CN109444774A - 基于小信号法测量水下航行器磁场噪声系数的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于工程磁场建模领域，提出基于小信号法测量水下航行器磁场噪声系数的方法，包括：建立UUV背景磁场模型；预先测量UUV测量环境的磁场向量；改变UUV的摆放方向，通过大角度姿态的变化测得相应的Hx1，Hx2，Hx3，Hx4；其他条件不变，对UUV施加垂直方向磁场，保持横滚角和俯仰角为零，水平改变UUV的指向，再次通过大角度姿态的变化分别测得Hx5，Hx6，Hx7，Hx8；计算恒定磁场，感应磁场系数以及本地磁场并重复以上步骤，计算UUV磁场的其它参数。本发明有效降低磁场噪声系数相互间的相关性和模型的复共线性，不会对磁场中有用信号的能量谱产生影响，利于后续对微弱有用信号的探测和识别。
Description
技术领域
本发明属于工程磁场建模领域，涉及一种基于小信号法测量水下航行器磁场噪声系数的方法，应用于水下航行器磁场噪声模型计算以及水下航行器搭载磁场传感器的磁场噪声补偿处理。
背景技术
无人水下航行器(英文缩写UUV)产生的背景磁场分为恒定磁场、感应磁场和涡流磁场。恒定磁场是UUV自身的铁磁性物质产生的磁场；UUV处于地磁场中，在地磁场的感应下UUV产生感应磁场；而UUV在地磁场中运动，切割磁力线将产生涡流磁场。这三种磁场全是地磁场矢量在UUV固定坐标系的方向余弦或其时间导数的线性函数。UUV产生的背景磁场进而引起诸多磁场噪声的产生。如UUV的恒定磁场由其结构部件中的磁性材料产生，虽然UUV的外部壳体可以使用无磁材料，如玻璃钢、铝合金等，但是其内部器件还是会不可避免的使用一些磁性材料，这些材料长期受地磁场作用产生磁化，形成恒定磁场，因此磁性传感器仍然会受到恒定磁场的干扰。
由于空间限制，UUV搭载的磁场探测系统会受到UUV磁场噪声的严重影响。在大部分情况下，这些磁场噪声的功率谱性质是随着如速度、海况这些因素的变化而变化的，因此每次探测甚至一次探测的不同的时间中噪声的性质都是不同的，但在已知影响因素的情况下，噪声的统计特性是可以求出的。磁场噪声的重要部分是杂散磁场，杂散磁场的来源主要包括：①电子设备的设计、安装、维护不合理，在UUV固壳上形成的电磁场；②UUV内部转动的电子设备产生磁场辐射。由此，磁场噪声的来源复杂，相关因素也不确定，所以要在幅值上把磁场噪声信号从测量磁场信号中分离出来比较困难。
目前大多数磁场消噪方法基于频谱特性或统计特性，此类基于信号特征的消噪方法虽然易于实现，但同时也会消弱有用信号的能量谱，不利于后续对微弱有用信号的探测和识别。而建立UUV磁场模型中磁场噪声的未知参数多达18项，且各系数间有很强的复共线性，相关性很高。常规的磁场模型磁场噪声系数求解一般采用小信号法，这种方法在飞机的磁异探测中得到广泛使用。但是该方法对于平台的姿态控制要求很高，适用于飞机等这类较灵活的有人操作平台，但对于UUV则很难达到航行姿态控制的要求。对此，需要考虑一种较为简单、容易操作的UUV磁场噪声预处理方法来求解UUV磁场模型的磁场噪声系数。
发明内容
本发明目的在于针对传统小信号法求解UUV磁场模型的磁场噪声系数中存在的问题和不足，提出一种基于小信号法测量水下航行器磁场噪声系数的方法，易于实现、操作简单，有效降低磁场噪声系数相互间的相关性和模型的复共线性，求解出的模型系数更准确；不会对磁场中有用信号的能量谱产生影响，利于后续对微弱有用信号的探测和识别。
为实现上述目的，本发明提供了基于小信号法测量水下航行器磁场噪声系数的方法，所述方法采取的具体技术方案如下。
基于小信号法测量水下航行器磁场噪声系数的方法，该方法包括建立UUV背景磁场模型；预先测量UUV测量环境的磁场向量；改变UUV的摆放方向，通过大角度姿态的变化测得相应的Hx1，Hx2，Hx3，Hx4；其他条件不变，对UUV施加垂直方向磁场，保持横滚角和俯仰角为零，水平改变UUV的指向，再次通过大角度姿态的变化分别测得Hx5，Hx6，Hx7，Hx8；计算恒定磁场，感应磁场系数以及本地磁场并重复以上步骤，计算UUV磁场的其它参数。
进一步地，该方法包括建立UUV坐标系，首先利用小信号法建立UUV背景磁场模型为恒定磁场、感应磁场和涡流磁场之和，表示为则相应地磁场噪声沿地磁矢量方向的投影表达为：该方法包括如下步骤：
