基于模拟多特征向量的地磁匹配导航半实物仿真系统设计

蔡欣华 柳宇 樊宇韬 梁琨 宋忠国

摘要：地磁匹配导航半实物仿真技术是地磁匹配导航技术基础理论研究，工程实现和武器系统定型、鉴定等过程中是不可或缺的重要环节。基于地磁匹配导航原理，本文设计了一套地磁匹配导航半实物仿真系统。将地磁场多特征向量模拟器引入系统并讨论了模拟多特征向量的重要作用。本文提出的对地磁场进行高精度模拟的半实物仿真系统方案，可以为地磁匹配导航相关技术的研究提供试验验证平台。

关键词：半实物仿真;地磁匹配导航;地磁场多特征向量;地磁场环境仿真;亥姆霍兹线圈

中图分类号：TP18 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）30-0241-03

半实物仿真，也称为硬件在环仿真，是将实物添加到数字仿真中。半实物仿真可以通过构建目标或者环境生成装置，在真是条件下模拟目标或环境场景。并且系统中一些具有较高非线性的关键部件可以实际引入仿真环路。这避免了由于在全数字仿真中建立非线性分量的数学模型的不准确性而导致的误差。半实物仿真结果更接近实际情况，从而可以大大提高仿真的可信度，获得更确切的信息。与纯物理仿真相比，半实物仿真的系统结构更容易修改、优化，研制成本也更低，实验周期更短，可以重复实验;与纯数学仿真相比，半实物仿真更加接近实际实验隋况，仿真精度更高，更可靠。

地磁匹配导航技术的基础理论研究，工程实现和武器系统定型鉴定等过程中，半实物仿真是必不可少的重要环节。目前，地磁匹配导航的研究大都是纯理论研究和全数字仿真，如何将理论知识和研究成果转化为工程应用，已是刻不容缓的问题。通过搭建有效的半实物仿真实验系统来评估地磁匹配导航理论研究，是能否实现工程应用的一个重要环节。基于此实际需求，本文设计了一种基于模拟多特征向量的地磁匹配导航半实物仿真系统。该系统可以高精度模地拟地磁场，为地磁匹配导航算法验证等实验提供了可靠平台。

1地磁匹配导航原理

地磁场是地球的基本物理场，包含丰富的参数信息，如地磁总场、地磁三分量、磁倾角、磁偏角和地磁场梯度等。这些参数为地磁匹配导航研究提供了丰富的匹配信息，是研究地磁导航的基础。

地磁匹配导航原理是地磁匹配导航半实物仿真的理论基础，其原理如图1所示。利用安装在载体上的磁场传感器实时测量地磁场数据，将实测数据与地磁场基准图进行匹配，从而确定载体的位置信息。具体过程分为以下几步：

1）规划航迹所经过的地磁匹配区域，并将该区域划分成网格并绘制出地磁基准图，将基准图存储在导航系统数据库中;

2）当载体经过地磁匹配区域时，开启地磁匹配导航模式，由安装在载体上的地磁传感器测量所经过区域的磁场强度。当载体按照预定轨迹飞行一段时间后，将测量得到的一系列地磁特征值生成一组实时测量序列，经数据采集系统传送至导航计算机，构成实时图;

3）导航计算机选择相应的地磁匹配算法，将实时图与地磁基准图进行匹配解算。通过算法选择最佳匹配位置，判断实时图在地磁导航数据库中的位置;

4）输出载体的实时位置，纠正载体的航迹误差。

2地磁场多特征向量模拟生成器

在地磁匹配半实物仿真中，最重要的是在仿真回路中模拟生成地磁场，并将磁场测量仪引入仿真回路。模拟地磁场需要地磁场模拟生成装置，模拟载体所经过匹配区域的地磁场变化，并由载体安装的磁场测量仪得到实时测量数据。

2.1地磁场要素

地磁场矢量可以分解为地理坐标系的7个特征量，如图2所示，称为地磁场要素。三个方向的地磁场强度分量（北向分量，东向分量，垂直分量），水平强度，总磁强度，磁倾角和磁偏角。除了这七个特征量之外，还有多种衍生特征，如梯度和梯度张量。由于每个特征量包含的信息量不同，随时间变化程度和地磁场测量仪和测量环境之间的差异，并非所有的特征量都适用于地磁匹配导航。根据可用的最优匹配特征量的选取准则可知，总磁强度分量是最优选择。它在空间上变化剧烈，能够提供实现精确定位导航所需要的信息量，具有高测量精度。

