CN115265595A - 地磁导航系统磁场模拟测试环境发生装置 - Google Patents

地磁导航系统磁场模拟测试环境发生装置 Download PDF

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CN115265595A CN202210846916.3A CN202210846916A CN115265595A CN 115265595 A CN115265595 A CN 115265595A CN 202210846916 A CN202210846916 A CN 202210846916A CN 115265595 A CN115265595 A CN 115265595A
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赵鑫宇
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Abstract

地磁导航系统磁场模拟测试环境发生装置涉及地磁导航测试技术领域，解决了现有技术中无法提供复杂的地磁梯度场，并且无法产生均匀稳定、大小方向可控、磁异常环境构建合理的地磁场实验环境的技术问题。本发明能够提供大小和方向可控的、受干扰程度低的地磁导航装置测试环境，为验证导航算法的可靠性提供了环境基础；自行设计和组合出模拟地磁场磁异常环境的磁场区域，结合上位机仿真快速得到磁场测试空间内的高分辨率地磁基准图数据库，使地磁图的构建更加便捷，不必花费大量的人力物力进行实地测量与数据验证；机械结构简单，便于安装及运输；根据需要的环境大小进行改装，尺寸设计灵活，能够满足复杂情况下的地磁导航系统测试环境需求。

Description

地磁导航系统磁场模拟测试环境发生装置
技术领域
本发明涉及地磁导航测试技术领域，具体涉及一种地磁导航系统磁场模拟测试环境发生装置。
背景技术
地磁导航是根据磁场传感器测得的地磁场数据与地磁数据库进行匹配定位，从而引导和修正载体运动的方法。地磁导航因具有全地域、全天候、无源抗干扰等特点而广泛应用于航空、航天、地面及水下运载体等多种导航定位领域。
地磁导航技术主要包括地磁场基准图数据库的构建、地磁数据测量和地磁导航算法三个部分。这三个部分的顺利实现依赖于可靠的地磁场环境。虽然采用地磁场仿真模型如IGRF和WMM模型可以在地磁总场上对地磁场做初步的构建，但是对于一些磁异常区域不能够很好的体现且磁场分辨率低。一般构建精确的地磁场模型需要昂贵的磁测设备进行大量的实地测量，测试过程需要消耗大量的人力物力。并且在实地测量中极易受到不确定的灾难性空间天气和人文活动产生的磁场干扰，导致数据可靠性不足，为后续地磁导航算法验证增加了不可忽视的干扰。并且地磁匹配导航算法在测试时所需要提供的地磁场磁异常环境，现有的技术专利和论文中的方法都不能很好的解决这一问题。
CN103901361B公开了一种基于三维方形亥姆霍兹线圈的磁场模拟系统，在相对于地磁导航领域，该系统无法提供更为复杂的地磁梯度场和对磁异常区域的模拟。CN104748762B公开了一种高性能地磁场模拟装置设计及制作方法，该装置较为复杂，且无法有效模拟磁异常区域。上述发明的磁场发生装置应用在地磁导航领域各自都存有局限性，无法产生均匀稳定、大小方向可控、磁异常环境构建合理的地磁场实验环境，而且极易对实验结果造成不必要的环境干扰。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种地磁导航系统磁场模拟测试环境发生装置，解决了现有技术中无法提供复杂的地磁梯度场，并且无法产生均匀稳定、大小方向可控、磁异常环境构建合理的地磁场实验环境的技术问题。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
