弹载磁阻传感器地磁场探测使用域分析研究

郭庆伟，高敏，王红飞

（1.军械工程学院，河北石家庄 050003；2.65161部队，辽宁朝阳 122400）

弹载磁阻传感器地磁场探测使用域分析研究

郭庆伟1，高敏1，王红飞2

（1.军械工程学院，河北石家庄 050003；2.65161部队，辽宁朝阳 122400）

弹道修正是简易制导化的重要发展方向，其关键技术之一就是弹体姿态的测量，应用磁阻传感器对地磁矢量进行测量进而获得弹体的姿态信息是目前的研究热点。该文主要对磁阻传感器在应用过程中出现的使用域问题进行分析研究，重点对地磁异常的干扰和磁阻传感器自身因素进行相关阐述，并对弹道与磁北方向平行的特殊情况进行详细地分析，为下一步的实际工程应用提供理论支撑。

磁阻传感器；使用域；磁场探测；干扰

0 引言

常规弹药的简易制导化是常规弹药改造的一个重要途径，是各国军工界研究的热点之一，可以实现低成本下常规弹药精度和战斗力的大大提高。弹道修正弹是一种低成本、高精度的简易制导常规弹药，是一个重要的研究发展方向，而弹体姿态的测量是弹道修正实现的关键技术之一[1-3]。当前，用于弹体飞行姿态测量的方法很多，但是很少能得到广泛应用。传统的姿态测量方法应用于常规弹药时大多数都受到很多条件的影响，限制了其应用范围，近年来，基于自然矢量-地磁矢量的弹体姿态测量得到了更为广泛的关注。

应用地磁场进行姿态测量的重要前提是地磁场的实时探测。目前，地磁场的探测方式通常是利用各类地磁敏感传感器，最常用的磁传感器有磁阻式、霍尔效应式、磁通门式等。磁阻式磁传感器是使用半导体工艺加工而成的，因其体积小、价格低廉、可靠性高，得到了广泛应用。因此，考虑技术和经济因素，应用于常规弹药弹体磁阻传感器是最好的选择。本文主要是针对使用域问题，从地磁异常的干扰和磁阻传感器自身因素分析弹载磁阻传感器的盲区和影响其正常工作的因素，并对弹道与磁北方向平行的情况进行详细的分析。

1 地磁异常的干扰

1.1 异常磁场的干扰

地磁场是地球的自然磁场，基本磁场是稳定的，可以通过精确的地磁模型或地磁图来分析。由于受到异常磁场的影响，产生地磁异常情况，导致模型偏差。异常磁场相对于稳定磁场可以定义为干扰磁场[4-5]，可以从以下4个方面考虑：（1）磁性矿物（如铁矿等）；（2）地质构造的变化（如板块构造、断层等）；（3）地质活动及外界因素的影响（如火山、地震和太阳磁暴等）；（4）人为因素（如铁轨、高压线等）。其中磁性矿物质的影响较为普遍，也是可以通过航测来获取异常变化，进而通过补偿等处理方法来进行相应的优化处理。但是，相对弹体的射程和飞行轨迹，地磁异常的影响是比较小的，可以在弹体上通过软硬件的设计来减小其带来的影响，如设计固定时间置位复位程序、在线标定程序等等排除瞬时异常的影响，也可以在数据处理过程中对异常数据进行剔除，提高地磁数据的精度和降低地磁异常带来的影响。

1.2 弹体磁场的影响

除了上述的异常磁场干扰以外，由于弹体材料通常是铁磁材料，也会在其周围产生干扰磁场，可以分为硬磁干扰与软磁干扰[6-7]。硬磁干扰主要是由永久磁体以及被磁化的金属所决定，这些干扰相对稳定，与弹体的坐标位置相对固定，便于分析和补偿；软磁干扰主要是由地球磁场和附近磁性材料间相互作用引起，其规律比较复杂，难以用确定的模型和方法进行分析，难以实现比较精确的补偿。对于硬磁干扰，可以通过校正补偿的方法进行修正，实际中常用的是通过软件的方法，如最小二乘补偿法、椭圆补偿、椭球补偿等；而软磁干扰可以通过试验的方法，在实际条件下利用具体的弹体环境获得其补偿值。弹体磁场带来的影响在应用中必须要考虑，也是应当重点研究分析的对象，否则会直接对测量值带来较大的误差，从而影响探测精度。

