李 享 翟晶晶 程華富

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)有限公司第七一○研究所，湖北宜昌443003）

1 引 言

地磁場(chǎng)作為地球固有信息，對(duì)其進(jìn)行精確測(cè)量在導(dǎo)航定位、地球物理研究以及礦藏探測(cè)等方面都有重要的應(yīng)用價(jià)值［1］。 磁羅盤作為一種常用的磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x器，通過(guò)測(cè)量周圍磁場(chǎng)在三軸磁傳感器軸向上的分量來(lái)計(jì)算磁場(chǎng)強(qiáng)度以及航向角，具有體型小、成本低、低功耗、誤差不隨時(shí)間累積等優(yōu)點(diǎn)，在導(dǎo)航定向定位中得到廣泛應(yīng)用［2］。 在抗沖擊、抗震動(dòng)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(lái)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(kuò)展，目前廣泛應(yīng)用于國(guó)防軍工系統(tǒng)和民用的各個(gè)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(cè)量地磁場(chǎng)，雙軸傾斜角傳感器測(cè)量載體的傾斜角，傾斜角傳感器測(cè)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(jìn)行磁場(chǎng)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?yàn)镺X 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(zhǎng)軸與OX 軸平行，設(shè)MX為磁傳感器長(zhǎng)軸方向磁傳感器測(cè)量的地磁場(chǎng)，設(shè)MY為磁傳感器短軸方向磁傳感器測(cè)量的地磁場(chǎng)，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(shí)，為測(cè)量地磁場(chǎng)的兩個(gè)水平分量，采用三軸磁傳感器測(cè)量地磁場(chǎng)的三個(gè)分量，雙軸傾斜角傳感器測(cè)量載體的俯仰角和橫滾角，通過(guò)坐標(biāo)變換，將載體坐標(biāo)系下測(cè)量的地磁場(chǎng)的三個(gè)分量轉(zhuǎn)換為大地水平坐標(biāo)系下地磁場(chǎng)的三個(gè)分量，再利用式（1）計(jì)算載體相對(duì)于地磁北的方向。

根據(jù)磁羅盤的工作原理可知，地磁場(chǎng)的各分量值變化，尤其是地磁場(chǎng)兩個(gè)水平分量比值發(fā)生變化對(duì)磁羅盤的準(zhǔn)確度影響至關(guān)重要，而對(duì)于實(shí)際的空間地磁場(chǎng)，在不同的空間其各個(gè)分量有很大差別。IGRF 模型是國(guó)際上通用的地磁場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)總量又不斷減小，如在海平面高度，地磁場(chǎng)總量范圍為（34 ～65）μT，在低軌道衛(wèi)星運(yùn)行的海拔（150 ～300）km 處，地磁場(chǎng)大小約地球表面的80% ～90%；中軌道衛(wèi)星運(yùn)行的遠(yuǎn)地點(diǎn)1500km附近，地磁場(chǎng)大小約地球表面的50%；在同步衛(wèi)星工作的35 860km 處，地磁場(chǎng)只剩100nT 左右。

常規(guī)的校準(zhǔn)手段只能校準(zhǔn)磁羅盤在實(shí)驗(yàn)室當(dāng)?shù)氐卮艌?chǎng)環(huán)境下的性能，無(wú)法評(píng)估磁羅盤在不同地磁場(chǎng)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(duì)其在不同空間地磁場(chǎng)環(huán)境下的示值誤差進(jìn)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(chǎng)復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)［5］和三軸無(wú)磁轉(zhuǎn)臺(tái)組成，其中地磁場(chǎng)復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)用于復(fù)現(xiàn)空間地磁場(chǎng)，三軸無(wú)磁轉(zhuǎn)臺(tái)作為角度標(biāo)準(zhǔn)對(duì)磁羅盤的角度示值誤差進(jìn)行校準(zhǔn)。

2.1 地磁場(chǎng)復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)

地磁場(chǎng)是矢量場(chǎng)，在三坐標(biāo)系下可將其分解為三個(gè)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(jì)算出當(dāng)前空間位置的三個(gè)正交分量磁場(chǎng)值。 為本裝置設(shè)計(jì)由三組正交磁場(chǎng)線圈組成的三軸磁場(chǎng)線圈［7］來(lái)模擬空間地磁場(chǎng)，三組線圈各由一套電流源供電，通過(guò)電流測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量各線圈中通過(guò)的電流值，再根據(jù)各軸的線圈常數(shù)計(jì)算磁場(chǎng)大小。地磁場(chǎng)復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)組成和工作原理如圖2所示。

圖2 地磁場(chǎng)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(chǎng)大小由式（2）計(jì)算得

式中：Bi——三軸磁場(chǎng)線圈復(fù)現(xiàn)的某一軸向磁場(chǎng)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(chǎng)線圈的X軸、Y 軸、Z 軸。

復(fù)現(xiàn)空間地磁場(chǎng)時(shí)，通過(guò)IGRF 軟件計(jì)算出磁場(chǎng)的三個(gè)分量，結(jié)合線圈常數(shù)計(jì)算出對(duì)應(yīng)電流源的輸出電流大小，即可得到對(duì)應(yīng)軸向的地磁場(chǎng)分量，三軸合成，可復(fù)現(xiàn)出當(dāng)前空間位置的地磁場(chǎng)。

