基于模擬多特征向量的地磁匹配導(dǎo)航半實(shí)物仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蔡欣華 柳宇 樊宇韜 梁琨 宋忠國(guó)

摘要：地磁匹配導(dǎo)航半實(shí)物仿真技術(shù)是地磁匹配導(dǎo)航技術(shù)基礎(chǔ)理論研究，工程實(shí)現(xiàn)和武器系統(tǒng)定型、鑒定等過(guò)程中是不可或缺的重要環(huán)節(jié)?；诘卮牌ヅ鋵?dǎo)航原理，本文設(shè)計(jì)了一套地磁匹配導(dǎo)航半實(shí)物仿真系統(tǒng)。將地磁場(chǎng)多特征向量模擬器引入系統(tǒng)并討論了模擬多特征向量的重要作用。本文提出的對(duì)地磁場(chǎng)進(jìn)行高精度模擬的半實(shí)物仿真系統(tǒng)方案，可以為地磁匹配導(dǎo)航相關(guān)技術(shù)的研究提供試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)。

關(guān)鍵詞：半實(shí)物仿真;地磁匹配導(dǎo)航;地磁場(chǎng)多特征向量;地磁場(chǎng)環(huán)境仿真;亥姆霍茲線(xiàn)圈

中圖分類(lèi)號(hào)：TP18 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）30-0241-03

半實(shí)物仿真，也稱(chēng)為硬件在環(huán)仿真，是將實(shí)物添加到數(shù)字仿真中。半實(shí)物仿真可以通過(guò)構(gòu)建目標(biāo)或者環(huán)境生成裝置，在真是條件下模擬目標(biāo)或環(huán)境場(chǎng)景。并且系統(tǒng)中一些具有較高非線(xiàn)性的關(guān)鍵部件可以實(shí)際引入仿真環(huán)路。這避免了由于在全數(shù)字仿真中建立非線(xiàn)性分量的數(shù)學(xué)模型的不準(zhǔn)確性而導(dǎo)致的誤差。半實(shí)物仿真結(jié)果更接近實(shí)際情況，從而可以大大提高仿真的可信度，獲得更確切的信息。與純物理仿真相比，半實(shí)物仿真的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更容易修改、優(yōu)化，研制成本也更低，實(shí)驗(yàn)周期更短，可以重復(fù)實(shí)驗(yàn);與純數(shù)學(xué)仿真相比，半實(shí)物仿真更加接近實(shí)際實(shí)驗(yàn)隋況，仿真精度更高，更可靠。

地磁匹配導(dǎo)航技術(shù)的基礎(chǔ)理論研究，工程實(shí)現(xiàn)和武器系統(tǒng)定型鑒定等過(guò)程中，半實(shí)物仿真是必不可少的重要環(huán)節(jié)。目前，地磁匹配導(dǎo)航的研究大都是純理論研究和全數(shù)字仿真，如何將理論知識(shí)和研究成果轉(zhuǎn)化為工程應(yīng)用，已是刻不容緩的問(wèn)題。通過(guò)搭建有效的半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)來(lái)評(píng)估地磁匹配導(dǎo)航理論研究，是能否實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用的一個(gè)重要環(huán)節(jié)?；诖藢?shí)際需求，本文設(shè)計(jì)了一種基于模擬多特征向量的地磁匹配導(dǎo)航半實(shí)物仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以高精度模地?cái)M地磁場(chǎng)，為地磁匹配導(dǎo)航算法驗(yàn)證等實(shí)驗(yàn)提供了可靠平臺(tái)。

1地磁匹配導(dǎo)航原理

地磁場(chǎng)是地球的基本物理場(chǎng)，包含豐富的參數(shù)信息，如地磁總場(chǎng)、地磁三分量、磁傾角、磁偏角和地磁場(chǎng)梯度等。這些參數(shù)為地磁匹配導(dǎo)航研究提供了豐富的匹配信息，是研究地磁導(dǎo)航的基礎(chǔ)。

地磁匹配導(dǎo)航原理是地磁匹配導(dǎo)航半實(shí)物仿真的理論基礎(chǔ)，其原理如圖1所示。利用安裝在載體上的磁場(chǎng)傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量地磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與地磁場(chǎng)基準(zhǔn)圖進(jìn)行匹配，從而確定載體的位置信息。具體過(guò)程分為以下幾步：

