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1、磁罗经技术的未来 一磁罗经技术综述 杨晓东吉春生 青岛海军潜艇学院 史德姜庆国 2 6 6 0 7 1 ) .，d，叫， 摘 要 本文论述了 磁罗 经 技米的发 展及在高 科技条件下由磁罗 经单一的 指 向功能， 向多 功能自 主式 池磁导航系 统发 展的综合系 统。 并给出了 地磁导航系 统的 多参数测试原理和 方法。 始铆词磁 事经传感悉航 向测速 磁罗经是船舶上的 助航仪器。 其结构简单， 使用可靠， 造价低 廉。目 前在大、 中、 小型各 类船舶上仍占 有一席之 地. 随若科 学技术的发展. 新的技术理论的出现. 古老的磁罗 经技术 将不断发扬光大， 使其不仅具 有原有的指北功能。 更
2、赋予了新的生命力， 利用地磁导航的新 型“ 磁罗经” 系 统将会展现出 诱人的前景。 液体磁罗经今昔 1 . 1粉 通磁 罗 经 磁罗经， 其敏感元件指向 磁针 是安装在悬浮于液体的罗盘上。 给由 罗盘与容纳液 体的盆 体组成的罗 盆配以消差装盆， 就构成一台 普通磁罗经。 这种磁罗经只能在罗 盘上读取船舶航 向. 故在一般舶舶上均须装 有两台磁罗经; 高层甲板的驾驶罗经及驾驶室的操舵罗经。 目 前 国内 数以万计的交通、 港作 船舶和渔船均安装这种沓甩 磁罗 经。 将一台 普通 磁罗经安装在高 层甲 板， 通 过 光学 镜片 ， 把 罗 W. 斤 示 航 向 反 射 或 投 影 到 驾 驶
3、室， 供 操 舵 使 用。 这 种 磁罗 经 就 是 目 前很多远洋运输船舶 上使用的反射( 或投影、 罗经， 1 . 2 远视磁罗经 通过磁感应探头或光电传感器将罗 盘所示航向 的角 度信号转换成电信号， 送到需 要航 向信息的部位， 再变换成机 械传角信号， 带动度盘转动， 重现船舶航向。 这种磁罗经就被称为 远视磁罗经。 以 磁通门传感器为磁感应传感器探头的远视磁罗经也称为 磁通门罗 经。 早在五 十年代. 一些发达国家就已 经研制成功， 并投入了 使用。我国 在八十年代中期， 总后车船研究所研制 成了 磁通门罗经。由 于采用了电子技米、 其 性能得到了很大的提高。 其三项关键技术: 传
4、递 误 差自动校正器、 高线性度电 子航向发送器和高灵敏度电 子航向 保护器. 使磁罗经能够发 送真航向信息， 提供给自 动 操舵仪、 雷达、 航向和方位分罗经及组合导航系 统等. 形 成完 全的 一9 0 一 葫 -、，.刀口、，.，.，.日， 。|!。J 自 主 式 磁 罗 经 导 航系 统， 并 具 有 与 陀 螺罗 经 转 换 的 功能 。 随 后 海 军 驻7 0 7 所 军 代 室 、 上 海 航 海仪器厂也先后研制了 这种磁通门罗经。 在五十年代原苏联研制了光电 式远 视磁罗经。即复示磁罗经. 原天航厂在六十年代末 仿研成功. 1 . 3磁罗 经 的 局 限 可以看出. 作为磁罗
5、经， 虽然由 普通液浮式磁罗 经且只能在一处读取航向. 发展到可在 多处 读取航向的 磁通门罗 经和复 示磁罗 经; 由 单纯的磁、 机一体的结构， 发展到磁、 机， 电 一 体结构。 其共同之处仍然 是: ( 1 ) 指 北磁敏感元件带来的先天性指向 精度低; ( 2 ) 机械传动 误 差大; ( 3 ) 自 差校正繁琐， 仍沿用百余年前由 英国天文学家爱利发明的方法. 自差的大小 仍 是用目 R A t 标或天体测定 法， 且全是手工操作， 校正自 差时， 必须 操船走十几个航向. 少则 耗 时2 - r 3 小 时. 多则半夭; ( 4 ) 占据空间位置较大， 不利于周围 铁磁性仪器的宏
