航向角，具有体型小、成本低、低功耗、误差不随时间累积等优点，在导航定向定位中得到广泛应用［2］。 在抗冲击、抗震动和其它电子设备组合等方面也表现出良好的特性。 尤其是随着近年来磁通门技术的发展，磁罗盘的应用领域得到极大的扩展，目前广泛应用于国防军工系统和民用的各个行业。

数字式磁罗盘一般由三轴磁传感器、双轴倾角传感器及电路部分组成［3］，三轴磁传感器用于测量地磁场，双轴倾斜角传感器测量载体的倾斜角，倾斜角传感器测量的角度数据一方面用于载体的俯仰角和横滚角输出，另一方面用于进行磁场矢量坐标变换。

当载体处于水平状态，如图1所示，设其航向为OX 轴方向，载体的方位角为磁北与OX 轴的夹角，OY 轴在水平面内，垂直于OX 轴。 磁传感器安装在载体上，磁传感器的长轴与OX 轴平行，设MX为磁传感器长轴方向磁传感器测量的地磁场，设MY为磁传感器短轴方向磁传感器测量的地磁场，α为载体的磁方位角，则

图1 磁罗盘方位角Fig.1 Azimuth of magnetic compass

当载体不水平时，为测量地磁场的两个水平分量，采用三轴磁传感器测量地磁场的三个分量，双轴倾斜角传感器测量载体的俯仰角和横滚角，通过坐标变换，将载体坐标系下测量的地磁场的三个分量转换为大地水平坐标系下地磁场的三个分量，再利用式（1）计算载体相对于地磁北的方向。

根据磁罗盘的工作原理可知，地磁场的各分量值变化，尤其是地磁场两个水平分量比值发生变化对磁罗盘的准确度影响至关重要，而对于实际的空间地磁场，在不同的空间其各个分量有很大差别。IGRF 模型是国际上通用的地磁场模型［4］，根据IGRF 模型，在海平面高度，不同经纬度的地磁场X分量（南北方向）大小范围为（0 ～40）μT，Y 分量（东西方向）大小范围为（ －17 ～14）μT，Z 分量（竖直方向）大小范围为（ －66 ～60）μT。 而随着海拔高度的增加，地磁场总量又不断减小，如在海平面高度，地磁场总量范围为（34 ～65）μT，在低轨道卫星运行的海拔（150 ～300）km 处，地磁场大小约地球表面的80% ～90%；中轨道卫星运行的远地点1500km附近，地磁场大小约地球表面的50%；在同步卫星工作的35 860km 处，地磁场只剩100nT 左右。

常规的校准手段只能校准磁罗盘在实验室当地地磁场环境下的性能，无法评估磁罗盘在不同地磁场环境下的性能，所以为确保磁罗盘量值的准确，有必要建立空间特性校准装置，对其在不同空间地磁场环境下的示值误差进行校准。

2 校准装置组成

磁罗盘空间特性校准装置主要由地磁场复现系统［5］和三轴无磁转台组成，其中地磁场复现系统用于复现空间地磁场，三轴无磁转台作为角度标准对磁罗盘的角度示值误差进行校准。

2.1 地磁场复现系统

地磁场是矢量场，在三坐标系下可将其分解为三个正交的分量［6］。 在IGRF 模型软件中，输入经纬度和海拔高度可计算出当前空间位置的三个正交分量磁场值。 为本装置设计由三组正交磁场线圈组成的三轴磁场线圈［7］来模拟空间地磁场，三组线圈各由一套电流源供电，通过电流测量系统测量各线圈中通过的电流值，再根据各轴的线圈常数计算磁场大小。地磁场复现系统组成和工作原理如图2所示。

图2 地磁场复现系统组成原理图Fig.2 Principle of geomagnetic field reproduction

各轴向线圈复现的磁场大小由式（2）计算得

式中：Bi——三轴磁场线圈复现的某一轴向磁场值，单位为特斯拉（T）；KBi——该轴向线圈的线圈常数，单位为特斯拉每安培（T／A）；Ii——该轴向线圈内电流值，单位为安培（A）。

注：i 为X、Y、Z，分别代表三轴磁场线圈的X轴、Y 轴、Z 轴。

复现空间地磁场时，通过IGRF 软件计算出磁场的三个分量，结合线圈常数计算出对应电流源的输出电流大小，即可得到对应轴向的地磁场分量，三轴合成，可复现出当前空间位置的地磁场。

