基于地磁导航的磁空间模拟技术研究∗

2019-03-27宋新昌王晓峰

舰船电子工程 2019年3期

宋新昌王晓峰

（中国船舶重工集团公司第七一〇研究所国防科技工业弱磁一级计量站宜昌 443003）

1 引言

地球是一个天然磁体，在其周围空间存在着磁场，即地球磁场［1］。地球磁场是一种矢量场，与特定地点的经度、纬度、高度存在着对应关系，可以为航空、航天、航海等提供天然的坐标系，利用该坐标系，能够实现无源、无辐射、全天时、全天候、全地域、低能耗的自主导航定位［2～3］，但是地磁导航的飞行试验费用昂贵，一旦失败就有可能造成灾难性的后果，所以在试验之前需要做充分的准备。磁空间模拟技术能够在试验室条件下动态模拟全球各地的地磁场强度，可以为地磁导航系统提供在试验室条件下的验证，以极小的代价较为真实的模拟飞行器或卫星在飞行途中经历的地球磁场，达到在试验室中模拟地磁导航的流程［4-5］。

2 系统组成与工作原理

2.1 系统组成

用于地磁导航的磁空间模拟系统主要由磁场线圈、恒流源、电流测量系统、数据采集系统、控制系统等部分组成，如图1所示。

图1 系统组成框图

2.2 工作原理

恒流源用来给磁场线圈供电，电流测量系统主要用来测量输入到磁场线圈中的电流值大小，包括数字电压表和标准电阻，待磁场线圈的线圈常数确定之后，通过控制系统，调用地磁模型，由经度、纬度、高度等地理信息，解析出该位置的磁场值，由式（1）将所需的磁场信号调整为驱动磁场线圈工作的稳定电流驱动信号，该系统就具有设置地理位置输出磁场的基本功能。

用于地磁导航的磁空间模拟拟系统通常采用磁场计算法复现恒定磁场，即在磁场线圈中通一电流，在线圈中心复现需要的磁场。磁场值用式（1）计算得到：

式中：B为磁场线圈中心的磁场，单位为nT；KB为磁场线圈常数，单位为nT/A；I为磁场线圈中通过的电流，单位为A。

3 系统分析

3.1 磁场线圈

磁场线圈是磁空间模拟系统中最重要的组成部分，按功能可以分为：固定磁场补偿绕组、磁场复现绕组、地磁场噪声补偿绕组、正交度调节绕组。磁场线圈设计的好坏直接决定着所复现磁场的精度和所需恒流源功率的大小，磁场线圈设计的目的为增大磁场均匀区及减小线圈的体积，各类线圈产生磁场的计算方法均可由毕奥-萨伐尔定律求得［6～7］：

现阶段，最常用的圆形线圈系统如图2所示，间距、半径、匝数的最佳关系如表1所示，其中线圈的圆环数越多，其相对的均匀性越高，宋新昌在文献［8～9］中给出了亥姆霍兹线圈、麦克斯韦线圈和Barker线圈的详细计算结果。

图2 载流圆环系统：（a）亥姆霍兹型；（b）麦克斯韦型；（c）Barker型；（d）Garret型

实际中，复杂系统的所有各段圆环相串联，再接到公共电源上，这时要保证所要求的匝数比有一定的困难，因为对一个理想系统来说，匝数比并不总是整数（如表1），这类缺点可以通过预先对结构做一些处理来消除。为此，首先应给出易于实现的匝数比，这个匝数比应尽可能接近理论计算值，然后从均匀性条件出发，求出几何参数相应的微小增量［10］，具体设计方法可参照宋新昌的专利一种正八边形三环磁场线圈［11］。

表1 获得均匀场的载流圆环系统

3.2 恒流源

基于地磁导航的磁空间模拟系统的驱动电源可采用恒压源或恒流源，由于模拟空间磁场环境的稳定度要求较高，若采用恒压源驱动磁场线圈，线圈发热会引起其阻值改变，使得线圈的电流也随之变化，由于B=KBI，从而导致磁场不稳定；若采用恒流源驱动磁场线圈，则可以避免磁场线圈因电阻变化引起的励磁电流变化，从而产生稳定的磁场。

恒流源作为稳定电源的一个分支，按功率器件的工作状态不同，可分为开关型恒流源和线性恒流源。开关型恒流源效率较高，但高频噪声大，输出纹波较大；线性恒流源输出电流稳定，电路简单可靠，但其效率较低［12］。考虑到用于地磁导航的磁空间模拟系统一般对稳定度要求较高，无论是开关型恒流源或者线性恒流源，应对特别关注下列技术指标：

1）电流漂移——输出稳定性；

2）负载效应——当外接电阻减小50%时，电流值变化量；

3）源效应：当电源电压（AC220V）波动变化10%时，电流值变化量；

4）最大输出电流；

5）最大输出电压。