步骤一：忽略涡流磁场，简化UUV背景磁场模型为则相应地磁场噪声沿地磁矢量方向的投影表达为：将该式修正为表示为H＝P+AU+H0，
其中H＝[Hx Hy Hz]T，P＝[P1 P2 P3]T，
U＝[u1 u2 u3]T；
步骤二：预先测量步骤一中UUV测量环境的磁场向量H，表示为H＝[Hx0 Hy0 Hz0]T；
步骤三：改变UUV的摆放方向，通过大角度姿态的变化测得相应的Hx1，Hx2，Hx3，Hx4；
步骤四：其他条件不变，对UUV施加垂直方向磁场ΔHz，保持横滚角ψ和俯仰角λ为零，水平改变UUV的指向，再次通过大角度姿态的变化分别测得Hx5，Hx6，Hx7，Hx8；
步骤五：计算恒定磁场P1，感应磁场系数a11,a12,a13以及本地磁场Hx0,Hy0；重复以上步骤，计算UUV磁场的其它参数。
进一步地，建立UUV坐标系的方法为：将磁探仪置于原点，x轴和其单位矢量与UUV的横轴T平行，对T向左为正；y轴和其单位矢量与UUV的纵轴L平行，以L向前为正；z轴和其单位矢量与UUV的垂直轴V平行，以V向下为正。
进一步地，所述大角度姿态的变化是将UUV的水平指向角度设置成0°，90°，180°，270°。
进一步地，测得的Hx1，Hx2，Hx3，Hx4、Hx5，Hx6，Hx7，Hx8分别表示为：
Hx1＝P1+a11u1+a12u2+a13u3+Hx0
Hx2＝P1-a11u2+a12u1+a13u3+Hy0
Hx3＝P1-a11u1-a12u2+a13u3-Hx0
Hx4＝P1+a11u2-a12u1+a13u3-Hy0
进一步地，将Hx1，Hx2，Hx3，Hx4，Hx5，Hx6，Hx7，Hx8联立即可解得恒定磁场P1，感应磁场系数a11,a12,a13以及本地磁场Hx0,Hy0。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明与传统小信号法相比，能更准确的控制UUV各个方向变化，且可实现大角度变化，降低了系数相互间的相关性和模型的复共线性，求解出的模型系数更准确。
(2)本发明的测量方法易于实现，对陆地测量环境可准确掌握，从而减少环境对测量结果的影响。
(3)本发明所有测量工作可在陆地预先开展实现，降低了海上试验的风险和成本。
附图说明
图1是本发明方法的UUV磁场模型基本坐标和角度定义示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
UUV的恒定磁场是UUV本身结构中铁磁材料的剩磁，是UUV在建造过程中和长期磁化累积而形成的，与UUV机动无关，即使地磁场变为零，这部分磁性仍然存在。在磁探头处的恒定场可分解为与UUV坐标的三轴相平行的分量P1,P2,P3。
标量磁强计所测量的是这些分量在地磁场方向上的投影之和，其值为
其中u1＝cosα,u2＝cosβ,u3＝cosγ为地磁矢量的方向余弦。
在正常条件下，在一定时间内，恒定磁场可视为不变。但当UUV经过长时间转移至地磁场与原来有显著差异的地区后，恒定磁场将发生显著变化。
(2)感应磁场
感应磁场是UUV上的铁磁物质在地磁场感应下磁化产生的磁场，其方向和大小随当地地磁场而成比例地变化。感应磁场在测量点处的三轴分量为
沿地磁矢量方向的投影为
根据方向余弦定理有上式变为
其中：
i≠j时
a11＝(i11-i33)B
a22＝(i22-i33)B
上式括号内已不包括项，而括号外a33是常数，与航向无关，计算时再使用高通或带通滤波器，滤除静态信号，a33项对后续处理不影响，因此可令a33＝0，此时
(3)涡流磁场
涡流磁场是UUV上导电材料在UUV运动中切割地磁场所产生电流引起的磁场，由麦克斯韦方程可知，此电流产生的磁场与地磁场三分量Hx,Hy,Hz的时间导数成正比，可以表示为：
根据方向余弦的性质，u1u′1+u2u′2+u3u′3＝0，令；
则涡流磁场沿地磁矢量方向的投影可表达成：
综合以上，UUV背景磁场可表示为：
则磁场噪声沿地磁矢量方向的投影可表达成：
通常UUV航行速度通常为2-4m/s，而地磁场水平梯度一般在20nT/km以下，可推算出由UUV位置变化引起的地磁分量变化在0.04-0.08nT/s之间，相比UUV航行姿态变化引起的磁场变化小很多。因此，在地磁场均匀分布的情况下或地磁场梯度很小的情况下，可忽略由于位置变化引起的涡流磁场的影响。