地磁导航系统磁场模拟测试环境发生装置，该装置包括：上位机、直流电流源、三维方形亥姆霍兹线圈、磁异常模拟装置和磁场传感器；所述上位机设置所述三维方形亥姆霍兹线圈上电流的大小和方向，并控制所述直流电流源，将所述直流电流源的电流加载在所述三维方形亥姆霍兹线圈上，改变所述三维方形亥姆霍兹线圈电流的大小和方向，使所述三维方形亥姆霍兹线圈内磁场进行三分量的叠加；所述磁异常模拟装置改变所述三维方形亥姆霍兹线圈内的磁场；所述磁场传感器采集所述三维方形亥姆霍兹线圈内磁场，并将磁场数据上传至所述上位机中，所述上位机根据设定磁场值调整所述直流电源流的大小和方向，实现理想磁场模拟测试环境中的磁场值。
优选的，所述上位机与所述直流电流源连接，所述直流电流源与所述三维方形亥姆霍兹线圈连接；所述磁异常模拟装置设置在所述三维方形亥姆霍兹线圈内或附近；所述磁场传感器设置在所述三维方形亥姆霍兹线圈内，并与所述上位机连接。
优选的，所述三维方形亥姆霍兹线圈是通过三组相互垂直的方形亥姆霍兹线圈组正交构成，对应地磁场的磁场三分量；每一组方形亥姆霍兹线圈分别同轴放置，且具有相同的匝数、绕线方式和电流方向。
优选的，所述磁异常模拟装置包括：定位板、支撑骨架、定位杆和底座；所述多个支撑骨架的上下两端分别安装在定位板和底座上，且均匀分布在定位板和底座的周边；所述三维方形亥姆霍兹线圈设置在所述底座上，位于定位板、支撑骨架和底座围成的范围内；所述定位板上设有多个定位孔，所述定位杆的一端通过定位孔安装在所述定位板上，定位杆的另一端，位于所述三维方形亥姆霍兹线圈内，设有强磁铁。
优选的，所述定位板上设有定位孔阵列。
优选的，所述定位板的结构与所述底座相同。
优选的，所述定位杆上设有刻度值。
优选的，所述定位杆通过定位块安装在所述定位板上。
优选的，所述强磁铁通过安装在所述定位杆上的托盘设置在所述三维方形亥姆霍兹线圈组内。
优选的，所述三维方形亥姆霍兹线圈的磁场为：
Figure BDA0003753227200000031
Figure BDA0003753227200000032
Figure BDA0003753227200000033
其中：2ax、2ay、2az分别为三组线圈的边长，2lx为X方向的一组线圈之间的间距，2ly为Y方向的一组线圈之间的间距，2lz为Z方向的一组线圈之间的间距，μ0为真空磁导率，N为绕线匝数，Ix、Iy、Iz为三组直流电流源的控制电流，Bx、By、Bz为位置(x,y,z)处的磁场三分量大小。
本发明的有益效果是：
1.本发明能够提供大小和方向可控的、受干扰程度低的地磁导航装置测试环境，为验证导航算法的可靠性提供了环境基础。
2.本发明可以自行设计和组合出模拟地磁场磁异常环境的磁场区域，结合上位机仿真可以快速得到磁场测试空间内的高分辨率地磁基准图数据库，使地磁图的构建更加便捷，不必花费大量的人力物力进行实地测量与数据验证。
3.本发明机械结构简单，便于安装及运输。并且可以根据需要的环境大小进行改装，尺寸设计灵活，能够满足复杂情况下的地磁导航系统测试环境需求。
附图说明
图1本发明地磁导航系统磁场模拟测试环境发生装置原理框图。
图2三维方形亥姆霍兹线圈组的设置示意图。
图3本发明地磁导航系统磁场模拟测试环境发生装置结构示意图。
图中：1、Xa线圈，2、Xb线圈，3、Ya线圈，4、Yb线圈，5、Za线圈，6、Zb线圈，7、支撑骨架，8、三维方形亥姆霍兹线圈组，9、定位板，10、定位杆，11、固定块，12、托盘，13、底座。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，地磁导航系统磁场模拟测试环境发生装置，该装置包括：上位机、直流电流源、三维方形亥姆霍兹线圈8、磁异常模拟装置和磁场传感器；所述上位机根据需要的仿真环境设置所述三维方形亥姆霍兹线圈8上电流的大小和方向，并控制所述直流电流源，将所述直流电流源的电流加载在所述三维方形亥姆霍兹线圈8上，改变所述三维方形亥姆霍兹线圈8电流的大小和方向，使所述三维方形亥姆霍兹线圈8内磁场进行三分量的叠加，从而达到期望的磁场环境。所述磁异常模拟装置改变所述三维方形亥姆霍兹线圈8内的磁场；所述磁场传感器采集所述三维方形亥姆霍兹线圈8内磁场，并将磁场数据上传至所述上位机中，所述上位机根据设定磁场值调整所述直流电源流的大小和方向，实现理想磁场模拟测试环境中的磁场值。
