磁羅盤空間特性校準(zhǔn)裝置研究

李 享 翟晶晶 程華富

（中國船舶重工集團有限公司第七一○研究所，湖北宜昌443003）

1 引 言

地磁場作為地球固有信息，對其進行精確測量在導(dǎo)航定位、地球物理研究以及礦藏探測等方面都有重要的應(yīng)用價值［1］。 磁羅盤作為一種常用的磁場測量儀器，通過測量周圍磁場在三軸磁傳感器軸向上的分量來計算磁場強度以及航向角，具有體型小、成本低、低功耗、誤差不隨時間累積等優(yōu)點，在導(dǎo)航定向定位中得到廣泛應(yīng)用［2］。 在抗沖擊、抗震動和其它電子設(shè)備組合等方面也表現(xiàn)出良好的特性。 尤其是隨著近年來磁通門技術(shù)的發(fā)展，磁羅盤的應(yīng)用領(lǐng)域得到極大的擴展，目前廣泛應(yīng)用于國防軍工系統(tǒng)和民用的各個行業(yè)。

數(shù)字式磁羅盤一般由三軸磁傳感器、雙軸傾角傳感器及電路部分組成［3］，三軸磁傳感器用于測量地磁場，雙軸傾斜角傳感器測量載體的傾斜角，傾斜角傳感器測量的角度數(shù)據(jù)一方面用于載體的俯仰角和橫滾角輸出，另一方面用于進行磁場矢量坐標(biāo)變換。

當(dāng)載體處于水平狀態(tài)，如圖1所示，設(shè)其航向為OX 軸方向，載體的方位角為磁北與OX 軸的夾角，OY 軸在水平面內(nèi)，垂直于OX 軸。 磁傳感器安裝在載體上，磁傳感器的長軸與OX 軸平行，設(shè)MX為磁傳感器長軸方向磁傳感器測量的地磁場，設(shè)MY為磁傳感器短軸方向磁傳感器測量的地磁場，α為載體的磁方位角，則

圖1 磁羅盤方位角Fig.1 Azimuth of magnetic compass

當(dāng)載體不水平時，為測量地磁場的兩個水平分量，采用三軸磁傳感器測量地磁場的三個分量，雙軸傾斜角傳感器測量載體的俯仰角和橫滾角，通過坐標(biāo)變換，將載體坐標(biāo)系下測量的地磁場的三個分量轉(zhuǎn)換為大地水平坐標(biāo)系下地磁場的三個分量，再利用式（1）計算載體相對于地磁北的方向。

根據(jù)磁羅盤的工作原理可知，地磁場的各分量值變化，尤其是地磁場兩個水平分量比值發(fā)生變化對磁羅盤的準(zhǔn)確度影響至關(guān)重要，而對于實際的空間地磁場，在不同的空間其各個分量有很大差別。IGRF 模型是國際上通用的地磁場模型［4］，根據(jù)IGRF 模型，在海平面高度，不同經(jīng)緯度的地磁場X分量（南北方向）大小范圍為（0 ～40）μT，Y 分量（東西方向）大小范圍為（ －17 ～14）μT，Z 分量（豎直方向）大小范圍為（ －66 ～60）μT。 而隨著海拔高度的增加，地磁場總量又不斷減小，如在海平面高度，地磁場總量范圍為（34 ～65）μT，在低軌道衛(wèi)星運行的海拔（150 ～300）km 處，地磁場大小約地球表面的80% ～90%；中軌道衛(wèi)星運行的遠(yuǎn)地點1500km附近，地磁場大小約地球表面的50%；在同步衛(wèi)星工作的35 860km 處，地磁場只剩100nT 左右。

常規(guī)的校準(zhǔn)手段只能校準(zhǔn)磁羅盤在實驗室當(dāng)?shù)氐卮艌霏h(huán)境下的性能，無法評估磁羅盤在不同地磁場環(huán)境下的性能，所以為確保磁羅盤量值的準(zhǔn)確，有必要建立空間特性校準(zhǔn)裝置，對其在不同空間地磁場環(huán)境下的示值誤差進行校準(zhǔn)。

