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1、基于网络中心的航空地磁观测的几个 技术问题*Technical Issues on Network-Centered Aeromagnetic Survey龚诚 金晓南 陈敬松 陈芳 / 中航工业无线电电子研究所航空电子系统综合技术重点实验室摘 要:地磁场是深入研究最多的地球物理场之一，携带着诸多地球物理学信息，目前地磁观测在防震减 灾、资源勘探、地磁导航、水下目标探测等领域有着广泛应用。与卫星磁测相比，飞机、浮空器等航空平 台具有航路可规划、观测高度低、受外太空磁干扰小等优点。但是，发展网络环境下的空基地磁观测，遇 到了新的技术问题，本文从航电综合的角度，给出了解决这些技术难点的可行途径。关
2、键词：航空地磁；网络中心；航空电子Keywords： areomagnetics；network-centered；avionics0 引言 地 磁 场 是 地 球 重 要 的 物 理 场 之 一，地球内部和外部环境变化都能引 起地磁场或强或弱的波动。根据各自 不同的形成机理，地磁观测在地震预 报、矿产资源勘测、地磁导航背景数 据库建立、水下目标探测等诸多领域 都有着广泛应用。现代地磁现象物理 学表明，地磁场有着及其复杂的空间 结构和时间演化结构。 地 磁 场 由 两 部 分 构 成 2 ， 一 部 分 是 由 地 质 构 造 产 生 的 ， 另 一 部 分 是 地 核 外 核 中 高 温 （
3、 4 0 0 0 ） 、 高 压 （138GPa）铁质液体的传导和对流 产生的，这部分也是地磁的主磁场。 目前主地磁场发生机理已由磁流体力 学的地球发电机理论给出了较为令人 信服的解释。对这部分地磁场的描述 已经有了各种模型，包括国际参考地 磁场（IGRF）模型 2，6、中国地磁场 （CHINARF）模型2等。从 全 球 磁 场 中 减 去 地 核 主 磁 场 后，得到许多大小不同、方向各异的 残余磁场 2 ，这部分磁场称作地磁场 异常。地磁场异常主要反映了地壳的 运动、太阳耀斑对地磁场的影响。通 常，地磁场异常是非常稳定的，然而 在剧烈的地壳活动期间，局部地区的 地磁场会发生快速变化。例如，
4、在火 山活动时，由于热退磁效应，火山附 近的磁场会发生快速变化，在地震发 生前期，由于压磁效应等原因，震源 及周边地区磁场也会发生快速变化。 据 国 内 外 相 关 文 献 报 道 ， 这 些 磁异变化除了在宏观大尺度上表现为 地磁场日变化规律异常、地磁低点位 异常，在小尺度上还影响地磁脉动规 律。典型脉动事件是周期3000.01s 的准正弦变化，磁脉动可分为两个频 段，一个频段的周期30010s，幅度 范 围 0 . 1 n T 至 数 n T ； 另 一 个 频 段 周 期 100.1s，幅度范围0.0010.1nT。通过高精度磁传感器检测地壳活动引起 的地磁脉动异常，可逐步发展成为一 种
5、地震短临监测预报的新方法3，4。 自从第二次世界大战之后，航空 磁测已经成为物探和探潜的主要技术手 段，但传统的航空磁测本质上是以平台 为中心的，以网络体系为中心的地磁观 测对航空磁测提出了新的技术挑战。首 先，航空平台上的地磁观测向量需要变 换到体系统一定义的坐标系中，并且需 要较好的时间同步精度以补偿由于外空 间辐射导致的地磁日变。其次，现有的 载机磁环境的补偿算法是50年前提出来 的5，没有航空电子系统综合技术的支 持，该算法实际上存在着严重的逻辑悖 论，不能支持向量测量的补偿，对总量 的补偿效果不能适应高精度、高分辨率 磁力仪的机载应用。 在航空电子系统综合技术取得长 足进步的背景下，
