消磁控制設(shè)備現(xiàn)狀及其發(fā)展

張 巍，肖昌漢

（海軍工程大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，武漢430033）

消磁控制設(shè)備作為系統(tǒng)核心，根據(jù)作用在船上的地球磁場(chǎng)，向消磁電源實(shí)時(shí)提供消磁電流控制信號(hào)、顯示消磁系統(tǒng)工作狀態(tài)并進(jìn)行不同工況轉(zhuǎn)換。消磁繞組、消磁控制設(shè)備和消磁電源對(duì)于不同類型船舶有不同要求，其設(shè)計(jì)方法、技術(shù)要求、結(jié)構(gòu)特征等都會(huì)有所不同。

1 技術(shù)要點(diǎn)

要實(shí)現(xiàn)消磁電流的自動(dòng)控制，控制設(shè)備必需首先獲得投影到船舶坐標(biāo)系上的地球磁場(chǎng)分量，然后控制消磁電源給消磁繞組正確供電。獲得地磁場(chǎng)的投影分量一直是消磁控制設(shè)備的難點(diǎn)，世界各國(guó)的專用控制技術(shù)基本上是圍繞這一核心展開(kāi)的，其它技術(shù)的發(fā)展是隨電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)水平的發(fā)展而不斷更新。

目前，得到地球磁場(chǎng)投影分量的方法有三類。

1.1 查閱地磁圖方法（羅經(jīng)控制方式）

所謂查閱地磁圖方法，就是根據(jù)地磁圖查閱不同地區(qū)地磁場(chǎng)參數(shù)，列成表格備查，當(dāng)船舶航行到某區(qū)域時(shí)，根據(jù)當(dāng)?shù)氐卮艌?chǎng)數(shù)據(jù)和船只的航向，實(shí)施半自動(dòng)消磁電流調(diào)節(jié)，即Z方向消磁電流和X、Y方向消磁電流最大幅值是手動(dòng)調(diào)整，而X、Y方向消磁電流隨船舶航向變化自動(dòng)調(diào)節(jié)（其航向信號(hào)來(lái)自電羅經(jīng)，所以通常稱為羅經(jīng)控制方式）。這類控制設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)是性能可靠，缺點(diǎn)是不能實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)控制，且大多數(shù)設(shè)備不能隨船舶姿態(tài)的變化進(jìn)行電流調(diào)節(jié)。基于這類方法的消磁控制設(shè)備是最早出現(xiàn)的（以前均為手動(dòng)控制），1992年的資料顯示美國(guó)和英國(guó)海軍仍然將該類設(shè)備作為鋼鐵船舶消磁控制設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)控制方式。

1.2 磁場(chǎng)傳感器方法（磁強(qiáng)計(jì)控制方式）

磁場(chǎng)傳感器方法就是在船舶桅桿上安裝三分量磁場(chǎng)傳感器，通過(guò)直接測(cè)量作用到船只上的地球磁場(chǎng)，對(duì)三個(gè)方向的消磁電流進(jìn)行控制。該類控制設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)是除能夠?qū)Υ安煌恢谩⒉煌较蚝筒煌藨B(tài)進(jìn)行消磁電流自動(dòng)調(diào)節(jié)外，能對(duì)局部地磁異常區(qū)域和地磁變化進(jìn)行調(diào)節(jié)；缺點(diǎn)是抗干擾調(diào)整問(wèn)題難以解決，調(diào)整時(shí)需要專業(yè)人員進(jìn)行操作，且需船舶作不同的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)進(jìn)行配合。

1.3 地磁解算方法

地磁解算方法是根據(jù)船舶所在位置，利用“地磁模式組”數(shù)學(xué)方法計(jì)算當(dāng)?shù)氐厍虼艌?chǎng)，根據(jù)船只的航向和姿態(tài)計(jì)算投影到其坐標(biāo)系上的地磁分量，實(shí)施對(duì)消磁系統(tǒng)電流的全自動(dòng)控制。這類控制設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)是既能實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)調(diào)整，又不需要進(jìn)行復(fù)雜的抗干擾調(diào)整，且由于使用了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，能方便地實(shí)現(xiàn)分布式消磁電源控制和消磁系統(tǒng)的智能調(diào)整和監(jiān)控；缺點(diǎn)是不能對(duì)變化的地磁場(chǎng)和局部異常地磁場(chǎng)作出反應(yīng)，電流控制精度決定于“地磁模式組”的計(jì)算精度。在經(jīng)過(guò)多年地球物理研究和測(cè)量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，地球模式組精度已經(jīng)能夠滿足船舶消磁系統(tǒng)控制要求。

這種控制方式只是最近幾年才開(kāi)始出現(xiàn)，目前歐美各國(guó)都將其稱為現(xiàn)代消磁控制設(shè)備。

2 研究進(jìn)展

上述三種控制方式是基于不同時(shí)代技術(shù)發(fā)展起來(lái)的，最早為羅經(jīng)控制方式（基于電羅經(jīng)提供控制信號(hào)），其次為磁傳感器方式（基于上世紀(jì)60年代出現(xiàn)的磁通門磁強(qiáng)計(jì)提供控制信號(hào)），最晚為地磁解算式（基于現(xiàn)代綜合導(dǎo)航信號(hào)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和地磁數(shù)學(xué)模型），各國(guó)海軍艦船消磁控制設(shè)備也是沿著該主線發(fā)展。每一類型儀器出現(xiàn)多種型號(hào)的原因只是由于使用了不同的電子元器件和配接不同的消磁電源。