2.1.1 三軸磁場(chǎng)線圈

三軸磁場(chǎng)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(chǎng)相互垂直，分別對(duì)應(yīng)地磁場(chǎng)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(wú)磁轉(zhuǎn)臺(tái)，所以本裝置設(shè)計(jì)的三軸磁場(chǎng)線圈在滿足磁場(chǎng)復(fù)現(xiàn)要求的前提下，必須留出足夠的轉(zhuǎn)臺(tái)安裝及校準(zhǔn)操作空間，經(jīng)理論計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，選擇如圖3所示的大開(kāi)口三軸線圈結(jié)構(gòu)。

圖3 三軸磁場(chǎng)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(chǎng)線圈提供高穩(wěn)定度的電流，為適應(yīng)不同地磁場(chǎng)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(jìn)足夠小，電流源主要技術(shù)指標(biāo)和要求如下：

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

b）電流調(diào)節(jié)最小步進(jìn)：10μA；

c）電流漂移：≤5 ×10－5／0.5h；

d）紋波：≤5 ×10－4。

2.1.3 電流測(cè)量系統(tǒng)

電流測(cè)量系統(tǒng)由標(biāo)準(zhǔn)電阻和數(shù)字電壓表組成，用于測(cè)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(guò)數(shù)字電壓表可以確定通過(guò)線圈的電流大?。?］。 線圈中的電流值由式（3）計(jì)算得

式中：U——數(shù)字電壓表測(cè)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(cè)量不確定度：1×10－4（k ＝2）。

線圈研制完成后，用GSM19 磁強(qiáng)計(jì)對(duì)線圈三軸的線圈常數(shù)進(jìn)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(duì)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(duì)線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試。 系統(tǒng)磁場(chǎng)復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)能力和目標(biāo)要求對(duì)照見(jiàn)表1。

表1 地磁場(chǎng)復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)的磁場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)復(fù)現(xiàn)要求。

2.2 三軸無(wú)磁轉(zhuǎn)臺(tái)

三軸無(wú)磁轉(zhuǎn)臺(tái)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(jìn)行比對(duì)。 由于磁羅盤的工作特性，要求三軸轉(zhuǎn)臺(tái)不能對(duì)磁羅盤產(chǎn)生磁場(chǎng)影響，這就要求必須對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)工作區(qū)的磁場(chǎng)畸變進(jìn)行控制。

為控制轉(zhuǎn)臺(tái)的剩磁，對(duì)臺(tái)體主框架和安裝到臺(tái)體上的零部件采取磁性全檢的措施。 其中主體框架選用無(wú)磁性的材料制造，零部件和外購(gòu)件采用非標(biāo)定制和無(wú)磁化改造的方法進(jìn)行磁性控制，確保轉(zhuǎn)臺(tái)工作區(qū)的雜散磁場(chǎng)對(duì)磁羅盤工作的影響可忽略不計(jì)。 剩余磁場(chǎng)的檢測(cè)儀器采用磁通門磁強(qiáng)計(jì)，無(wú)磁性檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)為零部件距離磁強(qiáng)計(jì)探頭7cm 位置剩余磁場(chǎng)不大于2nT［9］。

在轉(zhuǎn)臺(tái)研制完成后，使用磁通門傳感器對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)各部件的交變電磁干擾進(jìn)行測(cè)量，在轉(zhuǎn)臺(tái)各種不同工作狀態(tài)下，轉(zhuǎn)臺(tái)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(qiáng)計(jì)對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)工作區(qū)各點(diǎn)位的磁場(chǎng)畸變進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示磁場(chǎng)畸變?yōu)?nT，無(wú)論是電磁干擾還是剩磁對(duì)于磁羅盤的工作都完全可以忽略不計(jì)。

轉(zhuǎn)臺(tái)研制完成后，經(jīng)過(guò)國(guó)防法定計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)校準(zhǔn)，三軸的角度的測(cè)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(wú)磁轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)體如圖4所示。

圖4 三軸無(wú)磁轉(zhuǎn)臺(tái)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(yǔ)

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(guó)防軍工單位，以及軍隊(duì)、民用領(lǐng)域數(shù)十家單位的磁羅盤提供了校準(zhǔn)和測(cè)試服務(wù)。 裝置的成功研制，解決了磁羅盤在不同地磁場(chǎng)環(huán)境下的量值無(wú)法校準(zhǔn)的難題，為磁羅盤的量值準(zhǔn)確性提供了計(jì)量保障。 另外，該裝置的研制對(duì)于磁羅盤的技術(shù)發(fā)展也起到了推動(dòng)作用。 現(xiàn)在國(guó)防弱磁一級(jí)站生產(chǎn)的數(shù)字磁羅盤已內(nèi)置地磁場(chǎng)模型，可針對(duì)不同地磁場(chǎng)下的方位角示值誤差和零偏進(jìn)行修正。