, 9 9 3

年第4期

声学与电子工程

总第3

2

期

6 1项自动磁补偿系统吴文福

(第七一五研究所)

摘要为中心修正.、

根据飞机小幅度机动下的磁干扰场方程

.

6用测地磁补干扰的方法设计出以 1位微机,

以三轴矢量磁力仪为航向姿态敏感元件的自动磁丰。

隙系统6 1

。

它解算一组数字补偿量。

,

自动

摒弃了磁辛附加线圈使用本辛系统 6分钟即可完成嵘碟航空探测磁探测器磁补偿

项系数的计算

关键谕

引言由于飞机上各种磁干扰陇噪声 )远大于磁测仪器的固有电噪声量仪器,

,

即使是高灵敏度的航磁测。

在实际运用中也很难发挥出仪器在通常情况下的最高探测水平。

航磁测量仪的实际探,

测能力取决于它对外部磁干扰的抑制能力机动有关,

飞机上的磁干扰可以归并为两种

一种与运载体的

另一种与机动无关

。

由地质异常缓慢变化形成的磁干扰和由运载体用电设备的开关引起的瞬间跳变的磁干扰属于和飞机机动不相关的干扰。

,

这两种磁干扰的频率一般落在磁探仪检测带宽以外。

,

只要设计

性能较好的带通滤波器就可以抑制掉

本文着重讨论与机动有关的磁干扰的抑制问题干扰,

。

这种由运载体机动所造成的不可避免的磁,

不仅在强度上比被探测目标的有用信号大数十倍。

而且它的变化速率正好落在磁探仪检

测带宽范围之内

因此

,

克服这种干扰是很困难的,,

。

克服机动状态下的磁干扰通常采用补偿法其中有两种可能的补偿方案补干扰场,

。

一种是

“

测干扰

”

,

就是通过首先实测磁干扰特性,

然后提供一组与磁干扰量大小相等方向相反的补偿。

将干扰抵消掉

使磁探仪仅输出需要检测的有用磁信号。,

显然,

,

这种补偿法的精度取决于,

实测干扰特性的精度另一种是不足。

磁干扰量虽然比被测目标磁信号大数十倍

但与地磁总场相比。,

它仅是

地磁总场的几百分之一“

在这样大的背景磁场下测量干扰场”。、

,

测量精度大大减低

测地磁补干扰

这是一种反其道而行之的补偿方案.

恰好弥补了上述方案的,

飞机磁干扰可以按飞机的纵向,

横向和垂直向分成三个干扰分量

这些磁干扰分量比例。

于地磁场的水平与垂直分量

因此只要测得地磁场的三个分量

。

6按照自动磁补偿算法求出 1项

系数

,

就可组合一组补偿量

这样

,

补偿精度就取决于干扰系数的计算精度了.

数字式自动补偿系统比以前的模拟式川磁补偿器有一明显优点般要进行几个航次约 3~4个飞行小时的补偿飞行,

即速度快

。

模拟补偿器一

而数字系统只需 6分钟的标准机动飞行就可

6完成 1项系数的计算

,

实现自动磁补偿,

,

采用数字信号处理技术后。

,

可通过软件设计自动形成,

一个复合补偿场

.

因而无需补偿线圈

可以减小探头体积和重量,

补偿精度也高

对任意航向。

、

任意机动动作引起的磁干扰均有明显的补偿效果

而且无需对被补偿干扰量进行简化合并,

本文叙述了数字式2

1 6项自动磁补偿器的组成

软硬件的设计特点及其试验结果

。

飞机磁干扰和数学模型飞机磁干扰主要由三部分组成:永久场、

感应场和祸流场,

。

永久场H设U,,

p d

由飞机上各种恒磁物质和电流源所产生,,

可分解为与飞机横轴 To x c s,

、

纵轴 L和垂。

直轴 V相平行的分量尸,

气凡,

,

。

磁探仪所检测的是这些分量在地磁场从方向上的投影轴上的单位矢量「

叭叱为飞机 T口T,

L

,

V

,

叭

一

从

一

o y c s。

,

叭

别是地磁总场 H声

L

,

V

轴构成的方向余弦

。

飞机座标和角度定义参见图 l

偏航角

丫产图l

基本座标和角度的定义

因此

,

永久场的数学表达式为

Hp

一一

川艺

3

尺从.

