CN103926627B - 水下载体地磁三分量测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水下载体地磁三分量测量方法，是在已知区无磁性载体搭载三分量磁力仪测量非磁异常点地磁三分量值，然后用有磁性载体搭载一对三分量磁力仪，求解出传感器位置的相关参数，再按测线测量未知区带有干扰的磁场三分量值，通过差分将外界干扰磁场差掉，根据求出的未知区域地磁场三分量值绘制水下地磁矢量图。比通过卫星测量或水面测量向下延拓的方法得到的水下地磁场数据更具有可靠性和真实性，符合水下实地环境的地磁特性，测量数据长期有效。提高了地磁场三分量的测量精度，加强了抗干扰能力，实现了水下载体的地磁三分量精确测量。本方法适用于补偿地面载体、空中载体和水下载体对地磁场分量测量的影响，特别是适用于载体地磁导航。

Description

水下载体地磁三分量测量方法

技术领域：

本发明涉及一种地磁场三分量的测量方法，是应用在水下地磁辅助惯性导航技术中从载体测量磁场中得到地磁场三分量的一种方法。

背景技术：

现有的惯性导航方法是水下载体导航定位的主要手段之一,它能够在全球范围内不依靠任何外界信息全天时、全天候进行连续的三维空间定位和定向，能够完全自主的提供多种载体参数，并不向外界辐射任何信息，确保自身信息的安全性。但其导航误差会随时间进行不断累计，需要提供准确信息和参数进行重新标定，现多采用GPS导航系统来对惯性导航的误差进行修正，以保证惯性导航系统长期定位精度。但由于卫星通讯的无线电波在水中快速衰减，导致水面下方的载体不能与卫星进行实时通讯，无法完成水下载体惯性导航系统误差的修正任务。针对以上问题，目前采用地磁匹配辅助惯性导航方法对水下载体进行组合导航，以地磁的长期稳定性来弥补惯性导航误差随时间累计的缺点，从而提高导航定位精度。想要在广阔的区域实现高效高精度的地磁场测量或地磁导航，必须要依赖于卫星、飞机、船舶以及水下航行器等载体。而构成载体的材料一般都是铁磁性物质，在外界地磁场的作用下不可避免的被磁化而产生磁矩，主要产生固定磁场和感应磁场。固定磁场是由载体上的永磁材料产生的一种恒定磁场，认为在短时间内不会发生变化。感应磁场由载体上的软铁材料产生，并随外界地磁场和载体姿态的变化而变化。被磁化的载体相当于新的磁源，产生的磁场对地磁场测量数据造成严重影响。除此之外，由于发动机、电气设备等其他机构还会向外辐射低频交流磁场。海底沉船，水雷或水面船只等也会产生部分均匀干扰磁场，都会对地磁传感器的测量造成影响。

载体上地磁传感器测量值表达式为：

B_M＝A·B_G+B_R+B_S+ΣB_A+ΣB_N （1）

其中，B_M是磁矢量传感器三分量测量值；A是地理坐标系与载体测量坐标系之间的变换矩阵；B_G是地磁场三分量值；B_R是载体的感应磁场三分量值；B_S是载体的固定磁场三分量值；ΣB_A是各种低频交流磁场三分量值；ΣB_N是各种外界均匀干扰磁场三分量值。

各种磁场的特点分析：地磁场和外界均匀干扰磁场的梯度都很小，而水下载体的行进速度也相对缓慢，因此可以把二者在局部每个传感器处的测量值看做是相同的。感应磁场和地磁场之间存在一个系数矩阵的关系：

$\left[\begin{array}{c}{B}_{R_X}\\ B_{R_Y}\\ B_{R_{\mathrm{XZ}}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{K}_{11}& K_{12}& K_{13}\\ K_{21}& K_{22}& K_{23}\\ K_{31}& K_{32}& K_{33}\end{array}\right]\·A\·\left[\begin{array}{c}{B}_{G_X}\\ B_{G_Y}\\ B_{G_Z}\end{array}\right]---\left(2\right)$