各部件之间的连接关系为，所述上位机与所述直流电流源连接，所述直流电流源与所述三维方形亥姆霍兹线圈8连接；所述磁异常模拟装置设置在所述三维方形亥姆霍兹线圈8内或附近；所述磁场传感器设置在所述三维方形亥姆霍兹线圈8内，并与所述上位机连接。
如图2所示，所述三维方形亥姆霍兹线圈8是通过三组相互垂直的方形亥姆霍兹线圈组正交构成，对应地磁场的磁场三分量；Xa线圈1和Xb线圈2组成X方向线圈，Ya线圈3和Yb线圈4组成Y方向线圈，Za线圈5和Zb线圈6组成Z方向线圈，每一组方形亥姆霍兹线圈分别同轴放置，且具有相同的匝数、绕线方式和电流方向。所述三维方形亥姆霍兹线圈8的磁场为：
Figure BDA0003753227200000041
Figure BDA0003753227200000042
Figure BDA0003753227200000051
其中：2ax、2ay、2az分别为三组线圈的边长，2lx为X方向的一组线圈之间的间距，2ly为Y方向的一组线圈之间的间距，2lz为Z方向的一组线圈之间的间距，μ0为真空磁导率，N为绕线匝数，Ix、Iy、Iz为在三组直流电流源的控制下所述三维方形亥姆霍兹线圈8每组电流，Bx、By、Bz为位置(x,y,z)处的磁场三分量大小。
为了体现磁异常环境，由三维方形亥姆霍兹线圈8内部的磁异常模拟装置实现线圈内空间中模拟磁异常区域产生的磁场变化。如图3所示，所述磁异常模拟装置包括：支撑骨架7、定位板9、定位杆10、固定块11、托盘12和底座13；所述多个支撑骨架7的上下两端分别安装在定位板9和底座13上，且均匀分布在定位板10和底座13的周边；本实施例中，所述定位板9的结构与所述底座13相同，都是正方形结构，所述支撑骨架7位于所述定位板10和底座13的四角，且与定位板10和底座13相互垂直；每个支撑骨架7相互平行。所述三维方形亥姆霍兹线圈8设置在所述底座13上，位于定位板9、支撑骨架7和底座13围成的范围内；所述定位板9上设有多个定位孔，本实施例中，所述定位孔以矩阵形式排布并贯穿在所述定位板9上。所述定位杆10的一端穿过定位孔安装在所述定位板9上，所述固定块11穿过所述定位杆10，将定位杆10固定在所述定位板9上。而定位杆10的另一端，位于所述三维方形亥姆霍兹线圈8内，设有一个托盘12，将强磁铁放在所述托盘12。根据环境要求，可以选择将所述定位杆10插到不同的定位孔内。其中，所述定位杆10上设有刻度值，所述强磁铁位于所述三维方形亥姆霍兹线圈8内的具体位置，可以通过选择不同的定位孔，和根据所述定位杆10上的刻度值选择所述强磁铁的深度来决定。
应用地磁导航系统磁场模拟测试环境发生装置对地磁导航系统的评价测试的一种实施步骤如下：
a、将上位机控制线连接到三组直流电流源，并将直流电流源输出分别接入对应的方形亥姆霍兹线圈，将三维亥姆霍兹线圈8内部磁场传感器输出接入上位机提供闭环反馈信号，同时校准此时的装置零偏抵消背景磁场造成的干扰。
b、选择强磁体固定在定位杆10下端托盘12内，选择合适的定位孔，并调整定位杆10位于所述三维亥姆霍兹线圈8内的深度后，将定位杆10固定在所述定位板9上。
c、将被测地磁导航装置固定在三维方形亥姆霍兹线圈8的中心或固定在三轴无磁转台上后放入三维方形亥姆霍兹线圈8内部空间。