UUV磁场模型可简化为：
磁场噪声沿的投影地磁矢量方向的投影可表达成：
UUV磁场模型未知参数多达18项，且各系数间有很强的复共线性，相关性很高。常规的磁场模型系数求解一般采用小信号法，这种方法在飞机的磁异探测中得到广泛使用。但是由于对于平台的姿态控制要求很高，适用于飞机这类较灵活的有人平台，但对于UUV则很难达到航行姿态控制的要求。
因此，本发明提出了基于小信号法测量水下航行器磁场噪声系数的方法，实施步骤如下。
UUV坐标系的选取方法如图所示：将磁探仪置于原点，x轴和其单位矢量与UUV的横轴(T)平行，对T向左为正；y轴和其单位矢量与UUV的纵轴(L)平行，以L向前为正；z轴和其单位矢量与UUV的垂直轴(V)平行，以V向下为正。UUV的运动可以由俯仰角λ、偏转角Ω和横滚角ψ三个角度来表示。俯仰角λ：UUV纵轴L和水平方向夹角(机头向下为正)；偏转角Ω：UUV纵轴L和航向的夹角(机头向左为正)；横滚角ψ：UUV横轴T和水平方向夹角(左翼向下为正)；地磁场矢量的方向由地磁场与x，y，z轴形成的方向角α，β，γ决定。方向余弦(cosα，cosβ，cosγ)可由UUV的机动角、磁偏角和磁倾角表达。UUV的磁航向角θ由左顺时针测量。磁俯仰角φ是地磁场矢量与水平面的夹角，向下为正。
根据三角定理，当横滚、偏转和俯仰角均为零时：
cosα＝cosφsinθ
cosβ＝cosφcosθ
cosγ＝sinφ
当UUV作横滚机动时，俯仰角λ、偏转角Ω为零，横滚角+ψ不为零，地磁场矢量的方向余弦在磁探仪坐标系中的表达式为：
cosα＝cosφsinθcosψ+sinψsinφ
cosβ＝cosφcosθ
cosγ＝sinφcosψ-cosφsinθsinψ
对于横滚角和偏转角为零的俯仰机动：
cosα＝cosφsinθ
cosβ＝cosφcosθcosλ+sinφsinλ
cosγ＝sinφcosλ-cosφcosθsinλ
对于横滚角和俯仰角为零的偏转机动：
cosα＝cosφsinθcosΩ-cosφcosθsinΩ
cosβ＝cosφcosθcosΩ+cosφsinθsinΩ
cosγ＝sinφ
第一步：利用传统的小信号法建立UUV背景磁场模型为恒定磁场、感应磁场和涡流磁场之和，可表示为：
则磁场噪声沿地磁矢量方向的投影可表达成：
由于UUV航速较低，相比UUV航行姿态变化引起的磁场变化小很多。因此，在地磁场均匀分布的情况下或地磁场梯度很小的情况下，可忽略由于位置变化引起的涡流磁场的影响。
UUV磁场模型可简化为：
磁场噪声沿的投影地磁矢量方向的投影可表达成：
考虑到地磁场的影响，上式修正为
也表示为H＝P+AU+H0。
其中，
H＝[Hx Hy Hz]T，
P＝[P1 P2 P3]T，
U＝[u1 u2 u3]T。
第二步：预先测量UUV测量环境的磁场向量H，表示为H＝[Hx0 Hy0 Hz0]T。
第三步：改变UUV的摆放方向以改变UUV磁场的水平方向，在航行中可理解为水平面航向偏航。下面以偏航为例，UUV的横滚角和俯仰角为零，偏航角为Ω，则转移矩阵为：
则偏航以后UUV磁场的模型变为
H＝P+CAU+CH0
在地面上通过大角度的变化，以降低系数相互间的相关性和模型的复共线性。以Hx为例，分别将水平指向角度设置成0°，90°，180°，270°，可以测得相应的Hx1，Hx2，Hx3，Hx4。
Hx1＝P1+a11u1+a12u2+a13u3+Hx0
Hx2＝P1-a11u2+a12u1+a13u3+Hy0
Hx3＝P1-a11u1-a12u2+a13u3-Hx0
Hx4＝P1+a11u2-a12u1+a13u3-Hy0
第四步：保持其他条件不变，对UUV施加垂直方向磁场ΔHz。则地磁场发生改变，地磁场的方向也随着发生了变化。此时的方向余弦为
其中：是变化后的地磁场标量，u4,u5,u6分别是UUV关于x，y，z轴新的方向余弦。
同样，保持横滚角和俯仰角为零，水平改变UUV的指向，再次将偏航角改变0°，90°，180°，270°,分别测得Hx5，Hx6，Hx7，Hx8。
Hx5＝P1+a11u4+a12u5+a13u6+Hx0