系数矩阵K的大小只与载体材料、形状、传感器的位置有关，因此，对于同一个载体只要传感器的安装位置确定，感应磁场和地磁场之间的系数矩阵就不会发生变化，可以通过对载体的测量得到。固定磁场具有长时间恒定不变的特点，也可以通过对载体的测量得到。低频交流磁场可通过有针对性设计的滤波器将其滤掉。

CN102927984A，公开了一种“消除载体磁化磁场对地磁场测量影响的方法”采用的是一种主要针对磁化磁场进行补偿的方法，而且测量以及最终补偿得到的是地磁总场，不能提供地磁三分量的详细信息，而且仅能测出地磁总场的大小，不能确定其方向，这样就不能实现地理位置与地磁场值之间的一一对应关系，会出现地磁等值线等问题而无法应用在地磁导航中。同时，上面方法的应用条件是需要补偿掉固定磁场，而实际应用中固有磁场并不容易精确的补偿掉，这样就会给测量精度带来影响。

2005年闫辉，肖昌汉发表于“海军工程大学学报”上的文章“一种海洋环境地磁场三分量的测量方法”中主要使用单个磁矢量传感器进行测量，测量磁场数学模型过于理想化，忽略掉外部其它干扰磁源产生的磁场对测量造成的影响。同时，单传感器的测量方式极易受到外界环境磁场的影响，抗干扰能力较弱。

发明内容：

本发明的目的就是针对上述现有技术的不足，提供一种水下载体地磁三分量测量方法。旨在通过水下地磁场三分量测量，得到水下各个区域地磁场矢量信息，绘制出水下地磁场三分量图，为水下载体的导航使用。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

水下载体地磁三分量测量方法，是先进行已知区无磁性载体搭载三分量磁力仪测量非磁异常区域地磁三分量值B_G，然后用有磁性载体搭载一对三分量磁力仪在已知区域根据参数求解模型求解出传感器位置的相关参数，再按测线测量未知区带有干扰的磁场三分量值B_1M和B_2M，通过差分的办法将外界均匀干扰磁场ΣB_N差掉，最后根据差分模型求解出未知区域的地磁场三分量值B_G，依据地磁场三分量的值绘制出水下地磁矢量图。

包括以下步骤：

a、在已知水域选择水下磁场变化平缓且周围无其他干扰的点P作为测量中心，用无磁性的木船或橡皮艇载上三分量磁力仪，测量P处的地磁三分量值B_G；

b、过滤掉低频交流磁场后，去掉外界磁源干扰，得到参数求解数学模型；

B_M＝(E+K)·A·B_G+B_S （3）

c、在载体上捷联式安装一对磁矢量传感器，两磁矢量传感器距载体前端50cm，两磁矢量传感器之间的距离为50cm；

d、以P点为中心，载体长为半径，载体绕P点匀速做360°运动，载体上除了装有三分量磁力仪以外，还有姿态传感器和一套数据采集系统，由数据采集系统以一定频率采集载体在旋转过程中不同的姿态信息和磁矢量数据，包括纵倾角α、横摇角θ、航向角以及两个磁矢量传感器在对应姿态下的测量值和

e、根据纵倾角α、横摇角θ、航向角以及两个磁矢量传感器在对应姿态下的测量值和求解数学模型，构建方程组；

f、参数求解，求解系数矩阵K和固定磁场B_S；

g、按测线实际测量两个磁矢量传感器姿态，包括纵倾角α、横摇角θ、航向角数据和两个磁矢量传感器在对应姿态下的测量值和

h、根据差分求解数学模型，构建方程组；

i、计算机进行地磁场三分量的求解计算；

j、存储地磁场三分量信息。

2、按照权利要求1所述的水下载体地磁三分量测量方法，其特征在于，所述的步骤f参数求解方法和步骤h差分求解方法：

——参数求解：

A、计算机初始化；

B、读取已知区地磁场三分量数据；

C、参数求解模式；

D、读取传感器Ⅰ旋转后已测量数据；

E、读取传感器Ⅱ旋转后已测量数据；

F、根据参数求解模型求解K₁和K₂、B_1S和B_2S；

G、存储K₁和K₂、B_1S和B_2S；

——差分求解：

I、差分求解模式；

J、判断姿态信息是否测量完成，否，返回，是，转入下一步；

K、同步读取传感器Ⅰ和传感器Ⅱ的测量磁场值；

L、依据差分计算方程求解地磁场三分量B_G；

M、地磁场三分量数据存储。

有益效果：本发明进行的是地磁场矢量信息的测量，是一种独立式的测量，不需要借助外界任何仪器或装置，也不会向外界辐射任何信息，地磁场三分量包含有更多的地球物理信息，应用的范围也更加广泛。