2 磁阻传感器的自身因素

2.1 磁阻传感器测量盲区

根据磁阻传感器的测量原理——磁电阻效应，当弹体的轴与地磁场方向重合时，如果两轴传感器沿垂面方向，则其轴垂直于磁场方向。此时，弹体滚转过程中，磁阻传感器的两轴上的输出始终为零，无法给出磁场的数值，进而无法进行下一步的计算和数据处理，此时即是磁阻传感器的探测盲区。在理论上，只要弹体轴与地磁场方向平行，磁阻传感器便无法给出磁场的数值。但是受到磁阻传感器分辨率和探测精度的制约，实际的盲区范围是一个空间锥角。磁阻传感器的测量盲区是：磁阻传感器所给出的磁场分量值不能满足测试精度要求的一个锥角区域。如果考虑到环境磁场的影响，盲区产生的原因可能更加复杂。在此锥角区域，将无法获得可信可用的地磁数据，就无法进行下一步的姿态解算工作，使得测量系统无法正常工作。

2.2 盲区的分析

由上节可知，传感器的测量盲区是由于其工作原理造成的，同时也是应用过程中不可避免的问题。现就以具体且常用的双轴磁阻传感器Honeywell HMC1022为例进行盲区分析，其测量磁场范围是±6 Gauss，分辨率为85μGauss。

假设磁阻传感器沿垂直弹体轴向安装，则弹体的横截面即为磁阻传感器的测量平面。弹体轴向与地磁场方向夹角为1°，地磁场强度为0.8Gauss，则弹体在旋转过程必然存在一个位置，使得地磁场在敏感轴上的地磁分量强度小于85μGauss。此时，由于地磁分量强度小于分辨率，从而无法准确测量其真实值，所得的数据也是有偏差的，无法正常敏感地磁场，此时处于其盲区范围。

从实例可以得出，盲区的范围与地磁场强度的大小、磁阻传感器分辨率以及弹体轴与地磁场方向的夹角有关[8]。如果地磁场强度的大小、弹体轴与地磁场方向的夹角都大于一定的值，盲区的范围就会非常的小；如果值较小，则可能在滚转的某些角度出现盲区。下面简单定量的分析盲区范围的大小，假定磁场强度Bs、磁阻传感器分辨率τ以及弹体轴与地磁场方向的夹角α，示意图见图1。

图1 地磁场测量示意图

如果滚转角测量误差为5°，设定此角度范围为盲区的计算阈值，此时有

满足式（1）的Bs、τ，盲区的范围在横截面上角度小于5°，也就是锥形区域的顶角小于5°。

反之，如果Bs、τ不满足式（1），则出现盲区的范围就是

此时，角度的范围就是

由于是双轴传感器，两轴相互垂直，因而会在同一方向上每轴有两个角度区域，而且在此方向的相反方向也是其盲区只是符号正负发生变化，如图2所示。

图2 盲区范围示意图（弹体横截面）

2.3 磁阻传感器的硬件条件影响

由于弹体飞行速度快，转速较高，特别是飞行过程中弹体上环境很复杂，空间也有限，对地磁测量传感器的响应速度、测量精度、分辨率、环境温度、测量域、体积及抗干扰性等均有很高的要求。地磁场属于弱磁场，现有的磁阻传感器虽然能满足弹载动态测量时对响应速度、精度和分辨率等性能指标的要求，但是在应用到弹体上时往往在体积和工作环境会受到一定的影响；因此，在选择磁阻传感器时，需要充分考虑各种影响因素。

3 弹道与磁北方向平行

3.1 基本条件分析

在磁阻传感器的测量盲区分析中，当弹体飞行方向与磁场方向平行时，磁阻传感器将无法测量其分量值。现在考虑极限情况下，当弹道与磁场方向平行时，分析其对磁场探测的影响。

现以常温弹道某型火箭弹的弹道为参考，其示意图如图3所示，弹道倾角随高度而变化：在上升弧段时，其弹道倾角逐渐减小，到弹道顶点减小至零，理论上从射角大小逐步降为零；在下降弧段时，其弹道倾角逐渐增大，到落点增大到最大。

图3 弹道示意图

不考虑地磁异常的影响，地磁场可以通过地磁模型来进行模拟和分析。利用Geomag70软件，时间设定为2012年7月30日，地点取北纬42.8°，东经124.6°，采用地磁模型IGRF2010，可以获得地磁倾角随海拔高度的变化，如表1所示。