感应场 H

、 d

是飞机上铁磁物质在地磁场感应下产生的磁场

它在地磁总场上的投影产生

的干扰可以表达为3 3a

从涡流场 H。d

d=

戈= I J= l

艺叉

。

从马,

是飞机上导电材料在飞机运动中切割地磁场所产生电流引起的磁场、

此电流

产生的磁干扰与叭

从叭的时间导数成正比表达式为33

、

。

万

_

。

=

曰乙“乙戈= l沙= l

V

V

b幻

从v j

当飞机中产生干扰的材料被固定后

,

在一定地磁条件下

,

“。

和气与地磁场和航向角有皿

关

。

由磁探仪测量的是地磁场与这三种干扰场的复合场 HH。二

。:

H

p。‘。

从

。‘

H

。

。

6上述方程简化后可得到表 l所示的 1项系数表1永久

6 1项磁干扰系数场祸’从b::

场

只代

{}} 1

感应’ 1:.

流(tt一

场,v

1}

‘丁丁‘了“‘丁

一

“‘丁‘ y

.

)H

.

’‘一’

‘

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b

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一

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.

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’

一

…’”’

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’

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一

t

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‘“乙

’“

’

,1

.

t

LH

1s

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“

犷“

’“

’

bbb

二

(L L一r

V

F

)H .

”

一

LH犷

.

,

一一

t

H

.

b

, 2

Lv H

.

飞机在基本航向上按直线航迹作小幅度机动时

,

通过代( ) t阴,

一

t长( )

+

>长且长,

>

是长(叱与

航迹有关的方向余弦 )

.

可得简化的小幅度机动方程(t )=

t ( )

:

认 2 v l+

w

Z v Z十

W

3 v z

十

W

4

v

Z

其中,.,丫一十

2t,、一

气

=

p

:

一

p

3

!客,

j t a

一

j s a

刹它?二

护

‘’

,

\

2二

阵客

广、

价,

2, l

3

自动磁补偿算法用微机实现飞机磁场的补偿是按小幅度机动磁场方程 (进行的 ) 1。

这里关键是选择一组标准。

机动飞行法

。

利用永久场2

、

感应场和祸流场的不同性质,

6可以分离并求解出 1项系数,

计算机

模拟证明

3 1

,

在四个基本航向上,,

分别作俯仰和摇摆标准机动

并采集机动信号.

,

就能解出航,

￡一 1迹常数 w‘(

3

,

) 4

,

再根据小幅度机动磁场方程列出两个线性方程组;。

用w

和凡方程求

解永久场和感应场的 8个系数用气和气方程求解涡流场的 8个系数2所示。

机动数据采集流程图如图

竺[竺竺

}

N

, .

俪仰机动计算 r、一

<

跟P冲W4N P

W

ZN甲,

W

3N R

,

!

晌摇摆赫仰机动同上计算几

WZ SE

P

W

3S R

.

W4 S

P

向摇摆和俯仰机动

同上计算 r、

WZ E

P

,

W

3 ER

,

W

4E P

w},

,

~W

仰机动

同上

.

计算 r么

Z认甲

,

W 3W又 W,

中刃 P

图

2

机动数据采集流程图。

机动动作没有偏航动作要求

,

只需 8个标准动作。

但每个航向都应包含一个摇摆和一个俯,

仰动作相减,

。

t用软件实现一组复合补偿场 y ( )

这个复合补偿场与每次重新收集的未补偿信号:

t ( )

就可得到补偿后磁探仪输出信号 f t ( )f (r)=

少

( r)一

5

(r )

2 ()

复合补偿场产生的原理框图如图 3所示

。

‘-

几

丁}

!