d、在上位机中设置或选择需要的仿真测试磁场环境，上位机会将对应的地磁基准图数据库发送到地磁导航系统中进行匹配定位。
e、地磁导航系统会将此时传感器测量的数据经导航算法输出后发送到上位机，从而进一步评价地磁导航算法的精度以及在不同等级磁异常环境下可靠性。上位机会将本次电流源设置方案和实时磁场数据记录并保存在.txt文件或.excel文件中，便于后续的数据分析和处理。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.地磁导航系统磁场模拟测试环境发生装置，其特征在于，该装置包括：上位机、直流电流源、三维方形亥姆霍兹线圈、磁异常模拟装置和磁场传感器；所述上位机设置所述三维方形亥姆霍兹线圈上电流的大小和方向，并控制所述直流电流源，将所述直流电流源的电流加载在所述三维方形亥姆霍兹线圈上，改变所述三维方形亥姆霍兹线圈电流的大小和方向，使所述三维方形亥姆霍兹线圈内磁场进行三分量的叠加；所述磁异常模拟装置改变所述三维方形亥姆霍兹线圈内的磁场；所述磁场传感器采集所述三维方形亥姆霍兹线圈内磁场，并将磁场数据上传至所述上位机中，所述上位机根据设定磁场值调整所述直流电源流的大小和方向，实现理想磁场模拟测试环境中的磁场值。
2.根据权利要求1所述的地磁导航系统磁场模拟测试环境发生装置，其特征在于，所述上位机与所述直流电流源连接，所述直流电流源与所述三维方形亥姆霍兹线圈连接；所述磁异常模拟装置设置在所述三维方形亥姆霍兹线圈内或附近；所述磁场传感器设置在所述三维方形亥姆霍兹线圈内，并与所述上位机连接。
3.根据权利要求1或2所述的地磁导航系统磁场模拟测试环境发生装置，其特征在于，所述三维方形亥姆霍兹线圈是通过三组相互垂直的方形亥姆霍兹线圈正交构成，对应地磁场的磁场三分量；每一组方形亥姆霍兹线圈分别同轴放置，且具有相同的匝数、绕线方式和电流方向。
4.根据权利要求1或2所述的地磁导航系统磁场模拟测试环境发生装置，其特征在于，所述磁异常模拟装置包括：定位板、支撑骨架、定位杆和底座；所述多个支撑骨架的上下两端分别安装在定位板和底座上，且均匀分布在定位板和底座的周边；所述三维方形亥姆霍兹线圈设置在所述底座上，位于定位板、支撑骨架和底座围成的范围内；所述定位板上设有多个定位孔，所述定位杆的一端通过定位孔安装在所述定位板上，定位杆的另一端，位于所述三维方形亥姆霍兹线圈内，设有强磁铁。
5.根据权利要求4所述的地磁导航系统磁场模拟测试环境发生装置，其特征在于，所述定位板上设有定位孔阵列。
6.根据权利要求4所述的地磁导航系统磁场模拟测试环境发生装置，其特征在于，所述定位板的结构与所述底座相同。
7.根据权利要求4所述的地磁导航系统磁场模拟测试环境发生装置，其特征在于，所述定位杆上设有刻度值。
8.根据权利要求4所述的地磁导航系统磁场模拟测试环境发生装置，其特征在于，所述定位杆通过定位块安装在所述定位板上。
9.根据权利要求4所述的地磁导航系统磁场模拟测试环境发生装置，其特征在于，所述强磁铁通过安装在所述定位杆上的托盘设置在所述三维方形亥姆霍兹线圈内。
10.根据权利要求1所述的地磁导航系统磁场模拟测试环境发生装置，其特征在于，所述三维方形亥姆霍兹线圈的磁场为：
Figure FDA0003753227190000021
Figure FDA0003753227190000022
Figure FDA0003753227190000023
其中：2ax、2ay、2az分别为三组线圈的边长，2lx为X方向的一组线圈之间的间距，2ly为Y方向的一组线圈之间的间距，2lz为Z方向的一组线圈之间的间距，μ0为真空磁导率，N为绕线匝数，Ix、Iy、Iz为三组直流电流源的控制电流，Bx、By、Bz为位置(x,y,z)处的磁场三分量大小。
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