1）規(guī)劃航跡所經(jīng)過(guò)的地磁匹配區(qū)域，并將該區(qū)域劃分成網(wǎng)格并繪制出地磁基準(zhǔn)圖，將基準(zhǔn)圖存儲(chǔ)在導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中;

2）當(dāng)載體經(jīng)過(guò)地磁匹配區(qū)域時(shí)，開(kāi)啟地磁匹配導(dǎo)航模式，由安裝在載體上的地磁傳感器測(cè)量所經(jīng)過(guò)區(qū)域的磁場(chǎng)強(qiáng)度。當(dāng)載體按照預(yù)定軌跡飛行一段時(shí)間后，將測(cè)量得到的一系列地磁特征值生成一組實(shí)時(shí)測(cè)量序列，經(jīng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳送至導(dǎo)航計(jì)算機(jī)，構(gòu)成實(shí)時(shí)圖;

3）導(dǎo)航計(jì)算機(jī)選擇相應(yīng)的地磁匹配算法，將實(shí)時(shí)圖與地磁基準(zhǔn)圖進(jìn)行匹配解算。通過(guò)算法選擇最佳匹配位置，判斷實(shí)時(shí)圖在地磁導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫(kù)中的位置;

4）輸出載體的實(shí)時(shí)位置，糾正載體的航跡誤差。

2地磁場(chǎng)多特征向量模擬生成器

在地磁匹配半實(shí)物仿真中，最重要的是在仿真回路中模擬生成地磁場(chǎng)，并將磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x引入仿真回路。模擬地磁場(chǎng)需要地磁場(chǎng)模擬生成裝置，模擬載體所經(jīng)過(guò)匹配區(qū)域的地磁場(chǎng)變化，并由載體安裝的磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x得到實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)。

2.1地磁場(chǎng)要素

地磁場(chǎng)矢量可以分解為地理坐標(biāo)系的7個(gè)特征量，如圖2所示，稱(chēng)為地磁場(chǎng)要素。三個(gè)方向的地磁場(chǎng)強(qiáng)度分量（北向分量，東向分量，垂直分量），水平強(qiáng)度，總磁強(qiáng)度，磁傾角和磁偏角。除了這七個(gè)特征量之外，還有多種衍生特征，如梯度和梯度張量。由于每個(gè)特征量包含的信息量不同，隨時(shí)間變化程度和地磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x和測(cè)量環(huán)境之間的差異，并非所有的特征量都適用于地磁匹配導(dǎo)航。根據(jù)可用的最優(yōu)匹配特征量的選取準(zhǔn)則可知，總磁強(qiáng)度分量是最優(yōu)選擇。它在空間上變化劇烈，能夠提供實(shí)現(xiàn)精確定位導(dǎo)航所需要的信息量，具有高測(cè)量精度。

在地磁場(chǎng)的七個(gè)要素中，只地磁場(chǎng)的三個(gè)分量彼此獨(dú)立，分別是地磁場(chǎng)三個(gè)方向的地磁場(chǎng)強(qiáng)度分量X，y，Z。其他四個(gè)要素可以通過(guò)空間幾何關(guān)系推導(dǎo)獲取，如公式（1）所示：

2.2地磁場(chǎng)多特征要素模擬器

相比單一的模擬地磁場(chǎng)總場(chǎng)分量，模擬地磁場(chǎng)多特征向量能使半實(shí)物仿真系統(tǒng)精確度更高，能更準(zhǔn)確的反應(yīng)實(shí)際地磁場(chǎng)特征值，并且可以滿(mǎn)足地磁匹配導(dǎo)航中更多的實(shí)驗(yàn)需求。在模擬地磁導(dǎo)航多特征量的半實(shí)物仿真系統(tǒng)中，理論上只要能夠形成相對(duì)足夠的均勻磁場(chǎng)區(qū)域，就能夠滿(mǎn)足地磁匹配導(dǎo)航中所有需要的實(shí)驗(yàn)要求，包括更精確的磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x型號(hào)選擇與配置、載體干擾磁場(chǎng)的研究與補(bǔ)償、地磁匹配算法的驗(yàn)證等。

地磁場(chǎng)多特量模擬器與地磁總場(chǎng)模擬器相似，不同之處在于前者需要模擬地磁場(chǎng)的多個(gè)特征量。由公式（1）可知，通過(guò)已知的地磁場(chǎng)的三個(gè)方向的分量X、y、Z，就可以得到磁傾角I、磁偏角D、總場(chǎng)F和水平分量H等多個(gè)特征量。因此，需要模擬地磁場(chǎng)多特征值，只需要模擬生成地磁場(chǎng)三分量x、y、Z即可。目前常用的模擬磁場(chǎng)生成裝置大多采用通電線(xiàn)圈，本文設(shè)計(jì)的地磁場(chǎng)多特征量模擬生成裝置如圖3所示，由三組單軸亥姆霍茲線(xiàn)圈組成，每組線(xiàn)圈兩兩正交且共軸心。

