„На война хитростта носи повече полза от силата.“

Магнитното поле, включително магнитното поле на Земята (МПЗ), се отнася до фундаменталните полета. Неговото изучаване е необходимо както за научни цели, така и в интерес на стопанската дейност и отбраната на страната. В интерес на ВМС развитието на магнитометрията е необходимо за картография, навигация на морски подвижни обекти, търсене на потънали обекти, защита на кораби и плавателни съдове от минни оръжия, за укриване на подводници (ПЛ) в МПЗ от магнитометрични средства за откриване на враг и др. В същото време непрекъснато нарастват изискванията за точност на измерванията на магнитно поле. Всичко това налага спешна необходимост от подобряване както на средствата за измерване на това поле, така и на методите за тяхното използване. Особено трудно е да се извършват измервания с необходимата точност в морските райони. Като се има предвид значението на магнитометричните системи за ВМС, изглежда целесъобразно да се разгледа нивото на тяхното развитие, както и възможните начини за подобряване на известните методи и за използване на обещаващи нови такива.

Логично е да започнем разглеждането на темата с анализ на основните характеристики на магнитното поле на Земята. МПЗ варира в рамките на 50–70 хиляди nT. Подложено е на вековни промени, които достигат 100–120 nT годишно. Положението на магнитния полюс не е постоянно. В момента се движи със скорост около 40 км годишно.
МПЗ има два компонента, нормален и ненормален. Магнитните аномалии могат да варират по размер от няколко километра до стотици километри. Значителни аномалии на МПЗ се наблюдават по-специално в Баренцово, Балтийско и Бяло море.

Характеристика на аномалния компонент на МПЗ, за разлика от нормалния, е неговата висока стабилност във времето, тъй като неговите източници са феромагнитни минерали, разположени в океана на дълбочина до 1,5–3 km. Градиентите на нормалната компонента на МПЗ са стотни и хилядни от nT/m. Пространственият градиент на аномалния компонент е 10–30 nT/m.
Анализът на състоянието на развитие и използване на морското магнитометрично оборудване показва, че перспективите за неговото развитие са свързани преди всичко с възможността за поставяне на техните чувствителни елементи директно на борда на обекта.

Опити за решаване на този проблем са правени многократно. Въпреки това доскоро не беше възможно да се постигнат приемливи за практиката резултати. Най-трудна е борбата с магнитните смущения, които се създават от самите обекти. През последните години са предложени шест нови метода за борба с магнитната интерференция на обект. Два от тях са тествани върху прототипни модели на магнитометрични системи, разработени, създадени и тествани в стендови и морски условия, способни да работят директно на борда на кораб, съд или друг морски обект. Тестовете са проведени в метрологичния полигон на ВНИИМ им. Д. И. Менделеев и на хидрографски съдове.
В тези системи феропробите се използват като магнитно чувствителен елемент (MЧЕ), който, за разлика от съществуващите МЧЕ на морските магнитометри, е способен да измерва не модула, а пълния вектор на магнитната индукция и неговите три компонента. Чувствителността на феросондата е около 0,01 nT, динамичният обхват е +(-) 2,105 nT, грешката на измерване е 0,02%. Те са с висока надеждност и устойчивост на механични и термични влияния.
Тези методи за борба с магнитните смущения на даден обект се основават на уравненията на Поасон, които имат формата:

където x, y, z са надлъжната, напречната и вертикалната ос на обекта;
Вx, Ву, Вz – компоненти на магнитната индукция на Земята, изкривени от въздействието на феромагнитен обект;
Вхвн, Вувн, Вzвн – компоненти на магнитната индукция на МПЗ (по осите x, y, z);
a, b, c, d, e, f, q, h, k – параметри на Поасон (коефициенти на пропорционалност между компонентите на външното магнитно поле и компонентите на предизвиканото от тях индуктивно намагнитване на обекта);
Bhr, Wur, Bzp са проекциите на вектора на „твърдото“ намагнитване на обекта съответно върху координатните оси x, y, z.
Прилагането на нови методи за борба с магнитните смущения на даден обект може значително да подобри съществуващите методи за използване на магнитометрични системи на морски обекти и да бъдат разработени нови такива.

Измерване на МПЗ в полза на картографията.
Както вече беше отбелязано, магнитните полюси на Земята непрекъснато се движат. Това води до необходимостта от систематично (за 3–5 години) актуализиране на морските карти на МПЗ. Понастоящем изследването на това поле в морски условия (за да се изключи влиянието на магнитното поле на самия обект) се извършва с помощта на магнитометри, теглени зад обекта на разстояние 100–200 m, което изключително ограничава възможностите за използване на тези системи . Един теглен магнитометър осигурява магнитно изследване с грешка от 10–15 nT на средни ширини и 30–40 nT на високи ширини. Когато се използват два отделни теглени магнитометъра (градиентен метод), грешката на изследването се намалява до 5–10 nT на всички географски ширини.
Ефектът от теченията, дрейфа на вятъра и редица други фактори върху теглените магнитометри не прави възможно значителното опростяване на методите за измерване на МПЗ в морето и подобряване на точността на такива измервания. Освен това в момента практически няма вътрешни морски магнитометри. Липсата на местни морски магнитометри принуждава да се прибягва до използването на чужди.
Използването на бордови магнитометрични системи значително ще опрости изследването на МПЗ в морските зони. В същото време може да се извърши не само от хидрографски съдове, но и от почти всеки морски подвижен обект, който има приемник на сателитна навигационна система и достатъчно точни системи за определяне на ъгловото положение на обекта.