6、本文探讨了在空、 天、地立体面向防灾减灾对地观测网 络中，进行航空地磁观测需要解决的 若干关键技术问题。* 基金项目： 中航工业集团公司技术创新基金（2010F61527） 项目资助。航空科学技术42AERONAUTICAL SCIENCE & TECHNOLOGY2012/5综 述 Overview1地磁观测使用的传感器和航 空电子系统综合技术 根据探测原理的不同，磁传感器 可分为十余种，如图1所示。根据探测 精度分类，现在已经发展到测量精度为 数pT的第三代磁传感器，如图2所示。 目 前 的 先 进 技 术 主 要 集 中 在 对 第 二 代 传 感 器 的 升 级 改 进 ， 提 升 其
7、 测 量 精 度 。 如 加 拿 大 S c i n t r e x 公 司 的 CSL铯光泵磁力仪，标称精度到达了 0.01nT；美国Polatomic公司新近开发 的激光氦光泵磁力仪，灵敏度是现役 AN/ASQ-208光泵磁力仪的十倍。此 外 S Q U I D 磁 力 仪 等 新 型 敏 感 器 件 研 发 日 渐 成 熟 ， 可 望 达 到 p T 级 的 探 测 精 度 。 S Q U I D 是 建 立 在 高 温 超 导 和Josephson结效应基础之上的，利用环 境磁场对Josephson结中两个超导体的 电子波函数位相的调制作用，实现对 环境磁场的测量。 针对不同的应用，所
8、选用的磁传 感器是不同的，不能简单认为精度越 高越好。例如，水下目标探测和矿产资 源勘探关注的是地磁场异常的部分， 常常使用光泵等总量磁力仪，针对这类 应用只需在单平台上保证地磁总场强度 测量的相对精度，能够检测出某一微小 量级的磁场强度变化，即可达到检测目 的。因此，地磁观测对传感器的分辨率 有较高的要求，对磁场测量的绝对精度 要求不高。又如，地震预报和地磁导 航基础数据采集等应用关注的是地磁场 的向量值，而且是地磁场 的绝对真实值，因此需要 支持向量测量的磁力仪， 如SQUID磁力仪和三轴磁 通门磁力仪，前者的测量 精度可以达到pT量级，而 后者可以达到0.2nT的量 级。 航 空 电 子
9、 系 统 综 合 首先是应用的综合，其次 才是技术的综合。航空电 子系统应用综合的基本意义在于，由于飞行器存在相对地面的 质心运动和姿态运动，任何机载传感 器都必须考虑载机的运动才能发挥效 能。例如，光泵磁力仪在特定的经纬 度和飞机的航向，存在测量死区，因 此航空测量的航路规划，需要精心规 划，以便在一次观测作业中，尽可能 获得有效的数据。再如，当我们在体 系下进行地磁向量监测时，在平台机 体坐标系 中观测到的地磁场向量，必 须借助综合化的航空电子系统提供的 载机姿态信息，变换到统一定义的坐 标系中。2 地磁观测的时间和空间对准 问题 从本质上来说，传统水下目标探 测或者资源勘探等领域的航空磁
10、测， 是以平台为中心的。而面对防灾减灾 空 、 天 、 地 立 体 对 地 观 测 体 系 的 需 求，航空地磁观测必须确保各个平台 在本机坐标系中获得的地磁场向量， 转 换 到 一 个 统 一 的 地 理 坐 标 系 中 ， 并需要通过外推、内差等运算实现时 间同步，供应用方进行数值分析和研 判。其中，面对地震孕震期间的地磁 场异常的观测，地磁场的垂直分量具 有特殊的意义。 这在理论上可以通过一个坐标变 换得到，但机载姿态传感器（如惯性/ 卫星组合导航系统）给出的姿态测量 值总是有误差的。假定在机体坐标系 中，方位角测量精度为0.05，俯仰 角和横滚角的测量精度为0.008，安 装在机体坐标
