基于世界地磁模型2010的磁場(chǎng)模擬系統(tǒng)*

孟 誠(chéng) 伍東凌

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一〇研究所 宜昌 443003)

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基于世界地磁模型2010的磁場(chǎng)模擬系統(tǒng)*

孟 誠(chéng) 伍東凌

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一〇研究所 宜昌 443003)

通過(guò)WMM2010數(shù)據(jù)庫(kù)建立世界地磁模型，計(jì)算得到地球上任意一點(diǎn)的地磁數(shù)據(jù)，并通過(guò)電流源產(chǎn)生相應(yīng)的磁場(chǎng)，模擬地球上任意一點(diǎn)的磁場(chǎng)。測(cè)試結(jié)果顯示該模型能有效模擬地磁場(chǎng)。

地磁; WMM2010; 磁場(chǎng)七要素

Class Number TM15

1 引言

地磁場(chǎng)是地球內(nèi)部存在的天然磁性現(xiàn)象。地球可視為一個(gè)磁偶極，其中一極位于地理北極附近，另一極位于地理南極附近。地球磁場(chǎng)向太空伸出數(shù)萬(wàn)公里形成地球磁圈引。地磁場(chǎng)包括基本磁場(chǎng)和變化磁場(chǎng)兩個(gè)部分，其中變化磁場(chǎng)包括地磁場(chǎng)的各種短期變化，主要起源于地球內(nèi)部，相對(duì)比較微弱[1～2]。

在艦船工業(yè)和水中兵器領(lǐng)域，對(duì)產(chǎn)品的磁性有著越來(lái)越嚴(yán)格的要求，利用磁場(chǎng)進(jìn)行信號(hào)偵測(cè)和定向技術(shù)的應(yīng)用也越來(lái)越多[3]，而對(duì)物體的磁性研究和磁傳感器的性能測(cè)試，需要考慮由于地點(diǎn)不同造成的地磁場(chǎng)變化，因此需要模擬地球不同地點(diǎn)的磁場(chǎng)，虛擬出不同地區(qū)的地磁場(chǎng)。本文描述的磁場(chǎng)模擬系統(tǒng)通過(guò)應(yīng)用WMM數(shù)據(jù)庫(kù)，建立地磁模型，解析磁傳感器數(shù)據(jù)，控制電流源產(chǎn)生相應(yīng)的磁場(chǎng)。

2 系統(tǒng)組成

磁場(chǎng)模擬系統(tǒng)主要用于通過(guò)建立世界地磁模型，模擬出地球上任意一點(diǎn)的地磁信息。

該系統(tǒng)主要由通訊模塊、控制模塊、界面模塊組成，如圖1所示。

通訊模塊主要實(shí)現(xiàn)與電流源和磁通門(mén)傳感器數(shù)據(jù)采集儀器的通訊，其中包括CAN總線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串口數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換模塊。

控制模塊實(shí)現(xiàn)地球磁場(chǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)模型的建立，并實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)算，得到磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，將目標(biāo)磁場(chǎng)控制轉(zhuǎn)換為電流值設(shè)定，同時(shí)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

界面模塊主要用于進(jìn)行人機(jī)交互，便于用戶(hù)進(jìn)行控制操作。

3 世界地磁模型

至今為止，國(guó)內(nèi)外已提出很多地磁場(chǎng)模型分析方法，在研究區(qū)域或局部地磁場(chǎng)時(shí)，多采用多項(xiàng)式[4]、曲面樣條函數(shù)、球冠諧[5～8]等方法，但在研究全球范圍地磁時(shí)空變化時(shí)，主要采用球諧分析法[9]。

