孟 誠 伍東凌

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七一〇研究所 宜昌 443003)

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基于世界地磁模型2010的磁場模擬系統(tǒng)*

孟 誠 伍東凌

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七一〇研究所 宜昌 443003)

通過WMM2010數(shù)據(jù)庫建立世界地磁模型，計算得到地球上任意一點(diǎn)的地磁數(shù)據(jù)，并通過電流源產(chǎn)生相應(yīng)的磁場，模擬地球上任意一點(diǎn)的磁場。測試結(jié)果顯示該模型能有效模擬地磁場。

地磁; WMM2010; 磁場七要素

Class Number TM15

1 引言

地磁場是地球內(nèi)部存在的天然磁性現(xiàn)象。地球可視為一個磁偶極，其中一極位于地理北極附近，另一極位于地理南極附近。地球磁場向太空伸出數(shù)萬公里形成地球磁圈引。地磁場包括基本磁場和變化磁場兩個部分，其中變化磁場包括地磁場的各種短期變化，主要起源于地球內(nèi)部，相對比較微弱[1～2]。

在艦船工業(yè)和水中兵器領(lǐng)域，對產(chǎn)品的磁性有著越來越嚴(yán)格的要求，利用磁場進(jìn)行信號偵測和定向技術(shù)的應(yīng)用也越來越多[3]，而對物體的磁性研究和磁傳感器的性能測試，需要考慮由于地點(diǎn)不同造成的地磁場變化，因此需要模擬地球不同地點(diǎn)的磁場，虛擬出不同地區(qū)的地磁場。本文描述的磁場模擬系統(tǒng)通過應(yīng)用WMM數(shù)據(jù)庫，建立地磁模型，解析磁傳感器數(shù)據(jù)，控制電流源產(chǎn)生相應(yīng)的磁場。

2 系統(tǒng)組成

磁場模擬系統(tǒng)主要用于通過建立世界地磁模型，模擬出地球上任意一點(diǎn)的地磁信息。

該系統(tǒng)主要由通訊模塊、控制模塊、界面模塊組成，如圖1所示。

通訊模塊主要實(shí)現(xiàn)與電流源和磁通門傳感器數(shù)據(jù)采集儀器的通訊，其中包括CAN總線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串口數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換模塊。

控制模塊實(shí)現(xiàn)地球磁場數(shù)據(jù)庫模型的建立，并實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)算，得到磁場數(shù)據(jù)，將目標(biāo)磁場控制轉(zhuǎn)換為電流值設(shè)定，同時收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

界面模塊主要用于進(jìn)行人機(jī)交互，便于用戶進(jìn)行控制操作。

3 世界地磁模型

至今為止，國內(nèi)外已提出很多地磁場模型分析方法，在研究區(qū)域或局部地磁場時，多采用多項(xiàng)式[4]、曲面樣條函數(shù)、球冠諧[5～8]等方法，但在研究全球范圍地磁時空變化時，主要采用球諧分析法[9]。

圖1 總體設(shè)計圖

地磁場主要由基本磁場和變化磁場兩部分組成，基本磁場是地磁場的主要部分，起源于地球內(nèi)部，比較穩(wěn)定，屬于靜磁場部分；變化磁場包括地磁場的各種短期變化，主要起源于地球內(nèi)部，相對比較微弱，又分為平靜變化和干擾變化兩大類型。

在地球物理學(xué)中，表示地球基本磁場的國際標(biāo)準(zhǔn)稱之為國際參考磁場(International Geomagnetic Reference Field，IGRF)[10～11]，它以球諧級數(shù)的形式表達(dá)。其最高階通常為10，共120個球諧系數(shù)。

球諧分析法，即將地球表面觀測的某個物理量展開成球諧函數(shù)的級數(shù)，其中球諧函數(shù)是拉普拉斯方程的球坐標(biāo)系形式的解。

在近地空間的無源區(qū)，起源于地球內(nèi)部的主磁場可以表示成標(biāo)量磁位U的負(fù)梯度，如式(1)。

(1)

世界地磁模型(World Magnetic Model,WMM)，是由美國地理空間情報局(NGA)和英國國防地理影響與情報局投資，由美國地球物理數(shù)據(jù)中心和英國地質(zhì)勘探局研究出來的成果。

地磁場是一個向量場，描述空間某一點(diǎn)的地磁場，需要三個獨(dú)立的地磁要素。常用的地磁要素有七個[1]，即總場、水平分量、北向分量、東向分量、垂直分量場、磁偏角、地磁傾角。這七個元素之間的關(guān)系如圖2所示。

總場，即地磁場在某點(diǎn)的向量。水平分量，即地磁場在水平面上的分向量。北向分量，即地磁場在水平正北方向的分向量。東向分量，即地磁場在水平正東方向的分向量。垂直分量，即地磁場在垂直于地球水平面方向的分向量。磁偏角，即地理上的正北方向和磁北方向之間的角度。是從地理上的正北方向開始，向磁北方向旋轉(zhuǎn)的角度，順時針方向?yàn)檎?，反之為?fù)。例如，磁偏角為-10°時，羅盤上指北針指向的方向，需要向西偏移10°，才是指向地理上的正北方向。