在地磁場的七个要素中，只地磁场的三个分量彼此独立，分别是地磁场三个方向的地磁场强度分量X，y，Z。其他四个要素可以通过空间几何关系推导获取，如公式（1）所示：

2.2地磁场多特征要素模拟器

相比单一的模拟地磁场总场分量，模拟地磁场多特征向量能使半实物仿真系统精确度更高，能更准确的反应实际地磁场特征值，并且可以满足地磁匹配导航中更多的实验需求。在模拟地磁导航多特征量的半实物仿真系统中，理论上只要能够形成相对足够的均匀磁场区域，就能够满足地磁匹配导航中所有需要的实验要求，包括更精确的磁场测量仪型号选择与配置、载体干扰磁场的研究与补偿、地磁匹配算法的验证等。

地磁场多特量模拟器与地磁总场模拟器相似，不同之处在于前者需要模拟地磁场的多个特征量。由公式（1）可知，通过已知的地磁场的三个方向的分量X、y、Z，就可以得到磁倾角I、磁偏角D、总场F和水平分量H等多个特征量。因此，需要模拟地磁场多特征值，只需要模拟生成地磁场三分量x、y、Z即可。目前常用的模拟磁场生成装置大多采用通电线圈，本文设计的地磁场多特征量模拟生成装置如图3所示，由三组单轴亥姆霍兹线圈组成，每组线圈两两正交且共轴心。

亥姆霍兹线圈由两个线圈组成，这两个线圈具有相同线圈匝数，相同缠绕方式，同轴平行放置并且线圈间距等于线圈半径。当两个线圈通入相同的电流时，在两个线圈轴线中点周围能产生一定区域的均匀磁场，如图4所示。通过在三个方向上设置亥姆霍兹线圈，并让他们两两正交，就可以生成三个方向上分别可控的磁场强度，用来模拟地磁场三分量。

2.3半实物仿真系统设计

本文所设计的地磁匹配导航半实物仿真系统如图5所示。地磁场多特征向量模拟生成装置、磁力计、磁探头、仿真计算机和高稳定度程控电流源串联组成闭环仿真回路。其中最重要的组件是地磁场多特征向量模拟器。地磁匹配导航所需的总场分量，由模拟装置提供的三分量X，y，Z解算获得。模拟器生成的地磁场三分量，为后续的实验提供了更多的实验环境，包括为地磁匹配软件和载体干扰补偿软件提供实时地磁场，验证地磁匹配解算软件性能等。

该系统中的实物部分是在实验室条件下模拟飞行器在实际运动中所经历的多特征向量地磁场环境。其中所用到的磁力仪探头和磁力计是武汉大学磁传感实验室研制的FGM2000型三轴磁通门磁力计和磁探头，其测量范围为0-±70000 nT，分辨率为0.2nT，采样频率10Hz，具有RS232接口，能够与计算机连接进行通信，此仪器还具有补偿背景磁场功能，即打开背景补偿开关，将背景磁场补偿掉，这样就可以排除背景磁场的影响，得到除去背景磁场的三轴磁场值;高稳定度程控恒流源是中国计量科学研究院研制的SCS1001高稳定度程控恒流源，是专门为产生高稳定度磁场线圈的配套电源，电源采用数字调节输出电流，具有RS232接口，能够进行智能控制。其输出电流范围为0-100mA，最高输出电压为10V，电流调节精度极高，为0.1uA。

3结束语

本文探讨了地磁导航半实物仿真在工程应用中的重要作用，并介绍了地磁匹配导航原理从地磁匹配导航的工程化需求出发，设计了一套地磁匹配导航半实物仿真系统，并将实物地磁场多特征向量模拟器引入系统。通过对地磁场多特征量的模拟，能更好的反应地磁场真实情况，提供了多样的地磁场数据，为地磁匹配算法及其算法性能验证、载体干扰磁场的分析与补偿等后续研究工作提供较为真实的实验条件。