Морски магнитни компаси.
Магнитните компаси, поради автономността на измерване на магнитния курс, се използват широко на кораби и плавателни съдове. Историята на тяхното развитие има повече от сто години. Въпреки това на тяхното развитие все още се обръща сериозно внимание. В съответствие с препоръките на Международната морска навигационна организация (IMO) магнитните компаси трябва да бъдат монтирани на всички кораби. Точността на измерване на курса с магнитни компаси е в диапазона 0,5–2°.
В момента значителен брой модификации на магнитни компаси се произвеждат масово. За да се намали влиянието на магнитните смущения на самия обект върху тяхната работа, те трябва да бъдат поставени възможно най-далеч от металните корабни конструкции и, като правило, на горната палуба. Това води до необходимостта от дистанционно предаване на курса вътре в кораба, което се осъществява с помощта на: въртящи се трансформатори (KM145 и KM145-P), електрическа серво система (KDE-P), индукционна серво система (MIK-1, Zond- M) или оптично предаване с използване на оптични влакна (KMO-T).
Гореспоменатите методи за борба с магнитните смущения на обекта-носител на магнитния компас позволяват да бъдат поставяни директно вътре в обекта.

Абсолютни магнитометрични логаритми.
За измерване на скоростта на морски обекти спрямо дъното в съвременни условия широко се използват абсолютни хидроакустични лагове. Един от съществените недостатъци на такива лагове, особено когато се използват на подводници, е възможността за демаскиране на обекта. Това налага необходимостта от намиране на нови начини за решаване на проблема с измерването на абсолютната скорост, по-специално чрез използването на магнитни полета за тази цел.
Опитите за използване на МПЗ за определяне на скоростта на морските движещи се обекти са правени повече от веднъж . Но въпреки добрите перспективи, досега не е било възможно да се реализират тези възможности. Успехите в методите за борба с магнитните смущения, отбелязани в началото, дават основание да се надяваме на положително решение и на този проблем.
Методите за определяне на абсолютната скорост според МПЗ могат да бъдат разделени на четири групи:
– магнитокорелационни (според транспортното забавяне);
– магнитоградиентометрични (по градиенти на полето);
– геоелектромагнитни (според ЕДС, индуцирана в проводима верига, движеща се в полето);
– магнитореперна.
1) Оборудването на магнитокорелационните измериватели на скорост включва най-малко два сензора за магнитното поле, разположени един от друг в посоката на движение на обекта на известно разстояние и устройство за сравнение. Когато обектът се движи, сигналите от раздалечените сензори за магнитно поле ще бъдат изместени във времето с размера на забавянето. Комбинацията от сигнали в устройството за сравнение може да се извърши чрез съпоставяне на показанията на сензорите чрез корелационна обработка. Когато сензорите се поставят върху обекта и в ортогоналната равнина, става възможно да се измери не само скоростта на движение, но и ъгълът на дрейф.

Работоспособността на този метод за измерване на абсолютната скорост е тествана в стендови и морски условия върху макетна проба. Проверката на метода по време на стендови тестове беше извършена с помощта на симулатор на магнитна аномалия, разположен върху движеща се количка. На хидрографския кораб ХК-403 бяха проведени морски изпитания на моделния образец на бордовия магнитометричен лаг по специално разработена методика. За съжаление, на този кораб системата, която позволява определяне на ъгловите позиции на кораба (направление, крен и диферент), имаше точност от само 6 дъги. мин. (с необходимата точност не по-лоша от 0,7 дъгови минути), което ограничава точността на измерване на скоростта. Скоростта, измерена от прототипа, беше сравнена с данните за скоростта, генерирани от стандартното оборудване за сателитна навигация Бриз на кораба.
Тестовете на такова забавяне бяха извършени както от естествени аномалии на МПЗ, така и от изкуствен магнитен източник.

Резултатите от тестването на макетна проба на магнитометричен лаг, работещ според МПЗ, потвърдиха възможността за използването му при наличие на градиент на аномалия на МПЗ от десети от nT/m. В абсолютни стойности грешките при измерване на скоростта са в рамките на 0,08–0,5 възела. с време за усредняване на показанията не повече от 20 s. Грешката при определяне на скоростта на кораба, произведена от корабното оборудване „Бриз“, се оказа в диапазона от 0,01 до 0,1 възела.
Основните положителни аспекти на магнитометричното забавяне са:
– не прикриваемост на работата;
– относително малки характеристики на теглото и размерите;
– ниска консумация на енергия;
– възможност за работа както върху естествени аномалии на МПЗ, така и върху изкуствени магнитни тела (потънали обекти, изкуствени магнитни репери и др.).

2) Работата на магнитоградиометричните закъснения се основава на използването на градиент на пространствено магнитно поле. В този случай използването на един сензор за магнитно поле изисква предварително познаване на градиента на полето. При два раздалечени сензора не са необходими предварителни познания за градиента на полето. Стойността на скоростта се намира от разликата в синхронните показания на сензорите за полето. Важно е да се отбележи, че такъв лаг може да се използва само в полета с постоянен (поне по дължината на основата на измерване), не нулев пространствен градиент. В допълнение, градиентът трябва да бъде постоянен във времето, поне през един цикъл на измерване.
3) Работата на магнитно реперен измерител на скоростта може да бъде представена по следния начин: с помощта на сензори за полето, разположени на известно разстояние, векторите на магнитната индукция на източниците на полето се определят периодично, на известни интервали от време. Разликата между тези вектори, разделена на интервали от време, съответства на скоростта на обекта.
4) Геоелектромагнитните лагове са известни отдавна, но поради редица недостатъци те не са получили правилно развитие досега. Възможните начини за подобряване на ефективността на такива лагове са разгледани в отделна публикация.