圖2 地磁場要素示意圖

4 控制模塊

控制模塊的主控軟件運(yùn)行時的流程圖如圖3。

圖3 主程序流程圖

主控程序在開始運(yùn)行后，開啟串口數(shù)據(jù)接收定時器，實(shí)時接收CAN網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)，并按照不同的CAN地址區(qū)分不同的儀器，從而對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析。

CAN網(wǎng)絡(luò)由多個節(jié)點(diǎn)組成，其中包括磁傳感器數(shù)據(jù)采集儀器、磁場模擬電源、地磁補(bǔ)償電源、主控計算機(jī)以及磁場模擬系統(tǒng)。每個儀器的CAN地址都不相同，軟件中對各個地址對應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行的不同方式的解析，例如磁傳感器數(shù)據(jù)采集儀器，當(dāng)數(shù)據(jù)采集儀器接收到數(shù)據(jù)查詢指令后，儀器分兩次返回三軸的磁場數(shù)據(jù)，第一次返回X軸和Y軸數(shù)據(jù)，第二次返回Z軸數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)長度分別進(jìn)行解析，得到三軸磁場數(shù)據(jù)。

通過CAN地址，還可接收遠(yuǎn)程控制指令，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能。判斷CAN地址為遠(yuǎn)程控制地址時，則進(jìn)入遠(yuǎn)程控制響應(yīng)，返回上位機(jī)所需的數(shù)據(jù)和回應(yīng)。

開始進(jìn)行磁場模擬時，首先讀取磁場模擬電源的狀態(tài)，判斷是否需要反向，若需要反向，則先發(fā)送斷電指令，然后發(fā)送反向指令，否則直接發(fā)送設(shè)置電流指令。設(shè)置零磁空間時，首先讀取地磁監(jiān)測磁傳感器的數(shù)據(jù)，然后設(shè)置反向的地磁補(bǔ)償電流，從而形成零磁空間。

5 結(jié)語

測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)計算結(jié)果與World Magnetic Model 2010軟件的計算結(jié)果相同，能夠正確計算出地球上任意一點(diǎn)的地磁數(shù)據(jù)，并且能讀取到磁傳感器的數(shù)據(jù)從而控制電流源產(chǎn)生響應(yīng)的磁場。

[1] 劉大明.艦船消磁理論與方法[M].北京:國防工業(yè)出版社,2011:3-13.

[2] 杜志瀛.艦船消磁[M].北京:國防工業(yè)出版社,1983:1-5.

[3] 鄭暉,王勇,王虎彪.地球磁場異常格網(wǎng)(EMAG2)輔助潛艇導(dǎo)航仿真研究[J]. 地球物理學(xué)進(jìn)展,2012,27(4):1795-1803.

[4] 白春華,徐文耀,康國發(fā).地球主磁場模型[J]. 地球物理學(xué)進(jìn)展,2008,23(4):1045-1057.

[5] 徐文耀.國際參考地磁場模型中高階球諧項(xiàng)對地磁場長期變化的影響[J].地球物理學(xué)報.2003,46(4):476-481.

[6] 朱道雨,宮斌,楊益平.基于世界地磁模型2010的方位角校正以及目標(biāo)定位[J].艦船電子對抗,2013,36(3):36-38,54.

[7] 安振昌.2000年中國地磁場及長期變化的冠諧分析[J]. 地球物理學(xué)報.2003,46(1):68-72.

[8] 顧左文,安振昌,高金田,等.京津冀地區(qū)地磁場球冠諧分析[J].地球物理學(xué)報.2004,47(6):61-66.

[9] 徐文耀,區(qū)加明,杜愛民.地磁場全球建模和局部建模[J].地球物理學(xué)報,2011,26(2):398-415.

[10] 陳斌，顧左文，高金田,等.IGRF-11描述的2005-2010年中國地區(qū)地磁長期變化及其誤差分析[J].地球物理學(xué)進(jìn)展,2012,27(2):512-521.

[11] 柴松均,陳曙東,張爽.國際地磁參考場的計算與軟件實(shí)現(xiàn)[J].吉林大學(xué)學(xué)報,2015,33(3):280-285.

Simulation of Geomagnetic System Based on World Magnetic Model 2010

MENG Cheng WU Dongling

(No.710 Research Institute, CSIC, Yichang 443003)

The geomagnetic model is established with the WMM2010 database. The magnetic field elements of geomagnetic can be obtained by the calculation. The corresponding magnetic field is built by setting the current of electrical source. The test result shows the madel can simulate geomagnetic field effectively.

geomagnetic, WMM2010, seven magnetic field elements

2016年5月11日,

2016年6月27日

孟誠，男，碩士，工程師，研究方向：磁性目標(biāo)探測。伍東凌，男，碩士，工程師，研究方向：磁性目標(biāo)探測。

TM15

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.11.019