6、观配置。这些 局 限性都限制了现代航海技术对地 磁导航性能的 要求。 2 直感式固态地磁罗经 对 液体磁罗 经来说， 磁罗经小型化的首要问题是罗 盘的小 型化。 而罗 盘小型化所带来的 首要间 题 是罗盘指向 力矩减小 和分 划度的 精度降低; 其次罗 经壳体过小， 消 差装置不可能 齐 备， 也会 带来较大的 航向误差。 利用 高灵敏度的磁场探测器件( 毛l 0 - 高斯) ， 直接敏感地磁. 获得有关航向的电信号， 经微处 理器计算后， 给出 勇 S 1拍 航向。 其原理框图如下: .r.，.rkLrLrrjkkFI.巨.卜 图 I 美 国在5 0 年代末， 利用高灵敏度半导体器件一粗尔
7、器件， 研制能够指向 的霍尔罗 盘， 6 0 年代才 进入使用研制阶段， 随后的 研制工作进入保密状态。 直到8 0 年代初又发表了使用 徽 处 理器的 粗尔固态罗盘. 至此引起世界各国的极大重视， 法、 日 、 前苏联等国 相继投人研制， 但一直 未见投入使用的报导。 我国 的科 技工作 者在改革开放形势的鼓舞下， 于8 0 年代中 研制成功了具有世界先进 水 平的砷化稼粗尔器件， 相继又研制成功精度高于 1 。 的桩尔罗盘用传感器。 我国第一台固态 地 磁罗 经 粗尔罗 经于9 4 年8 月在北京顺利通过了技术鉴定. 这一成果在各项指标上 达 到了国 际先进水平。 被专家们 誉为 磁罗经
8、技术的突破， 使得罗 盘的古国一跃而进人了世界 磁 罗经技术的 先进行列。 一9 1 一 3 地磁导航系统 3 . 1 地磁导航系统的提出 地磁导航系 统主要指的 是舰 船相对于地磁要索的 静态、 动态信息 进行综合的铡谧和处理， 从 而得到舰船的航向 、 航速和地 理位里等运动参数的导航装里， 是由 完整的软、 硬件组成的导 航仪器设备系统。 该系统主 要应有三维地磁罗经、 地磁 计程仪、 地磁定位系统等。 地磁导航是一古老的导 航手段、 借助于现代科学技 术， 综合处理来自 各类地磁传感器测 量的舰船各类运动要素， 使其成为一完整的封闭 式导航系 统。 地磁导 航的自主式与隐蔽性. 对于潜
9、艇具有非常重要意义。 隐蔽是潜艇的优势 所在， 尤其是在当今反潜装备日 趋完警的情 况 下， 隐蔽显得更加重要， 它 是潜艇生命力 和战斗力的荃本 保证。尽 管其它 导航系统具有 较 高 的 导 航 精 度， 并 可 为 导 弹 的 制 导 提 供 参 数， 但都 存 在 着 不 同 程 度 的 基 璐 因 素， 如G P S 及无 线 电 导航 系 统 属 暴 礴 式， 并 易 受自 然 环 境 和人 为 因 素 的 影 响; 惯 性 导 舫 精 度很 高， 但 造价 高 昂， 且其误差随时间积累。 校 正时据采用其它攀庵 器材。 地磁导航系 统则具有中 等精度、 全天 候. 全 球 性，
10、连 续导 航 及造 价 低 欣 的 特 点， 可 完 成较 为 全 面的 导航 功 能 指向 、 测试 潜 艇 姿 !1司IJ，J姗湘，. 态、 航速、 航向 和确定艇位。 因 此， 地磁导航系统是潜艇， 特别是常规潜艇比 较适合的导航系 统 ， 对 于 该 系 统 的 研 究 和 完 普 浑 是 十 分 必 要 和 迫 切 的 。 3 . 2地 磁 导 航 系 统 基 本 原 理 、 3 2 . 1地磁导航系 统的 构成 地磁导航系 统， 应能自 主独立连续地为舰船提供中高精度的航向、 航速、 舰位和纵横倾 角 。 如 图2 所 示， 导 航 系 统 主 要 由 传 感 器、 徽处 理 器
11、、 显示 系 统 和电 源 等 部 分 组成。 勺月1闷1! 图2 传感器部分主要包括三维地磁传感器及地磁测速传感器， 三维地磁传感器主要用来敏 感潜艇三维磁场随航向 、 姿态( 纵横倾角) 的变化; 地磁测 速传 感器主要用来获得随 航速变化 所 转 化得 到的 电 信 号， 还 包 括 对 上 述 两 部 分 电 信 号 进 行 适 t 的 调整 。 微处理器主要将由 传感器传 送来的有关航向、 姿态 和航速信息进行综合处理， 并将所得 结果以数字信号或模拟 信号形式 传送到有关的战位或显示器上去。 显示系 统主要用来 将微处理器计算后所得的航向、 航速、 航程、 舰位、 纵横倾角及 其它