亥姆霍茲線(xiàn)圈由兩個(gè)線(xiàn)圈組成，這兩個(gè)線(xiàn)圈具有相同線(xiàn)圈匝數(shù)，相同纏繞方式，同軸平行放置并且線(xiàn)圈間距等于線(xiàn)圈半徑。當(dāng)兩個(gè)線(xiàn)圈通入相同的電流時(shí)，在兩個(gè)線(xiàn)圈軸線(xiàn)中點(diǎn)周?chē)墚a(chǎn)生一定區(qū)域的均勻磁場(chǎng)，如圖4所示。通過(guò)在三個(gè)方向上設(shè)置亥姆霍茲線(xiàn)圈，并讓他們兩兩正交，就可以生成三個(gè)方向上分別可控的磁場(chǎng)強(qiáng)度，用來(lái)模擬地磁場(chǎng)三分量。

2.3半實(shí)物仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的地磁匹配導(dǎo)航半實(shí)物仿真系統(tǒng)如圖5所示。地磁場(chǎng)多特征向量模擬生成裝置、磁力計(jì)、磁探頭、仿真計(jì)算機(jī)和高穩(wěn)定度程控電流源串聯(lián)組成閉環(huán)仿真回路。其中最重要的組件是地磁場(chǎng)多特征向量模擬器。地磁匹配導(dǎo)航所需的總場(chǎng)分量，由模擬裝置提供的三分量X，y，Z解算獲得。模擬器生成的地磁場(chǎng)三分量，為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)提供了更多的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，包括為地磁匹配軟件和載體干擾補(bǔ)償軟件提供實(shí)時(shí)地磁場(chǎng)，驗(yàn)證地磁匹配解算軟件性能等。

該系統(tǒng)中的實(shí)物部分是在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬飛行器在實(shí)際運(yùn)動(dòng)中所經(jīng)歷的多特征向量地磁場(chǎng)環(huán)境。其中所用到的磁力儀探頭和磁力計(jì)是武漢大學(xué)磁傳感實(shí)驗(yàn)室研制的FGM2000型三軸磁通門(mén)磁力計(jì)和磁探頭，其測(cè)量范圍為0-±70000 nT，分辨率為0.2nT，采樣頻率10Hz，具有RS232接口，能夠與計(jì)算機(jī)連接進(jìn)行通信，此儀器還具有補(bǔ)償背景磁場(chǎng)功能，即打開(kāi)背景補(bǔ)償開(kāi)關(guān)，將背景磁場(chǎng)補(bǔ)償?shù)?，這樣就可以排除背景磁場(chǎng)的影響，得到除去背景磁場(chǎng)的三軸磁場(chǎng)值;高穩(wěn)定度程控恒流源是中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院研制的SCS1001高穩(wěn)定度程控恒流源，是專(zhuān)門(mén)為產(chǎn)生高穩(wěn)定度磁場(chǎng)線(xiàn)圈的配套電源，電源采用數(shù)字調(diào)節(jié)輸出電流，具有RS232接口，能夠進(jìn)行智能控制。其輸出電流范圍為0-100mA，最高輸出電壓為10V，電流調(diào)節(jié)精度極高，為0.1uA。

3結(jié)束語(yǔ)

本文探討了地磁導(dǎo)航半實(shí)物仿真在工程應(yīng)用中的重要作用，并介紹了地磁匹配導(dǎo)航原理從地磁匹配導(dǎo)航的工程化需求出發(fā)，設(shè)計(jì)了一套地磁匹配導(dǎo)航半實(shí)物仿真系統(tǒng)，并將實(shí)物地磁場(chǎng)多特征向量模擬器引入系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)地磁場(chǎng)多特征量的模擬，能更好的反應(yīng)地磁場(chǎng)真實(shí)情況，提供了多樣的地磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，為地磁匹配算法及其算法性能驗(yàn)證、載體干擾磁場(chǎng)的分析與補(bǔ)償?shù)群罄m(xù)研究工作提供較為真實(shí)的實(shí)驗(yàn)條件。