CN112393745A - 磁浮标的航向误差在线补偿方法 - Google Patents

磁浮标的航向误差在线补偿方法 Download PDF

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CN112393745A CN202011296005.5A CN202011296005A CN112393745A CN 112393745 A CN112393745 A CN 112393745A CN 202011296005 A CN202011296005 A CN 202011296005A CN 112393745 A CN112393745 A CN 112393745A
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Abstract

本发明提供了一种磁浮标的航向误差在线补偿方法，该方法包括：确认磁浮标仅具有永磁特性或同时具有永磁和感磁特性；当磁浮标仅具有永磁特性时，给出磁浮标永磁标定方程；根据磁浮标永磁标定方程，求解磁干扰系数；在磁浮标永磁标定方程以及磁干扰系数的基础上，在线补偿磁浮标晃动时引入的磁干扰以实现对磁浮标的航向误差的在线补偿；当磁浮标同时具有永磁和感磁特性时，给出磁浮标永磁和感磁标定方程；求解磁干扰系数；在磁浮标永磁和感磁标定方程以及磁干扰系数的基础上，对磁浮标的航向误差的在线补偿。应用本发明的技术方案，以解决现有技术中由于磁浮标自身晃动所导致的待测信号信噪比低、探测距离短且目标易丢失的技术问题。