1992年美軍資料顯示，美海軍在此之前共使用了9種型號(hào)的消磁電流控制設(shè)備，分別是EMS、RM、FM、GM、SEM、GEM、MCD、SSM 和MDG，其中RM、FM、GM、和SSM四種型號(hào)是基于羅經(jīng)控制方式，EMS、SEM、GEM、MCD 和MDG五種型號(hào)是基于磁傳感器控制方式。由于未能解決鋼鐵艦船磁傳感器消磁控制設(shè)備的抗干擾問(wèn)題，美海軍只推薦其中三種儀器，MDG用于低磁船殼的獵掃雷艦、MCD用于鋁合金上層建筑的護(hù)衛(wèi)艦，一般鋼鐵艦船則使用SSM控制設(shè)備。最近美國(guó)雷聲（Raytheon）公司關(guān)于為美海軍San Antonio級(jí)兩棲支援艦LPD-17提供的技術(shù)服務(wù)資料顯示，該艦裝備的是地磁解算式消磁控制系統(tǒng)，由瑞典Polyamp公司提供，并采用多區(qū)段供電方式。

最近，俄國(guó)克萊羅夫艦船研究院（Krylov shipbuilding research institute）對(duì)于鋼鐵艦艇和潛艇，發(fā)展了以地磁解算式為主的多用途混合式消磁控制設(shè)備，包括KDS-701和KDS-703控制模塊，前者利用地磁解算得到的地磁場(chǎng)，結(jié)合分布于全船的磁傳感器，實(shí)施對(duì)潛艇的自動(dòng)閉環(huán)自動(dòng)控制，后者利用得到的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)用手動(dòng)方式進(jìn)行消磁電流調(diào)節(jié)。

從德國(guó)SAM公司提供給德國(guó)海軍的消磁控制設(shè)備分析：在DEG-COMP型設(shè)備出現(xiàn)以前，只有22搜獵掃雷艦（10艘SM343型，12艘 MJ332型）安裝的是DEG-STAT型設(shè)備，其它驅(qū)護(hù)艦、登錄艦以及202型潛艇等軍艦安裝的均是DEGROT型設(shè)備。所以可以判斷DEG-ROT是羅經(jīng)或地磁解算控制方式，而只有DEG-STAT是磁傳感器控制方式。新造艦船和潛艇（如F124護(hù)衛(wèi)艦、212型潛艇）安裝和準(zhǔn)備安裝DEG-COMP型設(shè)備。從型號(hào)看，ROT應(yīng)為配置旋轉(zhuǎn)電源、STAT為配置靜止電源。DEG-COMP為混合式艦船消磁控制設(shè)備，其控制信號(hào)接口既可來(lái)自地磁解算方式，又可來(lái)自磁場(chǎng)傳感器方式。該型設(shè)備的出現(xiàn)主要是從標(biāo)準(zhǔn)化、系列化方面考慮的，在具體配置時(shí)是可以靈活裁減的，因?yàn)橛醒芯恐赋?，“在不適合安裝磁傳感器的地方，比如潛艇，可以去掉磁傳感器控制方式”。DEG-COMP消磁控制設(shè)備在電源配置和通信方式上也是可以靈活使用的，如可以實(shí)現(xiàn)對(duì)小功率電源（一般為獵掃雷艦）的集中控制，也可以對(duì)大功率消磁電源實(shí)施分布式控制。SAM公司提出的消磁智能終端的設(shè)備值得借鑒，該設(shè)備是在地磁解算式和計(jì)算機(jī)平臺(tái)基礎(chǔ)上提出的，既可與DEG-COMP消磁系統(tǒng)聯(lián)合使用，也可作為獨(dú)立設(shè)備使用，具有如下功能：

1）艦船磁性狀態(tài)預(yù)報(bào)。在特定地點(diǎn)和航向上預(yù)報(bào)本艦磁性狀態(tài)；

2）消磁系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整。在消磁繞組部分損壞時(shí)重新進(jìn)行消磁電流優(yōu)化分配；