12、 信 息显示出 来。 一9 2 一 电 源部分向 整个地磁导航系统提供电 能。 3 . 2 . 2 舰船航向与纵横倾角的 测量 为 讨论方便， 首先在 船舶上建立以主罗经为中心的直角坐标系。 由 于地磁传感器的大小 与船 舶钢铁到传感器的距离相比较要小得多、 故认为地磁场与船磁为均匀 磁场。 以传感器为 坐标 原点。 消 的白 首尾线为X轴， 船首向为 其正方向， 左右舷为1 轴， 右舷为其正方向， 垂直 向 下 为Z 轴 的 正 方 向， 如 图3 所 示。 坐 标 系 的 基 坐 标 为( 自 ， 能, e 3 ) 。 根据 上 面所 建 立 的 坐 标 系， 我 们 把 地 磁 场 磁
13、感应 强 度万 沿X , F , Z 三个 船 轴 方向 进 行 分解， 得到 水 平纵 分 量B x ， 水 平横分量B , ， 垂直分量B z ， 亦即在舰船平正时， 有 B , = B c o s 必, c o s MC B , _一B c o s 必,u s i n MC B 二 B s i n 必。 t g MC，一么 ( 1 ) 式中 ， 必 . 为 磁 倾 角， M C 为 水 平 面内 万的 投 影与 度 X轴的夹角， 即与船舶首尾线的夹 角， 也称其为磁航向。 当舰船纵倾为a 角， 横 倾为刀 角 时， 有 图3 刀 x ， =B x c o s a +召 3 0 1 a刀
14、， ， =B r c o s ( 1 +B z s i n /1 刀、 t o m e = 一二 ， i s 二 由于B x , B , , B : 和B x , B , , B . ， 均可通过汉 ( 量得 到， 故磁航向M C , 纵倾角a , 横倾角岁 可由 上 式中解 得。 在对上述B x , B ) , B z 和B x , B ,- , B z ， 的测量. 实际是得到的由 磁场传感器输出 的 各分量 相应的电压 值 r . 。 。 磁场传感器的输入 输出 特性为 V - 1 = Ko十 K, ( i , r ) B, 式中 ， ， 为传感器的输出量, B . 为传感器所敏感的磁场
15、强度分量, K 。 反映了传感器的零位 输出 ， K ( i , r ) 反 映 了 传 感 器的 线 性灵 敏 度， 其中 的: ， 。 ， 为 磁 场 传 感器 工 作 电 压 和电 流。 3 . 3 . 3 舰船舱主 的测量 如图4 所示， 舰船对地航行速度为F ， 将其沿前面所述坐标进行分解， 得到纵分量V I I ， 、为f与4 “ 之 间 的 夹角 。 设有两段导线A A 和B B ， 其长 度均为1 ， 并分别与舰船相对固定。 根据物理学中的电 磁感应 定律， 当舰船运动时， A A 和B B 将分别切割地磁场磁力线， 所产 生的感生电动势 分别为 E A A =B 1 “ I
16、. 1 . , E B B , ，B 1 “ ! V , ( 3 ) 且 V 一 % L; - 4 ; lg y 一 决( 4) L 工J A X A r 1* 万 XX .反匕吸 XX只 由 上 式 可 知 ，r 为 为 知 ， 在 测 得E A A , E B ， 和B 1 后 ，X 则速度F 及夹角y 均可求得、 测速传感器原理如图5 所示， 为减小传感器 的 尺寸， 将导线缠绕成线圈状， 并将一边用玻莫合 金包裹起来。 只用另外一边来 感应磁场， 并对所获 得的电 信号进行适当的调整。 两个测速传感器的 结构完全相同， 安装时应相互垂直。 3 . 3 . 4 舰船的定位 图4 设舰船初始测得的舰位为( 必o , 4 ) + 航行时间 后的经、 纬 度为( 必， 劝， 由 式( 2 ) , ( 3 ) , ( 4 得磁航向与航速分别为 . 了B,- 、 了 = 乙 口一 ， 一 号 尸 n aj一 之 E AR - E eeB 1 .! 图