通过一对磁矢量传感器对测量的磁场数据值进行实时差分处理，比通过卫星测量或水面测量向下延拓的方法得到的水下地磁场分量数据值更具有可靠性和真实性，符合水下实地环境的地磁特性，测量数据长期有效。

改进了测量磁场数学模型，加入了外界干扰磁场项，数学模型更加接近真实水下磁场测量环境，使地磁场三分量测量值更加准确，测量精度更高。

采用方程组的差分处理，大大的降低了水下复杂环境中外界干扰磁场对测量造成的影响，具有极高的抗干扰能力。

本发明的方法弥补了以上方法的不足，在测量磁场数学模型中加入了外界磁源干扰项，这是一种未知来源的干扰磁场，且具有不确定性，既无法估计大小也不确定方向，这也正是本发明采用差分求解的优势。本发明中利用外界均匀干扰磁场在局部区域梯度小的特点，使用一对距离较近的磁矢量传感器，通过在测量坐标系下的矢量空间差分方法，将载体上磁矢量传感器处外界均匀干扰磁场ΣB_N差掉，利用局部差异明显的感应磁场与地磁场的固定系数差分关系和已经测量得到的固定磁场，最终求解出地磁场三分量数据，即提高了地磁场三分量的测量精度，又大大加强了测量的抗干扰能力，实现了水下载体的地磁三分量精确测量。

本发明的方法适用于补偿地面载体、空中载体和水下载体对地磁场分量测量的影响。特别是适用于载体地磁导航。

附图说明：

图1水下载体磁矢量传感器布设方案以及旋转测量图

图2水下载体地磁三分量测量方法流程图

图3差分计算方法流程图

图4实际地磁场x分量与测量地磁场x分量对比图

图5实际地磁场y分量与测量地磁场y分量对比图

图6实际地磁场z分量与测量地磁场z分量对比图

实线为实际地磁场曲线，虚线为测量地磁场曲线

具体实施方式：

下面结合附图和实施例作进一步的详细说明：

水下载体地磁三分量测量方法，包括以下步骤：

a、在已知水域选择水下磁场变化平缓且周围无其他干扰的点P作为测量中心，用无磁性的木船或橡皮艇载上三分量磁力仪，测量P处的地磁三分量值B_G；

b、过滤掉低频交流磁场后，去掉外界磁源干扰，得到参数求解数学模型；

B_M＝(E+K)·A·B_G+B_S （3）

c、在载体上捷联式安装一对磁矢量传感器，两磁矢量传感器距载体前端50cm，两磁矢量传感器之间的距离为50cm；

d、以P点为中心，载体长为半径，载体绕P点匀速做360°运动，载体上除了装有三分量磁力仪以外，还有姿态传感器和数据采集系统，由数据采集系统以一定频率采集载体在旋转过程中不同的姿态信息和磁矢量数据，包括纵倾角α、横摇角θ、航向角以及两个磁矢量传感器在对应姿态下的测量值和

e、根据纵倾角α、横摇角θ、航向角以及两个磁矢量传感器在对应姿态下的测量值和求解数学模型，构建方程组；

构成的变换矩阵A表达式为:

f、求解系数矩阵K和固定磁场B_S；

由于系数矩阵K和固定磁场B_S中共12个参数，因此每个传感器至少需要四组不同姿态下的三分量测量数据，将已知的地磁场三分量值和测量磁场三分量值带入参数求解数学模型中，构成的方程组如下:

通过求解上述线性方程组，可以求解出两个传感器处的系数矩阵K₁和K₂，以及固定磁场B_1S和B_2S。

g、实测两个磁矢量传感器姿态纵倾角α、横摇角θ、航向角数据和两个磁矢量传感器在对应姿态下的测量值和

h、根据差分求解数学模型，构建方程组；

实施完载体的基本参数测量后，载体即可按照规划路线运动，此时系统进入差分求解模式。在运动过程中数据采集系统会以一定频率记录载体的姿态信息和每一个矢量传感器在测量坐标系下的测量值，由于未知区域的水面和水下环境复杂，每一个磁矢量传感器测量值中包含有其他磁源辐射的外界干扰磁场，过滤掉低频交流磁场后，构建出差分求解数学模型如下：

B_M＝(E+K)·A·B_G+B_S+ΣB_N (7)

（7）式被称为差分求解数学模型，E代表的是单位矩阵，B_M是传感器测得的已知量，系数矩阵K和固定磁场B_S已经通过测量获得，地理坐标系与测量坐标系之间的变换矩阵A可以通过姿态传感器测量得到。外界磁源干扰项ΣB_N 是在单传感器测量方法中无法去除的，此发明的方法中为了去除该干扰项要获取差分方程组如下：

$\left\{\begin{array}{c}{B}_{1M}=(E+K_1)\·A\·B_{G1}+B_{1S}+\mathrm{\Σ}{B}_{1N}\\ B_{2M}=(E+K_2)\·A\·B_{G2}+B_{2S}+\mathrm{\Σ}{B}_{2N}\end{array}\right.---\left(8\right)$

i、计算机进行地磁场三分量的求解计算；

由于两个磁矢量传感器的安装位置较近，并且在载体行进过程中两个传感器始终保持与运动方向相对垂直的同一平面上，使得本来梯度很小的地磁场和外界磁源产生的干扰磁场在每个传感器处的值几乎相同。即满足如下关系：

ΣB_1N=ΣB_2N (9)

B_G1=B_G2 (10)

将（8）中的两个式子做差，整理得到求解地磁场三分量的最终表达式为：

B_G＝A^-1·(K₁-K₂)^-1·[(B_1M-B_2M)-(B_1S-B_2S)] (11)

（11）式等号右侧的所有参数均已通过上面描述和测量得到，可通过计算机直接进行求解，即可解出载体所在位置地理坐标系下的地磁场三分量值B_G。

j、存储地磁场三分量信息。

依此进行，就能够实现连续性的航向测量或者是区域性的地磁场三分量测量。

具体做法如下：

为了使外界干扰磁场在两个传感器处产生的响应尽可能相同，两个传感器的安装位置要在仪器最小分辨力允许的范围之内尽量的靠近，且安装在载体的前端，尽量远离尾翼等有棱角凸出的结构，以免造成局部磁场发生突变，影响地磁场三分量的测量精度。

本发明利用的是一对三分量磁传感器进行的空间差分方法，此法同样适用于3个及以上传感器构成的多阵列组合差分，通过求取平均值等误差处理方法来提高测量精度。

载体出发前，选择水面下方地磁场变化平缓的非磁异常点P，周围无其它干扰磁源，用木船搭载三分量磁力仪测量点P处的地磁三分量值B_G。

载体上捷联式安装有一对磁矢量传感器，两磁矢量传感器距载体前端50cm，两磁矢量传感器之间的距离为50cm；

将搭载有磁矢量传感器的载体置于P点附近，以P点为中心，以载体自身长为半径缓慢匀速的做360°旋转运动。此时的测量系统进入参数求解模式，载体上除了装有三分量磁力仪以外，还有姿态传感器和一套数据采集系统，由数据采集系统以一定频率采集载体在旋转过程中不同的姿态信息和磁矢量数据，包括航向角α、横摇角θ、纵倾角以及两个磁矢量传感器在对应姿态下的测量值和

将圆周运动过程中的测量数据分别带入参数求解数学模型中，因为系数矩阵K和固定磁场B_S中共有12个参数，每个传感器至少构建四个方程组，通过求解线性方程组，求解出两个传感器处的系数矩阵K₁和K₂，以及固定磁场B_1S和B_2S，并将其存储在计算机中作为后续差分求解中的已知量。