Description

磁浮标的航向误差在线补偿方法
技术领域
本发明涉及水下磁探技术领域，尤其涉及一种磁浮标的航向误差在线补偿方法。
背景技术
目前，现有完全依赖声学探测的反潜探测体系已面临挑战，传统声学探潜效能呈现持续降低趋势，已经远远不能满足海洋安全防护的需求，亟需发展非声隐身特征信号的探测技术。其中水下磁场的非声物理特征凸显，其探测和隐身防护技术已经成为各国海军非常关注的一个方向。浮标因其体积小、易布放、成本低等优势，已成为海洋中最常用的探测载体。但是由于浮标在海水中会随着海浪等作用产生横滚、航向以及俯仰三个方向的晃动，因此浮标内的磁传感器会测得浮标载体自身晃动引起的干扰噪声，大大降低了待测信号的信噪比，成为了制约磁浮标应用的最大瓶颈之一。
发明内容
本发明提供了一种磁浮标的航向误差在线补偿方法，能够解决现有技术中由于磁浮标自身晃动所导致的待测信号信噪比低、探测距离短且目标易丢失的技术问题。
本发明提供了一种磁浮标的航向误差在线补偿方法，磁浮标的航向误差在线补偿方法包括：在磁浮标内固定连接三轴磁阻；确认磁浮标仅具有永磁特性或同时具有永磁和感磁特性；当磁浮标仅具有永磁特性时，给出磁浮标永磁标定方程；根据磁浮标永磁标定方程，设计磁浮标的磁干扰标定试验以求解磁浮标在各个方向的磁浮标永磁标定方程的磁干扰系数；在磁浮标永磁标定方程以及磁干扰系数的基础上，基于磁浮标内的三轴磁阻所获取的磁浮标的实时姿态信息在线补偿磁浮标晃动时引入的磁干扰以实现对磁浮标的航向误差的在线补偿；当磁浮标同时具有永磁和感磁特性时，给出磁浮标永磁和感磁标定方程；根据磁浮标永磁和感磁标定方程，设计磁浮标的磁干扰标定试验以求解磁浮标在各个方向的磁浮标永磁和感磁标定方程的磁干扰系数；在磁浮标永磁和感磁标定方程以及磁干扰系数的基础上，基于磁浮标内的三轴磁阻所获取的磁浮标的实时姿态信息在线补偿磁浮标晃动时引入的磁干扰以实现对磁浮标的航向误差的在线补偿。
进一步地，在求解磁浮标在各个方向的磁浮标永磁标定方程的磁干扰系数之后，航向误差在线补偿方法还包括：对磁干扰系数进行优化；在磁浮标永磁标定方程以及优化后的磁干扰系数的基础上，基于磁浮标内的三轴磁阻所获取的磁浮标的实时姿态信息在线补偿磁浮标晃动时引入的磁干扰以实现对磁浮标的航向误差的在线补偿。
进一步地，在求解磁浮标在各个方向的磁浮标永磁和感磁标定方程的磁干扰系数之后，航向误差在线补偿方法还包括：对磁干扰系数进行优化；在磁浮标永磁和感磁标定方程以及优化后的磁干扰系数的基础上，基于磁浮标内的三轴磁阻所获取的磁浮标的实时姿态信息在线补偿磁浮标晃动时引入的磁干扰以实现对磁浮标的航向误差的在线补偿。
进一步地，磁浮标永磁标定方程为
Figure BDA0002785307980000021
其中，E为磁强计测量的总场，T为地磁场，Hp为磁浮标的永磁系数，u1为三轴磁阻坐标系X轴相对于地磁场矢量的方向余弦，u2为三轴磁阻坐标系Y轴相对于地磁场矢量的方向余弦，u3为三轴磁阻坐标系Z轴相对于地磁场矢量的方向余弦，c1为永磁干扰源在三轴磁阻坐标系X轴上的投影，c2为永磁干扰源在三轴磁阻坐标系Y轴上的投影，c3为永磁干扰源在三轴磁阻坐标系Z轴上的投影。
进一步地，磁浮标永磁和感磁标定方程为
Figure BDA0002785307980000031
其中，Hi为磁浮标的感磁系数，c4为感磁干扰源正比于地磁场在三轴磁阻坐标系X方向投影的磁场分别在X方向产生的感磁干扰，c5为感磁干扰源正比于地磁场在三轴磁阻坐标系X方向投影的磁场分别在Y方向产生的感磁干扰，c6为感磁干扰源正比于地磁场在三轴磁阻坐标系X方向投影的磁场分别在Z方向产生的感磁干扰，c7为感磁干扰源正比于地磁场在三轴磁阻坐标系Y方向投影的磁场分别在X方向产生的感磁干扰，c8为感磁干扰源正比于地磁场在三轴磁阻坐标系Y方向投影的磁场分别在Y方向产生的感磁干扰，c9为感磁干扰源正比于地磁场在三轴磁阻坐标系Y方向投影的磁场分别在Z方向产生的感磁干扰，c10为感磁干扰源正比于地磁场在三轴磁阻坐标系Z方向投影的磁场分别在X方向产生的感磁干扰，c11为感磁干扰源正比于地磁场在三轴磁阻坐标系Z方向投影的磁场分别在Y方向产生的感磁干扰，c12为感磁干扰源正比于地磁场在三轴磁阻坐标系Z方向投影的磁场分别在Z方向产生的感磁干扰。