}}W W

:

一

。

:

、

2

、

:

,

:

,

p

,

,

1}{厂}.

Z

{

1

一

‘

一,”3 1

:

】,

一

’,

’

}}}一W】

’】3 !

、

b

1 1,

b

l:

’

y (t )一

,

(t )

广{厂「}

”

,】,

”

,

{4

W

4

一

;

仅

:

:

’2

;了’

b”

’

b”

{3

W;

;

图

复合补偿场原理框图

6 1项

自动磁补偿系统、

按照自动补偿算法的要求计算 1 6项系数们的变化量.

首先要确定航迹常数,

落 (公一,

l 2,,

3

,

) 4

,

通过气线性方程组,

。

因为航迹常数比例于地磁场的三个分量.

即方程中的 U。

:

U

Z

和忆

,

因此系统

必须配置一套三轴矢量磁力仪

用于测量地磁场三个分量。

由该三分量的输出可进一步得到它

从而实现对涡流场的补偿

1 4

自动磁补偿系统基本原理6图 4给出了 1项自动磁补偿器原理框图中断控制6 1。

位微处理机系统统

橄盘监控控主控程序数字滤波

双笔宝录器己

磁补偿方式检侧方式

机动控制

’

圆巅 O图4

6 1项自磁补偿器原理框图动

6 0 6处理机采用 8/ 2为主板的 1位微处理机系统.

,

主频为8 M H:

。

处理机在键盘监控程序引导,

下

,

主控程序按两种工作方式设计,

:

补偿方式

,

6完成 1项系数的计算;检测方式,

根据已求得。

的系数自动完成实时补偿计算

并与输入信号相减得到补偿后的信号。。

最后由双笔记录器记录,

与此同时

,

监视器显示补偿后的曲线UZ

三轴矢量磁力仪实际上是磁通门式磁力仪而提供方向余弦 U:,,

正交的三个传感器用来测量三个地磁分量。。

从

叭其中U。

;

,

认按算法要求进一步提供航向姿态信号使补偿系数计算能有序地进行。

机动控制信号采用两级中断选择4 2.

,

三轴矢量磁力仪原理图 5给出了矢量磁力仪中一个分量的硬件组成框图

磁灵敏元件用来感受外磁场变化和饱和特性实现磁电信号转换。

。

利

用高导磁率软磁材料

—坡莫合金的磁化曲线的非线性

、

礼/乓丁、l

亢洲日厂汁渺

带沮派功波

放

大

相敏检波

积分器

功放

激励源

移相器

图

5

单轴向矢量磁力仪原理框图

这种磁力仪采用闭环反馈系统组 W上将有二次谐波信号.,

,

大大提高了系统的稳定性和跟踪特性。

。

激励源提供使敏感元件深度饱和的激励电流其相位与夕场随,「

若夕场滋

T,

。

作用到探头轴线上。。

,

在信号绕

T

。

的极性相对应

幅度与几成正比。

该信号经带

通滤波和放大后输入到相敏检波器

相敏检波器的参考信号由激励源提供,

相敏检波器提供极因为积分器的输出,

性由外磁场 T

。

决定的控制电压R,

,

输入到积分器电流 I,.

完成系统的闭环控制

电压经由反馈电阻

产生一反馈

送入反馈饶组愁

若凡线圈常数为 A。

则反馈场为。

几统。

一

. A

I,

。

器的输出电压

“

。

毛的作用是抵消夕场几使作用于敏感元件的总有效磁场趋于零积分磁则反映了几的大小亦即外磁场之大小这一闭合环路称为动态反馈系,,

构成动态反馈系统后。

W

.