表1 地磁倾角随海拔高度的变化

从表1中可以看出，地磁倾角随高度的变化非常小，在整个飞行过程中，其变化幅度最大为0.01°，变化率为0.02%，几乎可以忽略不计，近似为方向不变。

通过对比弹道飞行过程中的倾角变化与地磁倾角随高度的变化，可以得知：地磁倾角在弹体飞行中变化非常小，可以近似没有改变；弹道倾角在弹体飞行过程中逐步变化，而且某一个角度出现并保持的时间非常的短，对应整个弹道是可以近似为一点。

如果射角在磁倾角附近时，弹体飞行过程中将有可能出现盲区。如果射角大于磁倾角时，飞行过程中必定出现弹体与磁场方向平行，且上升弧段与下降弧段都会出现盲区；如果射角小于但是接近磁倾角时，飞行过程中在下降弧段可能出现弹体与磁场方向平行的情况；如果射角远小于磁倾角时，飞行过程中将不会出现弹体与磁场方向平行情况。

以某型火箭弹为例，如果地点为北纬42.8°，东经124.6°，磁偏角为60.51°，其弹道倾角在60.00°～61.00°的时间为1.61 s，此时弹道倾角与磁偏角非常接近，处于探测盲区，无法获得准确的地磁数据。

3.2 建议与措施

在我国境内，从南至北，磁倾角由-10°增至70°，且陆地上都是在40°以上。考虑探测盲区的问题，在进行射击时，首先，方位角应当尽量避免选择磁北方向，从根源上避免可能会产生无法探测的因素；其次，在无法避免的情况下，尽量选择小的射角进行射击，选择小于磁偏角的射角；第三，可以通过技术途径来解决这种情况带来的影响，如提高传感器精度、改进算法等，通过辨识探测盲区进行标定或软件补偿等处理。

4 结束语

地磁场是天然磁场，以其固有优势逐步得到广泛的应用。磁阻传感器是目前得到普遍应用的地磁传感器，但将其应用于常规弹药简易制导化过程中，应当考虑其在使用过程中的影响因素。在使用域的分析中，本文主要对地磁异常的干扰和传感器自身的影响两个方面进行阐述，并重点对弹道方向与磁北方向平行的情况进行分析，对相关的解决措施和方法进行描述，但仍有一些问题没有涉及到，如地磁场模型随时间发生的改变等，是下一步应当研究的方向。通过分析使用域的情况，对在实际应用中应当重点把握和解决的重点、难点问题具有重要的指导意义，为下一步的技术研究提供理论支撑。

[1]雷芳，王华，焦国太，等.弹道修正弹药的姿态测量技术研究[J].弹箭与制导学报，2009，29（4）：123-132.

[2]Titterton D，Weston J.Strapdown inertial navigation technology[R].2nd Edition.AIAA，2005.

[3]王广龙，祖静，张文栋.地磁场传感器及其在飞行体姿态测量中的应用[J].北京理工大学学报，1999，19（3）：361-364.

[4]曹红松，陈国光.飞行弹体滚转姿态探测方法研究[J].弹箭与制导学报，2004，24（1）：141-142.

[5]晏登洋.惯性/地磁组合导航技术研究[D].西安：西安工业大学，2007.

[6]李忠亮，边少锋.世界地磁模型WMM2010及其应用[J].舰船电子工程，2011，31（2）：58-61.

[7]陈明辉.基于地磁异常的定位方法研究[D].西安：西安工业大学，2009.

[8]孙宁.利用磁阻传感器测量飞行体滚转角[D].南京：南京理工大学，2008.

Research and analysis of application range of magnetic resistance sensor carried by projectile in geomagnetic field measurement

GUO Qing-wei1，GAO Min1，WANG Hong-fei2
（1.Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China；
2.Unit 65161，Chaoyang 122400，China）

Trajectory correction is a significant improving aspect of simple homing of traditional ammunition.Measurement of projectile attitude is the key technology in the correction.Applying the geomagnetic field to detect the attitude information is the hot spot recently.This paper gives more attention to the application range of magnetic resistance sensor when they are employed in the projectile.The geomagnetic field anomaly interference and the self-element of magnetic resistance sensor are put forward in the following words，especially in the situation that the trajectory of projectile is parallel with geomagnetic field direction.From the analysis，more theory information is provided to the coming application.

magnetic resistance sensor；application range；geomagnetic field measurement；reference

TJ413；TP212.1；TM936.1；TM930.12

A

1674-5124（2013）03-0031-03

2012-08-27；

：2012-10-14

郭庆伟（1988-），男，山东泰安市人，硕士研究生，专业方向为机电设计与评估。