Hx6＝P1-a11u5+a12u4+a13u6+Hy0
Hx7＝P1-a11u4-a12u5+a13u6-Hx0
Hx8＝P1+a11u5-a12u4+a13u6-Hy0
第五步：将上述两式联立，如下：
Hx1＝P1+a11u1+a12u2+a13u3+Hx0
Hx2＝P1-a11u2+a12u1+a13u3+Hy0
Hx3＝P1-a11u1-a12u2+a13u3-Hx0
Hx4＝P1+a11u2-a12u1+a13u3-Hy0
Hx5＝P1+a11u4+a12u5+a13u6+Hx0
Hx6＝P1-a11u5+a12u4+a13u6+Hy0
Hx7＝P1-a11u4-a12u5+a13u6-Hx0
Hx8＝P1+a11u5-a12u4+a13u6-Hy0
即可解得恒定磁场P1，感应磁场系数a11,a12,a13以及本地磁场Hx0,Hy0。
按照同样的方法可以解出UUV磁场的其余12项参数。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，仍然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.基于小信号法测量水下航行器磁场噪声系数的方法，其特征在于，该方法包括建立UUV背景磁场模型；预先测量UUV测量环境的磁场向量；改变UUV的摆放方向，通过大角度姿态的变化测得相应的Hx1，Hx2，Hx3，Hx4；其他条件不变，对UUV施加垂直方向磁场，保持横滚角和俯仰角为零，水平改变UUV的指向，再次通过大角度姿态的变化分别测得Hx5，Hx6，Hx7，Hx8；计算恒定磁场，感应磁场系数以及本地磁场并重复以上步骤，计算UUV磁场的其它参数。
2.如权利要求1所述基于小信号法测量水下航行器磁场噪声系数的方法，其特征在于，该方法包括建立UUV坐标系，首先利用小信号法建立UUV背景磁场模型为恒定磁场、感应磁场和涡流磁场之和，表示为则相应地磁场噪声沿地磁矢量方向的投影表达为：具体操作步骤如下：
步骤一：忽略涡流磁场，简化UUV背景磁场模型为则相应地磁场噪声沿地磁矢量方向的投影表达为：将该式修正为表示为H＝P+AU+H0，
其中H＝[Hx Hy Hz]T，P＝[P1 P2 P3]T，
U＝[u1 u2 u3]T；
步骤二：预先测量步骤一中UUV测量环境的磁场向量H，表示为H＝[Hx0 Hy0 Hz0]T；
步骤三：改变UUV的摆放方向，通过大角度姿态的变化测得相应的Hx1，Hx2，Hx3，Hx4；
步骤四：其他条件不变，对UUV施加垂直方向磁场ΔHz，保持横滚角ψ和俯仰角λ为零，水平改变UUV的指向，再次通过大角度姿态的变化分别测得Hx5，Hx6，Hx7，Hx8；
步骤五：计算恒定磁场P1，感应磁场系数a11,a12,a13以及本地磁场Hx0,Hy0；重复以上步骤，计算UUV磁场的其它参数。
3.如权利要求2所述基于小信号法测量水下航行器磁场噪声系数的方法，其特征在于，建立UUV坐标系的方法为：将磁探仪置于原点，x轴和其单位矢量与UUV的横轴T平行，对T向左为正；y轴和其单位矢量与UUV的纵轴L平行，以L向前为正；z轴和其单位矢量与UUV的垂直轴V平行，以V向下为正。
4.如权利要求2所述基于小信号法测量水下航行器磁场噪声系数的方法，其特征在于，所述大角度姿态的变化是将UUV的水平指向角度设置成0°，90°，180°，270°。
5.如权利要求2所述基于小信号法测量水下航行器磁场噪声系数的方法，其特征在于，测得的Hx1，Hx2，Hx3，Hx4、Hx5，Hx6，Hx7，Hx8分别表示为：
Hx1＝P1+a11u1+a12u2+a13u3+Hx0
Hx2＝P1-a11u2+a12u1+a13u3+Hy0
Hx3＝P1-a11u1-a12u2+a13u3-Hx0
Hx4＝P1+a11u2-a12u1+a13u3-Hy0
6.如权利要求5所述基于小信号法测量水下航行器磁场噪声系数的方法，其特征在于，将Hx1，Hx2，Hx3，Hx4，Hx5，Hx6，Hx7，Hx8联立即可解得恒定磁场P1，感应磁场系数a11,a12,a13以及本地磁场Hx0,Hy0。
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