圖1 總體設(shè)計(jì)圖

地磁場(chǎng)主要由基本磁場(chǎng)和變化磁場(chǎng)兩部分組成，基本磁場(chǎng)是地磁場(chǎng)的主要部分，起源于地球內(nèi)部，比較穩(wěn)定，屬于靜磁場(chǎng)部分；變化磁場(chǎng)包括地磁場(chǎng)的各種短期變化，主要起源于地球內(nèi)部，相對(duì)比較微弱，又分為平靜變化和干擾變化兩大類(lèi)型。

在地球物理學(xué)中，表示地球基本磁場(chǎng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)稱(chēng)之為國(guó)際參考磁場(chǎng)(International Geomagnetic Reference Field，IGRF)[10～11]，它以球諧級(jí)數(shù)的形式表達(dá)。其最高階通常為10，共120個(gè)球諧系數(shù)。

球諧分析法，即將地球表面觀測(cè)的某個(gè)物理量展開(kāi)成球諧函數(shù)的級(jí)數(shù)，其中球諧函數(shù)是拉普拉斯方程的球坐標(biāo)系形式的解。

在近地空間的無(wú)源區(qū)，起源于地球內(nèi)部的主磁場(chǎng)可以表示成標(biāo)量磁位U的負(fù)梯度，如式(1)。

(1)

世界地磁模型(World Magnetic Model,WMM)，是由美國(guó)地理空間情報(bào)局(NGA)和英國(guó)國(guó)防地理影響與情報(bào)局投資，由美國(guó)地球物理數(shù)據(jù)中心和英國(guó)地質(zhì)勘探局研究出來(lái)的成果。

地磁場(chǎng)是一個(gè)向量場(chǎng)，描述空間某一點(diǎn)的地磁場(chǎng)，需要三個(gè)獨(dú)立的地磁要素。常用的地磁要素有七個(gè)[1]，即總場(chǎng)、水平分量、北向分量、東向分量、垂直分量場(chǎng)、磁偏角、地磁傾角。這七個(gè)元素之間的關(guān)系如圖2所示。

總場(chǎng)，即地磁場(chǎng)在某點(diǎn)的向量。水平分量，即地磁場(chǎng)在水平面上的分向量。北向分量，即地磁場(chǎng)在水平正北方向的分向量。東向分量，即地磁場(chǎng)在水平正東方向的分向量。垂直分量，即地磁場(chǎng)在垂直于地球水平面方向的分向量。磁偏角，即地理上的正北方向和磁北方向之間的角度。是從地理上的正北方向開(kāi)始，向磁北方向旋轉(zhuǎn)的角度，順時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎粗疄樨?fù)。例如，磁偏角為-10°時(shí)，羅盤(pán)上指北針指向的方向，需要向西偏移10°，才是指向地理上的正北方向。

圖2 地磁場(chǎng)要素示意圖

4 控制模塊

控制模塊的主控軟件運(yùn)行時(shí)的流程圖如圖3。

圖3 主程序流程圖

主控程序在開(kāi)始運(yùn)行后，開(kāi)啟串口數(shù)據(jù)接收定時(shí)器，實(shí)時(shí)接收CAN網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)，并按照不同的CAN地址區(qū)分不同的儀器，從而對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析。

CAN網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，其中包括磁傳感器數(shù)據(jù)采集儀器、磁場(chǎng)模擬電源、地磁補(bǔ)償電源、主控計(jì)算機(jī)以及磁場(chǎng)模擬系統(tǒng)。每個(gè)儀器的CAN地址都不相同，軟件中對(duì)各個(gè)地址對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行的不同方式的解析，例如磁傳感器數(shù)據(jù)采集儀器，當(dāng)數(shù)據(jù)采集儀器接收到數(shù)據(jù)查詢(xún)指令后，儀器分兩次返回三軸的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，第一次返回X軸和Y軸數(shù)據(jù)，第二次返回Z軸數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度分別進(jìn)行解析，得到三軸磁場(chǎng)數(shù)據(jù)。