实施完载体的基本参数测量后，载体即可按照规划路线运动，此时系统进入差分求解模式。在运动过程中数据采集系统以一定频率记录每一个矢量传感器在测量坐标系下的测量值，由于未知区域的水面和水下环境复杂，测量值中包含有其他磁源辐射的外界干扰磁场，得到用于空间差分的方程组如下：

$\left\{\begin{array}{c}{B}_{1M}=(E+K_1)\·A\·B_{G1}+B_{1S}+\mathrm{\Σ}{B}_{1N}\\ B_{2M}=(E+K_2)\·A\·B_{G2}+B_{2S}+\mathrm{\Σ}{B}_{2N}\end{array}\right.---\left(8\right)$

两个磁矢量传感器的安装位置较近，并且在载体行进过程中两个传感器始终保持与运动方向相对垂直的同一平面上，使得本来梯度很小的地磁场和外界磁源产生的干扰磁场在每个传感器处的值几乎相同。即满足：

ΣB_1N=ΣB_2N (9)

B_G1=B_G2 (10)

将（8）中的两个式子做差，整理得到：

B_G＝A^-1·(K₁-K₂)^-1·[(B_1M-B_2M)-(B_1S-B_2S)] (11)

磁矢量传感器测量值分别为B_1M和B_2M，坐标变换矩阵数据由姿态传感器提供，再结合已知的系数矩阵K₁和K₂以及固定磁场B_1S和B_2S，将以上参数代入（11）式中即可求解出任意位置地理坐标系下的地磁场三分量值B_G。

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

用带有电缆连接的金属椭球形空腔作为水下载体，长度2m，宽度1m，高度1m，材料相对磁导率为100，内部装有无磁性材料配重和蓄电池等，使载体在水下不会出现上浮和侧翻等情况，确保最大俯仰角和翻滚角不超过10°。载体内配有浮点型DSP处理器作为计算处理单元，并搭载有惯性导航系统来提供载体的姿态信息，陀螺仪的常值漂移为ε_x=ε_y=ε_z=0.01°/h,随机漂移为0.001°/h,刻度系数误差为10^-4。两个高精度磁矢量传感器选择的是英国Bartington公司的Mag-03系列三分量磁通门磁力仪，该仪器的测量范围-70000—70000nT，分辨率达到0.1nT，标准型噪声为6—10pT，它的输入端装有滤波器，消除交流磁场对测量造成的影响。在离载体前端0.5m左右对称捷联式安装一对传感器，间距为0.5m，三分量磁力仪水密舱采用无磁性的铝制材料，最大承受压力为10个大气压。系统坐标系以传感器的测量坐标系为准。

在实验水域首先选取水下5m处地磁场变化平缓的非磁异常点P，放入载体前用木船悬挂磁力仪测量得到地磁场三分量x、y、z分别为40859.58nT、 185.11nT、-3991.25nT，并结合GPS测量P点的位置坐标，然后使用木船悬挂载体以P点为中心，2m为半径进行缓慢匀速的圆周运动，载体内部的惯导系统和外部的磁力仪会将姿态信息和测量数据传递给计算处理单元，此时系统进入参数求解模式，采样频率为1Hz,所有数据使用高精度时钟进行同步采集,旋转一周后，由计算处理单元根据参数求解数学模型计算出系数矩阵分别为

$K_1=\left[\begin{array}{ccc}-0.03405& 0.00415& 0.03546\\ 0.00164& -0.03546& 0.00594\\ 0.07548& 0.01458& 0.05489\end{array}\right]$ 和 $K_2=\left[\begin{array}{ccc}-0.01415& 0.01015& 0.01636\\ -0.00344& -0.05546& 0.01064\\ -0.05558& 0.00858& 0.01446\end{array}\right]$

固定磁场三分量分别为

$B_{1S}=\left[\begin{array}{c}524.64\mathrm{nT}\\ 68.55\mathrm{nT}\\ -1254.61\mathrm{nT}\end{array}\right]$ 和 $B_{2S}=\left[\begin{array}{c}503.64\mathrm{nT}\\ 58.24\mathrm{nT}\\ -1248.35\mathrm{nT}\end{array}\right]$