2 校準(zhǔn)裝置組成

磁羅盤空間特性校準(zhǔn)裝置主要由地磁場復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)［5］和三軸無磁轉(zhuǎn)臺組成，其中地磁場復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)用于復(fù)現(xiàn)空間地磁場，三軸無磁轉(zhuǎn)臺作為角度標(biāo)準(zhǔn)對磁羅盤的角度示值誤差進行校準(zhǔn)。

2.1 地磁場復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)

地磁場是矢量場，在三坐標(biāo)系下可將其分解為三個正交的分量［6］。 在IGRF 模型軟件中，輸入經(jīng)緯度和海拔高度可計算出當(dāng)前空間位置的三個正交分量磁場值。 為本裝置設(shè)計由三組正交磁場線圈組成的三軸磁場線圈［7］來模擬空間地磁場，三組線圈各由一套電流源供電，通過電流測量系統(tǒng)測量各線圈中通過的電流值，再根據(jù)各軸的線圈常數(shù)計算磁場大小。地磁場復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)組成和工作原理如圖2所示。

圖2 地磁場復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)組成原理圖Fig.2 Principle of geomagnetic field reproduction

各軸向線圈復(fù)現(xiàn)的磁場大小由式（2）計算得

式中：Bi——三軸磁場線圈復(fù)現(xiàn)的某一軸向磁場值，單位為特斯拉（T）；KBi——該軸向線圈的線圈常數(shù)，單位為特斯拉每安培（T／A）；Ii——該軸向線圈內(nèi)電流值，單位為安培（A）。

注：i 為X、Y、Z，分別代表三軸磁場線圈的X軸、Y 軸、Z 軸。

復(fù)現(xiàn)空間地磁場時，通過IGRF 軟件計算出磁場的三個分量，結(jié)合線圈常數(shù)計算出對應(yīng)電流源的輸出電流大小，即可得到對應(yīng)軸向的地磁場分量，三軸合成，可復(fù)現(xiàn)出當(dāng)前空間位置的地磁場。

2.1.1 三軸磁場線圈

三軸磁場線圈由X、Y、Z 三組線圈組合而成，三組線圈復(fù)現(xiàn)的分量磁場相互垂直，分別對應(yīng)地磁場的南北、東西和豎直方向分量。

由于在線圈的工作區(qū)要安裝三軸無磁轉(zhuǎn)臺，所以本裝置設(shè)計的三軸磁場線圈在滿足磁場復(fù)現(xiàn)要求的前提下，必須留出足夠的轉(zhuǎn)臺安裝及校準(zhǔn)操作空間，經(jīng)理論計算和結(jié)構(gòu)設(shè)計，選擇如圖3所示的大開口三軸線圈結(jié)構(gòu)。

圖3 三軸磁場線圈結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of three－axis magnetic field coil

2.1.2 電流源

電流源用于向三軸磁場線圈提供高穩(wěn)定度的電流，為適應(yīng)不同地磁場的復(fù)現(xiàn)要求，電源必須是在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，并且調(diào)節(jié)步進足夠小，電流源主要技術(shù)指標(biāo)和要求如下：

a）第一臺電流輸出范圍：10μA ～1A，第二臺電流輸出范圍：10μA ～1A，第三臺電流輸出范圍：10μA ～3A；

b）電流調(diào)節(jié)最小步進：10μA；

c）電流漂移：≤5 ×10－5／0.5h；

d）紋波：≤5 ×10－4。

2.1.3 電流測量系統(tǒng)

電流測量系統(tǒng)由標(biāo)準(zhǔn)電阻和數(shù)字電壓表組成，用于測量線圈中的電流。 如圖2所示，標(biāo)準(zhǔn)電阻作為采樣電阻，通過數(shù)字電壓表可以確定通過線圈的電流大?。?］。 線圈中的電流值由式（3）計算得