通過(guò)CAN地址，還可接收遠(yuǎn)程控制指令，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能。判斷CAN地址為遠(yuǎn)程控制地址時(shí)，則進(jìn)入遠(yuǎn)程控制響應(yīng)，返回上位機(jī)所需的數(shù)據(jù)和回應(yīng)。

開(kāi)始進(jìn)行磁場(chǎng)模擬時(shí)，首先讀取磁場(chǎng)模擬電源的狀態(tài)，判斷是否需要反向，若需要反向，則先發(fā)送斷電指令，然后發(fā)送反向指令，否則直接發(fā)送設(shè)置電流指令。設(shè)置零磁空間時(shí)，首先讀取地磁監(jiān)測(cè)磁傳感器的數(shù)據(jù)，然后設(shè)置反向的地磁補(bǔ)償電流，從而形成零磁空間。

5 結(jié)語(yǔ)

測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果與World Magnetic Model 2010軟件的計(jì)算結(jié)果相同，能夠正確計(jì)算出地球上任意一點(diǎn)的地磁數(shù)據(jù)，并且能讀取到磁傳感器的數(shù)據(jù)從而控制電流源產(chǎn)生響應(yīng)的磁場(chǎng)。

[1] 劉大明.艦船消磁理論與方法[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2011:3-13.

[2] 杜志瀛.艦船消磁[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1983:1-5.

[3] 鄭暉,王勇,王虎彪.地球磁場(chǎng)異常格網(wǎng)(EMAG2)輔助潛艇導(dǎo)航仿真研究[J]. 地球物理學(xué)進(jìn)展,2012,27(4):1795-1803.

[4] 白春華,徐文耀,康國(guó)發(fā).地球主磁場(chǎng)模型[J]. 地球物理學(xué)進(jìn)展,2008,23(4):1045-1057.

[5] 徐文耀.國(guó)際參考地磁場(chǎng)模型中高階球諧項(xiàng)對(duì)地磁場(chǎng)長(zhǎng)期變化的影響[J].地球物理學(xué)報(bào).2003,46(4):476-481.

[6] 朱道雨,宮斌,楊益平.基于世界地磁模型2010的方位角校正以及目標(biāo)定位[J].艦船電子對(duì)抗,2013,36(3):36-38,54.

[7] 安振昌.2000年中國(guó)地磁場(chǎng)及長(zhǎng)期變化的冠諧分析[J]. 地球物理學(xué)報(bào).2003,46(1):68-72.

[8] 顧左文,安振昌,高金田,等.京津冀地區(qū)地磁場(chǎng)球冠諧分析[J].地球物理學(xué)報(bào).2004,47(6):61-66.

[9] 徐文耀,區(qū)加明,杜愛(ài)民.地磁場(chǎng)全球建模和局部建模[J].地球物理學(xué)報(bào),2011,26(2):398-415.

[10] 陳斌，顧左文，高金田,等.IGRF-11描述的2005-2010年中國(guó)地區(qū)地磁長(zhǎng)期變化及其誤差分析[J].地球物理學(xué)進(jìn)展,2012,27(2):512-521.

[11] 柴松均,陳曙東,張爽.國(guó)際地磁參考場(chǎng)的計(jì)算與軟件實(shí)現(xiàn)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào),2015,33(3):280-285.

Simulation of Geomagnetic System Based on World Magnetic Model 2010

MENG Cheng WU Dongling

(No.710 Research Institute, CSIC, Yichang 443003)

The geomagnetic model is established with the WMM2010 database. The magnetic field elements of geomagnetic can be obtained by the calculation. The corresponding magnetic field is built by setting the current of electrical source. The test result shows the madel can simulate geomagnetic field effectively.

geomagnetic, WMM2010, seven magnetic field elements

2016年5月11日,

2016年6月27日

孟誠(chéng)，男，碩士，工程師，研究方向：磁性目標(biāo)探測(cè)。伍東凌，男，碩士，工程師，研究方向：磁性目標(biāo)探測(cè)。

TM15

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.11.019