并将计算结果进行存储以供后续计算使用。如图1所示。

由于铁船会受到地磁场的磁化形成新的磁源向外辐射磁场，形成外界干扰磁场项；实验中又使用一艘铁船悬挂载体，让载体保持水下5m深度沿着已知实际地磁场三分量值的指定路线以5m/s的速度直线运动。此时，测量系统进入差分求解模式，由于地磁场梯度较小，采样频率调整为0.2Hz，通过高精度时钟进行同步数据采集，将同时刻的坐标变换矩阵A和磁力仪测量数据B_1M、B_2M传递给计算处理单元，再分别结合每个传感器处已经求解并存储的系数矩阵和固定磁场值，按照B_G=A^-1·(K₁-K₂)^-1·[(B_1M-B_2M)-(B_1S-B_2S)]（11）式进行地磁场三分量的精确求解，如图3，最终将测线上求解的100个点的地磁场三分量值绘制成曲线，与无载体时该测线上的实际地磁场三分量曲线对比，如图4、5、6所示。

受到人为因素和仪器测量误差影响，最终实际地磁场三分量值与测线上测量值B_G之间最大误差不超过1nT，在误差允许的范围之内。本方法成功地实现了水下载体地磁场三分量测量，差分求解数学模型更加符合水下真实环境，测量结果精度更高，且不受上方铁船产生的干扰磁场的影响，抗干扰能力更强。

Claims (2)

1.一种水下载体地磁三分量测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、在已知水域选择水下磁场变化平缓且周围无其他干扰的非磁异常点P作为测量中心，用无磁性的木船或橡皮艇载上三分量磁力仪，测量P处的地磁三分量值B_G；

b、过滤掉低频交流磁场后，去掉外界磁源干扰，得到参数求解数学模型；

B_M＝(E+K)·A·B_G+B_S (3)

式中E为一个3×3的单位矩阵，A为地磁场三分量从地理坐标系向载体测量坐标系转换的变换矩阵，因B_G为地理坐标系下的三分量结果，而(3)式是在载体测量坐标系下的关系式，因此需要进行坐标变换，A中的姿态信息由步骤d获得；

c、在载体上捷联式安装一对磁矢量传感器，两磁矢量传感器距载体前端50cm，两磁矢量传感器之间的距离为50cm；

d、以P点为中心，载体长为半径，载体绕P点匀速做360°运动，载体上除了装有三分量磁力仪以外，还有姿态传感器和一套数据采集系统，由数据采集系统实时采集载体在旋转过程中不同的姿态信息和磁矢量数据，包括纵倾角α、横摇角θ、航向角以及两个磁矢量传感器在对应姿态下的测量值和

e、根据纵倾角α、横摇角θ、航向角以及两个磁矢量传感器在对应姿态下的测量值和求解数学模型，构建方程组；

f、参数求解，求解系数矩阵K和固定磁场B_S；

g、按测线实际测量两个磁矢量传感器姿态纵倾角α、横摇角θ、航向角数据和两个磁矢量传感器在对应姿态下的测量值和

h、根据差分求解数学模型，构建方程组；

i、计算机进行地磁场三分量的求解计算；

j、存储地磁场三分量信息。

2.按照权利要求1所述的水下载体地磁三分量测量方法，其特征在于，步骤f所述的参数求解方法和步骤h差分求解方法：

——参数求解：

A、计算机初始化；

B、读取已知区地磁场三分量数据；

C、参数求解模式；

D、读取传感器Ⅰ旋转后已测量数据；

E、读取传感器Ⅱ旋转后已测量数据；

F、根据测量模型求解K₁和K₂、B_1S和B_2S；

G、存储K₁和K₂、B_1S和B_2S；

——差分求解：

I、差分求解模式；

J、判断姿态信息是否测量完成，否，返回，是，转入下一步；

K、同步读取传感器Ⅰ和传感器Ⅱ的测量磁场值；

L、依据差分计算方程求解地磁场三分量B_G；

M、地磁场三分量数据存储。