3）敵方水雷威脅分析。根據(jù)掌握的敵方水雷有關(guān)情況和本艦磁性狀態(tài)，分析水雷的威脅程度；

4）消磁系統(tǒng)遙控。作為消磁控制設(shè)備的控制備件，必要時(shí)起到控制消磁電流的作用。

英、法、意、瑞典等國(guó)在艦船消磁系統(tǒng)及艦船消磁控制設(shè)備研制方面極其活躍，英國(guó)的馬可尼（marconi）、桑恩（Thorn）、和阿爾特（Ultra）電器公司、意大利的愛(ài)分（Ifnn）公司和瑞典的樸力安普（Polyamp）公司，生產(chǎn)了大量的消磁控制設(shè)備安裝到各型軍艦上。如馬可尼公司的MDG-1701型、CC2型消磁控制設(shè)備大量安裝在MCM-1（復(fù)仇者）型掃雷艦上，并在其基礎(chǔ)上增加閉環(huán)消磁控制功能，加拿大的金斯屯噸級(jí)軍艦采用的是桑恩公司生產(chǎn)的消磁控制設(shè)備。1992年資料顯示，盡管磁傳感器控制方式有很多優(yōu)點(diǎn)，但由于艦船磁場(chǎng)的干擾，英國(guó)海軍艦船在此之前是不使用該類設(shè)備的，只在獵掃雷艦上使用。意大利的愛(ài)分公司已經(jīng)為世界各國(guó)海軍提供了150多套消磁控制設(shè)備，其最有名的磁場(chǎng)傳感器控制方式MDG4系列設(shè)備裝備到多種獵掃雷艦上，同時(shí)也特別指出：“對(duì)于鋼殼艦船，將提供新一代的MDG5消磁控制系統(tǒng)”?？梢?jiàn)其鋼鐵艦船的消磁設(shè)備控制方式是有別于獵掃雷艦消磁設(shè)備控制方式的。瑞典的樸力安普公司網(wǎng)站上以前只介紹分離的消磁控制設(shè)備，2004年介紹了一種混合型分布式消磁控制設(shè)備。作為雷聲公司的分承包商，已將其地磁解算式消磁控制設(shè)備應(yīng)用到美國(guó)的San Antonio級(jí)兩棲補(bǔ)給艦LPD-17上。芬蘭愛(ài)麗斯闊（Elesco）公司的FDC-700消磁控制設(shè)備也是集成了多種信號(hào)（含磁傳感器、電羅經(jīng)、搖擺信號(hào)、導(dǎo)航信號(hào)）的混合控制方式，為基于計(jì)算機(jī)的多模塊結(jié)構(gòu)，且也特別提到地磁解算式。

綜觀美、俄和歐洲國(guó)家消磁控制設(shè)備的發(fā)展情況，不難看出其特點(diǎn)為，早期全部使用的是羅經(jīng)式控制方式，盡管磁傳感器控制方式出現(xiàn)后，其自動(dòng)控制程度和地磁場(chǎng)適應(yīng)能力大大提高，但受鋼鐵艦船磁場(chǎng)干擾問(wèn)題影響，這類設(shè)備只是使用在獵掃雷艦和輕型艦船上，大量鋼鐵艦船使用的仍然是羅經(jīng)控制（美、英、德）或者與羅經(jīng)控制方式聯(lián)合的控制方式（俄）。最近出現(xiàn)的地磁解算控制設(shè)備控制精度已能與磁傳感器控制方式媲美，而且可以借助計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)一些新的功能，如對(duì)分布式消磁電源進(jìn)行靈活控制、實(shí)現(xiàn)消磁系統(tǒng)智能監(jiān)測(cè)和調(diào)整等，已被世界各海軍國(guó)家接受并作為鋼鐵艦船的標(biāo)準(zhǔn)控制方式。

為了統(tǒng)一使用和維護(hù)保養(yǎng)，消磁控制設(shè)備將朝著標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、模塊化和較強(qiáng)操作維護(hù)性能的方向發(fā)展。無(wú)論對(duì)何種船舶，消磁控制設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式和操作步驟應(yīng)保持一致，這就要求消磁控制設(shè)備具有結(jié)構(gòu)一致性和多信號(hào)接口適應(yīng)功能，并具有新型擴(kuò)展功能的預(yù)留接口，如消磁系統(tǒng)智能終端、閉環(huán)消磁磁傳感器陣列接口等。對(duì)此采用專用嵌入式計(jì)算機(jī)方案更佳，不宜采用通用計(jì)算機(jī)模塊。因?yàn)橛?jì)算機(jī)通用模塊看似標(biāo)準(zhǔn)化較好，但實(shí)際消磁系統(tǒng)控制計(jì)算為中小型專用軟件，嵌入式計(jì)算機(jī)在可靠性、專用性、實(shí)時(shí)性和整體更換維修時(shí)具有極大的優(yōu)點(diǎn)。由于采用計(jì)算機(jī)方案，消磁控制設(shè)備還可以利用這一軟硬件平臺(tái)增強(qiáng)控制調(diào)整的智能化水平，進(jìn)一步提高船舶磁性防護(hù)性能，這些新的功能主要包括閉環(huán)消磁技術(shù)和消磁系統(tǒng)智能終端等等。

3 結(jié)束語(yǔ)

目前，世界各國(guó)海軍對(duì)消磁繞組、消磁控制設(shè)備和消磁電源三個(gè)核心技術(shù)都在進(jìn)行不斷研究，特別是針對(duì)獵掃雷艦、潛艇和特大型船等特殊艦船，出現(xiàn)了如艦船磁場(chǎng)精確計(jì)算、超導(dǎo)消磁艦船消磁繞組、分布式消磁電源、地磁解算控制設(shè)備、閉環(huán)消磁等新技術(shù)。消磁系統(tǒng)的研究正呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展的態(tài)勢(shì)。