Магнитное поле Земли как источник информации для определения параметров движения объектов

А. А. Мусин

ФГБУ «ГНМЦ» Минобороны России, г. Мытищи, Россия

Рассмотрена возможность получения данных о параметрах движения объекта через измерения магнитного поля Земли в условиях отсутствия сигналов космических навигационных систем.

С появлением ГНСС и инерциальных навигационных систем (ИНС) задачи определения координат местоположения и параметров движения объекта значительно упростились. Имея на борту летательного аппарата навигационный приемник сигналов ГНСС можно непрерывно отслеживать свои координаты и параметры движения.

В то же время применение ГНСС и ИНС для определения параметров вектора состояния подвижного объекта характеризуется недостатками. Например, при использовании ИНС погрешности накапливаются с течением времени или в зависимости от пройденного расстояния. ГНСС имеет низкий, на уровне шумов, уровень сигнала, невозможность оперативно изменить кодовую последовательность сигнала КА. Следовательно, сигналы ГНСС можно заглушить или подделать. Данное явление получило широкое распространение в последнее время и называется GPS Spoofing.

Из-за угрозы подобных несанкционированных воздействий стало весьма актуальным требование автономности работы навигационных систем (НС). Как один из вариантов автономной работы НС можно рассмотреть работу по магнитным геофизическим полям.

В работах [1, 2] приводятся результаты экспериментальных исследований автономной навигации в условиях отсутствия сигналов ГНСС по магнитному полю Земли (МПЗ). Обязательным условием функционирования данных систем является наличие подготовленной навигационной карты параметров МПЗ. Для практического внедрения вышеописанных систем в бортовые комплексы летательных аппаратов необходимо обеспечить картографирование МПЗ, создать и поддерживать актуальную базу данных МПЗ. Все это существенно усложняет процесс решения навигационной задачи.

Предлагается рассмотреть метод решения навигационной задачи по МПЗ, не требующий магнитных карт. Для решения навигационной задачи предлагаемым методом необходимо определить: начальные координаты объекта, направление движения, скорость и время движения.

Это позволит определить расширенный вектор состояния потребителя:

\( \overrightarrow{П}=\left|x~y~z~t~V_xV_yV_z\right|, \)

где x, y, z — координаты потребителя, V_x, V_y,V_z — составляющие вектора скорости потребителя, t — текущее время. Если в определении первого и последнего пунктов трудностей не возникает, то в определении направления и скорости движения они есть.

Начальные координаты объекта определяются с помощью навигационной аппаратуры потребителей. Время движения рассчитывается с помощью системы единого времени.

Определить направление движения объекта можно через вектор магнитной индукции \(\overrightarrow{B}\), воспользовавшись при этом векторными магнитометрами, ортогональная система из которых позволит измерить компоненты магнитного поля, а следовательно, и направление движения объекта.

Для решения навигационной задачи в части определения направления движения в условиях внешнего магнитного поля Земли, учитывая уровень МПЗ от 20 до 80 мкТл, наиболее подходящими являются феррозондовые магнитометры. Они также доступны по цене, прочны и компактны, а их миниатюризация в последнее время достигла уровня интегральных микросхем. Данные обстоятельства, а также обычно низкое энергопотребление таких изделий, делают их предпочтительными для различных приложений и решения нашей задачи в частности.

Определить скорость объекта можно с помощью электродвижущей силы (ЭДС) электромагнитной индукции "Ԑ" в движущемся проводнике. При перемещении проводника длиной l в постоянном магнитном поле свободные электрические заряды внутри него под действием силы Лоренца тоже перемещаются. Возникает разность потенциалов, которая вычисляется по формуле:

\(Ԑ\ =\left|\overrightarrow{B}\right|\left|\overrightarrow{v}\right|l~sinθ. \)

Из данной формулы можно выразить скорость движения объекта.

Исходя из вышеописанного, возможно реализовать систему, состоящую из:

    1. навигационной аппаратуры потребителей;
    2. системы ортогональных магнитометров, позволяющая определить направление вектора магнитной индукции Земли, то есть направление движения;
    3. проводящего контура, позволяющего определить ЭДС на его концах, для расчета скорости движения;

Таким образом, представлен метод определения вектора состояния потребителя \(\overrightarrow{П}\) на основе измерений магнитного поля Земли без использования магнитных карт. Это потенциально позволит дополнить существующие системы навигации: ГНСС, ИНС; либо стать их альтернативой.

Литература

1) Сазонова Т. В. Экспериментальные исследования точностных характеристик корреляционно-экстремальных навигационных систем по магнитному полю Земли // Альманах современной метрологии. 2020. № 4(24). С. 86–96.

2) Фатеев В. Ф., Бобров Д. С., Гостев Ю. В. и др. Макет системы навигации по геофизическим полям // Альманах современной метрологии. 2020. № 4(24). С. 173–184.