2.1.1 三轴磁场线圈

三轴磁场线圈由X、Y、Z 三组线圈组合而成，三组线圈复现的分量磁场相互垂直，分别对应地磁场的南北、东西和竖直方向分量。

由于在线圈的工作区要安装三轴无磁转台，所以本装置设计的三轴磁场线圈在满足磁场复现要求的前提下，必须留出足够的转台安装及校准操作空间，经理论计算和结构设计，选择如图3所示的大开口三轴线圈结构。

图3 三轴磁场线圈结构图Fig.3 Structure of three－axis magnetic field coil

2.1.2 电流源

电流源用于向三轴磁场线圈提供高稳定度的电流，为适应不同地磁场的复现要求，电源必须是在一定范围内连续可调，并且调节步进足够小，电流源主要技术指标和要求如下：

a）第一台电流输出范围：10μA ～1A，第二台电流输出范围：10μA ～1A，第三台电流输出范围：10μA ～3A；

b）电流调节最小步进：10μA；

c）电流漂移：≤5 ×10－5／0.5h；

d）纹波：≤5 ×10－4。

2.1.3 电流测量系统

电流测量系统由标准电阻和数字电压表组成，用于测量线圈中的电流。 如图2所示，标准电阻作为采样电阻，通过数字电压表可以确定通过线圈的电流大小［8］。 线圈中的电流值由式（3）计算得

式中：U——数字电压表测得的电压值，单位为伏特（V）；R——标准电阻阻值，单位为欧姆（Ω）。

标准电阻和数字多用表主要技术指标：

a）标准电阻的阻值：1Ω；

b）标准电阻的最大允许误差：±1 ×10－4；

c）数字电压表的最低分辨率：0.1μV；

d）数字电压表的测量不确定度：1×10－4（k ＝2）。

线圈研制完成后，用GSM19 磁强计对线圈三轴的线圈常数进行标定。 X 轴线圈常数为36.464μT／A，Y 轴线圈常数为24.219μT／A，Z 轴线圈常数为38.885μT／A，对X、Y、Z 三轴分别配备最大电流1A、1A 和3A 的电流源后，利用GMS －19 型标准磁力仪对线圈产生磁场进行测试。 系统磁场复现系统能力和目标要求对照见表1。

表1 地磁场复现系统的磁场产生能力Tab.1 Magnetic field generation capability of geomagnetic field reproduction system

由表1 可以看出，系统的磁场复现能力完全可满足地球上不同经纬度和不同海拔高度上的空间磁场复现要求。

2.2 三轴无磁转台

三轴无磁转台作为角度标准器，其三轴角度示值作为标准角度直接与磁罗盘的三轴角度示值进行比对。 由于磁罗盘的工作特性，要求三轴转台不能对磁罗盘产生磁场影响，这就要求必须对转台工作区的磁场畸变进行控制。

为控制转台的剩磁，对台体主框架和安装到台体上的零部件采取磁性全检的措施。 其中主体框架选用无磁性的材料制造，零部件和外购件采用非标定制和无磁化改造的方法进行磁性控制，确保转台工作区的杂散磁场对磁罗盘工作的影响可忽略不计。 剩余磁场的检测仪器采用磁通门磁强计，无磁性检测标准为零部件距离磁强计探头7cm 位置剩余磁场不大于2nT［9］。

在转台研制完成后，使用磁通门传感器对转台各部件的交变电磁干扰进行测量，在转台各种不同工作状态下，转台电气系统和光电编码器的电磁干扰小于4nT。 使用CS－L 型光泵磁强计对转台工作区各点位的磁场畸变进行测试，测试结果显示磁场畸变为5nT，无论是电磁干扰还是剩磁对于磁罗盘的工作都完全可以忽略不计。

转台研制完成后，经过国防法定计量技术机构校准，三轴的角度的测量不确定度均优于0.1°，可用于角度精度低于0.2°磁罗盘的校准。 研制完成后的三轴无磁转台台体如图4所示。

图4 三轴无磁转台Fig.4 Three-axis non-magnetic turntable

完成后的磁罗盘空间特性校准装置如图5所示。

图5 磁罗盘空间特性校准装置Fig.5 Calibration equipment for magnetic compass space performance

3 结束语

磁罗盘空间特性校准装置建成至今，已经为航天、航空、船舶、兵器等国防军工单位，以及军队、民用领域数十家单位的磁罗盘提供了校准和测试服务。 装置的成功研制，解决了磁罗盘在不同地磁场环境下的量值无法校准的难题，为磁罗盘的量值准确性提供了计量保障。 另外，该装置的研制对于磁罗盘的技术发展也起到了推动作用。 现在国防弱磁一级站生产的数字磁罗盘已内置地磁场模型，可针对不同地磁场下的方位角示值误差和零偏进行修正。