11、系中的地磁向量传感器 的测量精度为0.1nT，载机在水平面上 给定航向作直线飞行，进行10万次蒙 特卡罗仿真 结果表明，对于典型的中 纬度地区，当变换到地理坐标系后， 可以导致数十nT的误差，其中铅垂方磁传感器类型可测量场强1. 感应线圈磁力仪 2. 磁通门磁力仪 3. 光泵磁力仪 4. 质子磁力仪 5. SQUID磁力仪 6. 霍尔效应磁力仪 7. 核旋进磁力仪 8. 磁敏二极管 9. 磁敏晶体管 10.光纤磁力仪 11.磁光传感器 12.巨磁效应磁力仪图1 不同磁传感器类型8GMR 10nT图2 三代磁传感器精度航空科学技术43AERONAUTICAL SCIENCE & TECHNOLO
12、GY2012/5SQUID 0.0011nTGMI MR Hall 100nT +综 述 Overview表1 坐标变换引起的地磁场向量观测误差9磁场向量相对机体水平轴、纵轴和垂直轴的方向余弦，()为 对自变量的导数。通过该模型便可描述载机的磁场环境。在 式(1)右端中，头三项表示了载机的永磁和顺磁材料引起的 干扰，随后六项则表示了飞机上感应磁场的干扰，最后的九 项则代表了飞机上涡流导致的磁场干扰。 考虑到BxByBzB0 0 00 0 00 0 0cos2X+cos2Y+cos2Z=1cosX (cosX)+cosY (cosY)+cosZ (cosZ)=0(2)(3)0 0 0从式(1)可
13、以看出，现有的磁环境补偿技术，完全只是 针对地磁场总量而言的。 根据是否使用单独的补偿设备，载机的磁补偿方法分为 硬补偿和软补偿两类。早期的机载反潜系统大多采用硬补偿 方法，即主动补偿技术和被动补偿技术。所谓的主动补偿技 术是利用Leliak补偿公式构造一个补偿电路，这是上世纪60 年代航空磁测系统普遍使用的方法；被动补偿技术是通过在 磁力仪周围安装铁块和通电线圈，其中铁条的尺寸和通电线 圈的电流等是通过一系列的实验确定的。 现代的载机磁补偿方法采用纯软件的方法实现，利用数 学公式和数字滤波技术，抵消载机磁环境导致的偏差，这种 方法充分地体现了航空电子系统综合的优势。尽管式(1)中地磁场的总量
14、B g无法在补偿前获得，但可 使用IGRF模型6计算获得的理论值替代。 利用采集到的数据样本(样本数大于18)，容易构造出一注： 上表中 为航向角， 0为俯仰角， 0为横滚角0向分量的误差接近5nT，如表1所示。 因此，为了使机载地磁场向量观测有意义，问题的关键 在于如何提高机体姿态角的测量精度，比现有的定姿系统提高 一个数量级。一种方法是，在现有测量精度的基础上，机载 惯导/卫导组合系统将数据刷新率从10Hz提高到100Hz以上， 借助于数字滤波技术，使得在低数据刷新率应用中，得到较 高精度的姿态估计。借鉴航空电子系统综合实践中常用的目标 跟踪基本思路，建立了一种适用于航空地磁观测的地磁场动
15、态 模型，并设计了扩展卡尔曼滤波器9，可以将地磁场铅垂分量 的估计精度提高1/3左右，即铅垂分量的误差减少至1.5nT。 由以上分析可知，通过综合航空电子系统，将飞机的导 航定位、测姿系统与磁场传感器有机结合在一起共同组成观 测系统，可发挥出最佳的系统效能。个正规方程 Ac= y 其中a1 (1) a2 (1) a18 (1)(4)3 航空平台磁环境补偿问题 载机磁环境补偿问题，一直是航空反潜专业的重要研究 课题。一方面，载机上固有的磁铁和磁化铁磁材料，会导致 磁传感器产生偏差，另一方面，飞机上的电流环路，会在周 边产生出感应的交变磁场。因此，为了获得真实的地磁场数 据，必须进行载机磁补偿。 迄今为止，对载机磁环境如何补偿还没有公开的解决方 法。事实上，最早的工作是1950年Leliak提出的18项补偿模 型5，加拿大PetRos EiKon 公司贾睿中的改进飞机磁补偿项 目总结报告中描述了该模型5，具体如下。c1 BT (1) A a1 (2) a2 (2) a18 (2) - BT