式中：U——數(shù)字電壓表測得的電壓值，單位為伏特（V）；R——標(biāo)準(zhǔn)電阻阻值，單位為歐姆（Ω）。

標(biāo)準(zhǔn)電阻和數(shù)字多用表主要技術(shù)指標(biāo)：

a）標(biāo)準(zhǔn)電阻的阻值：1Ω；

b）標(biāo)準(zhǔn)電阻的最大允許誤差：±1 ×10－4；

c）數(shù)字電壓表的最低分辨率：0.1μV；

d）數(shù)字電壓表的測量不確定度：1×10－4（k ＝2）。

線圈研制完成后，用GSM19 磁強計對線圈三軸的線圈常數(shù)進行標(biāo)定。 X 軸線圈常數(shù)為36.464μT／A，Y 軸線圈常數(shù)為24.219μT／A，Z 軸線圈常數(shù)為38.885μT／A，對X、Y、Z 三軸分別配備最大電流1A、1A 和3A 的電流源后，利用GMS －19 型標(biāo)準(zhǔn)磁力儀對線圈產(chǎn)生磁場進行測試。 系統(tǒng)磁場復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)能力和目標(biāo)要求對照見表1。

表1 地磁場復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)的磁場產(chǎn)生能力Tab.1 Magnetic field generation capability of geomagnetic field reproduction system

由表1 可以看出，系統(tǒng)的磁場復(fù)現(xiàn)能力完全可滿足地球上不同經(jīng)緯度和不同海拔高度上的空間磁場復(fù)現(xiàn)要求。

2.2 三軸無磁轉(zhuǎn)臺

三軸無磁轉(zhuǎn)臺作為角度標(biāo)準(zhǔn)器，其三軸角度示值作為標(biāo)準(zhǔn)角度直接與磁羅盤的三軸角度示值進行比對。 由于磁羅盤的工作特性，要求三軸轉(zhuǎn)臺不能對磁羅盤產(chǎn)生磁場影響，這就要求必須對轉(zhuǎn)臺工作區(qū)的磁場畸變進行控制。

為控制轉(zhuǎn)臺的剩磁，對臺體主框架和安裝到臺體上的零部件采取磁性全檢的措施。 其中主體框架選用無磁性的材料制造，零部件和外購件采用非標(biāo)定制和無磁化改造的方法進行磁性控制，確保轉(zhuǎn)臺工作區(qū)的雜散磁場對磁羅盤工作的影響可忽略不計。 剩余磁場的檢測儀器采用磁通門磁強計，無磁性檢測標(biāo)準(zhǔn)為零部件距離磁強計探頭7cm 位置剩余磁場不大于2nT［9］。

在轉(zhuǎn)臺研制完成后，使用磁通門傳感器對轉(zhuǎn)臺各部件的交變電磁干擾進行測量，在轉(zhuǎn)臺各種不同工作狀態(tài)下，轉(zhuǎn)臺電氣系統(tǒng)和光電編碼器的電磁干擾小于4nT。 使用CS－L 型光泵磁強計對轉(zhuǎn)臺工作區(qū)各點位的磁場畸變進行測試，測試結(jié)果顯示磁場畸變?yōu)?nT，無論是電磁干擾還是剩磁對于磁羅盤的工作都完全可以忽略不計。

轉(zhuǎn)臺研制完成后，經(jīng)過國防法定計量技術(shù)機構(gòu)校準(zhǔn)，三軸的角度的測量不確定度均優(yōu)于0.1°，可用于角度精度低于0.2°磁羅盤的校準(zhǔn)。 研制完成后的三軸無磁轉(zhuǎn)臺臺體如圖4所示。

圖4 三軸無磁轉(zhuǎn)臺Fig.4 Three-axis non-magnetic turntable

完成后的磁羅盤空間特性校準(zhǔn)裝置如圖5所示。

圖5 磁羅盤空間特性校準(zhǔn)裝置Fig.5 Calibration equipment for magnetic compass space performance

3 結(jié)束語

磁羅盤空間特性校準(zhǔn)裝置建成至今，已經(jīng)為航天、航空、船舶、兵器等國防軍工單位，以及軍隊、民用領(lǐng)域數(shù)十家單位的磁羅盤提供了校準(zhǔn)和測試服務(wù)。 裝置的成功研制，解決了磁羅盤在不同地磁場環(huán)境下的量值無法校準(zhǔn)的難題，為磁羅盤的量值準(zhǔn)確性提供了計量保障。 另外，該裝置的研制對于磁羅盤的技術(shù)發(fā)展也起到了推動作用。 現(xiàn)在國防弱磁一級站生產(chǎn)的數(shù)字磁羅盤已內(nèi)置地磁場模型，可針對不同地磁場下的方位角示值誤差和零偏進行修正。