线圈上的误差信号将很小,

,

使敏感元件在仪器测量范围内基。

本处于零场工作状态5

这样就大大提高了线性度和稳定性

减小了电路参数变化对输出的影响

软件设计全部软件用汇编语言和 C语言混编而成.,

6由于 1项系数的计算需要在不同航向和不同机动。

飞行中收集数据

,

因而采用菜单提示

,

按功能键选择工作方式

对于复杂的计算公式

,

用c语

言编程

,

不易出错。

,

代码效率亦较高,

。

补偿方式的程序框图如图 6,

。

飞行动作结束

,

6 1项系数。

也就计算完毕

在检测方式

6使用求出的 1项系数

按前所述完成自动实时补偿输出

初始化

打开文件

打开文件件

打开文件

打开文件件

预处理相关积分

预处理

预处理相关积分

预处理相关积分

相关积分分

求解航迹迹参数

求解航迹参数

求解航迹参数

求解航迹迹参数

组合方程组组歹差方程娱歹规方程怔

组合方程组求解气

解出 1曰项系数误差分析

求解几几

j

图

6

补偿方式程序框图

6

试验图7是方案试验的实际记录曲线图8是补偿前后,

。

为了作比较。

,

I由微处理机的 D,

A

同时给出两个输出。

:

未补

偿的输出和经过补偿的机动状态下的输出很明显而无法识别.

补偿后的输出大大抑制了干扰。

对一条船模的探汉能力的测试 (。

补偿前

,

船模产生的磁信号被干扰掩没

补偿后则极易识别

补偿前辛喂

前南航向摇摆

) a (南航向俯仰

补偿后}

}份卜洲一瑞一 l l.

一~~一一‘‘‘l )

.

~~::每,..

二.,

1

卜~~、 . .~‘一

一

}

卜

一~‘~

}:

信号

) c (东航向摇摆

图

7

补偿前后的磁探仪输出信号比较

图

8

补偿前后磁探仪探测能力测试

评价补偿精度可以用补偿前后的品质因数于O M )的改善比来衡量8

。

FO

M定义为

F

M o

=

不二 l

艺

N训*

其中的比值。

气

,

为飞机标准机动时不同动作下的磁探仪输出噪声,,

。

改善比为补

偿前后品质因数,

试验结果表明

对不同干扰量和不同类型干扰的改善比平均为 7

4

。

统计 7次试验结果。

发现

,

小干扰量的改善比反而变差、

这是磁探仪探头自身的F M以及环境磁梯度过大的缘故 o。

本文内容涉及的硬。

软件研制和试验工作是集体完成的。。

孙增梅同志研制出符合设计指标、

的三轴矢量磁力仪及其外围控制电路了大量工作

磁探仪项目组的全体人员为软(下接第3页) 0

硬件调试和系统试验作

在此谨致衷心感谢

图 1中C L (清零信号 ) R

,

S T A R T (开始信号 )

,

A c T护A ss (

主被动选择信号 )由主机控制,

,

A Ps,

信号来自信号处理机A P s信号

,

只有当第一个月名信号的下降沿到来时.

k数据才开始从 u n链上输出

高电平时禁止输出

以使模拟器与处理机实现同步

。

4

数字口的检验检验实现框图如图 2。

卜巴〔 11 01

锁存器

.

寄存器

口A

洲

逻辑控制制

k

锁器洲存.

图

2

数字口检验实现框图,

数字口的检验需将 U芯片,

n

k

链上的串行数据解调出来一

变换成并行数据,

。

再利用一块 I s M。。

一

c ol

将它的串行口和数字口 I s M

c ol

的串行口相连,

即可实现这一功能

从并行数据中随意这样就。

挑选所要观察的某路水听器通道或传感器数据能判断各路信号或传输过程是否正确5,

经D I

A

变换后可直接观察其模拟信号

从而实现数字口在与信号处理机连接前的自检

结束语本文介绍的模拟器数字口的设计已在实际工作中多次应用证明符合接口规约,,

性能可靠

。

数字口检验板也在实验及联调中多次使用

,

它已成为数字口检验的有力工具

。

(上接第2 1页)

参考文献l

吴文福

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“

海燕

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