进一步地，设计磁浮标的磁干扰标定试验以求解磁浮标在各个方向的磁浮标永磁标定方程的磁干扰系数具体包括：设计三轴磁阻的z轴指地，三轴磁阻的x轴分别指向北向、东向、南向以及西向，分别获取x轴在北向、东向、南向以及西向所对应的三轴相对于地磁场矢量的方向余弦(u1'，u2'，u3')，将x轴在北向、东向、南向以及西向所对应的三轴相对于地磁场矢量的方向余弦(u1'，u2'，u3')分别代入磁浮标永磁标定方程以形成第一超定方程，利用最小二乘法求解第一超定方法以获取磁浮标在各个方向的磁干扰系数。
进一步地，设计磁浮标的磁干扰标定试验以求解磁浮标在各个方向的磁浮标永磁和感磁标定方程的磁干扰系数具体包括：设计三轴磁阻的z轴指地，三轴磁阻的x轴分别指向北向、东向、南向以及西向，分别获取x轴在北向、东向、南向以及西向所对应的三轴相对于地磁场矢量的方向余弦(u1'，u2'，u3')；设计三轴磁阻的y轴指天，三轴磁阻的x轴分别指向北向、东向、南向以及西向，分别获取y轴在北向、东向、南向以及西向所对应的三轴相对于地磁场矢量的方向余弦(u1”，u2”，u3”)；设计三轴磁阻的x轴指地，三轴磁阻的z轴分别指向北向、东向、南向以及西向，分别获取z轴在北向、东向、南向以及西向所对应的三轴相对于地磁场矢量的方向余弦(u1”'，u2”'，u3”')；将x轴在北向、东向、南向以及西向所对应的三轴相对于地磁场矢量的方向余弦(u1'，u2'，u3')、y轴在北向、东向、南向以及西向所对应的三轴相对于地磁场矢量的方向余弦(u1”，u2”，u3”)和z轴在北向、东向、南向以及西向所对应的三轴相对于地磁场矢量的方向余弦(u1”'，u2”'，u3”')分别代入磁浮标永磁和感磁标定方程以形成第二超定方程，利用最小二乘法求解第二超定方法以获取磁浮标在各个方向的磁干扰系数。
进一步地，当磁浮标仅具有永磁特性时，对磁干扰系数进行优化具体包括：利用m个已知的三轴磁阻的三轴相对于地磁场矢量的方向余弦(u1(i)，u2(i)，u3(i))，根据ΔBi＝Hp＝c1*u1(i)+c2*u2(i)+c3*u3(i)求解m个ΔBi，其中，根据Q1＝ΔBi-ΔB求解m个Q1，i＝1:m，ΔB＝E-T,将Q1值为最大所对应的方向余弦(u1(i)，u2(i)，u3(i))所在的磁浮标永磁标定方程删除，重新将m-1个已知的三轴磁阻的三轴相对于地磁场矢量的方向余弦(u1(i)，u2(i)，u3(i))分别代入磁浮标永磁标定方程求解获取磁浮标在各个方向的优化后的磁干扰系数。
进一步地，当磁浮标同时具有永磁和感磁特性时，对磁干扰系数进行优化具体包括：利用n个已知的三轴磁阻的三轴相对于地磁场矢量的方向余弦(u1(j)，u2(j)，u3(j))，根据ΔBj＝Hp+Hi*T求解n个ΔBj，其中，根据Q1＝ΔBj-ΔB求解n个Q1，j＝1:n，ΔB＝E-T,将Q2值为最大所对应的方向余弦(u1(j)，u2(j)，u3(j))所在的磁浮标永磁和感磁标定方程删除，重新将n-1个已知的三轴磁阻的三轴相对于地磁场矢量的方向余弦(u1(j)，u2(j)，u3(j)))分别代入磁浮标永磁和感磁标定方程求解获取磁浮标在各个方向的优化后的磁干扰系数。
进一步地，确认磁浮标仅具有永磁特性或同时具有永磁和感磁特性具体包括：将磁浮标放置在磁屏蔽桶内，在第一磁场强度的总磁场环境下利用磁传感器测量磁浮标的第一磁干扰；改变总磁场环境的磁场强度，在第二磁场强度的总磁场环境下利用磁传感器测量磁浮标的第二磁干扰；若第一磁干扰与第二磁干扰相同，则磁浮标仅具有永磁特性；若第一磁干扰与第二磁干扰不相同，则磁浮标同时具有永磁和感磁特性。
应用本发明的技术方案，提供了一种磁浮标的航向误差在线补偿方法，该方法通过对磁浮标进行永磁以及感磁系数的标定，利用三轴磁阻的实时方位信息可以在线对晃动磁浮标的姿态变化引起的磁场误差进行补偿，有效地降低了磁浮标在海水中实际应用时由于海浪、海流等因素引起的晃动噪声，提高了待测信号的信噪比，从而保证磁浮标在恶劣海况下也具备磁探测能力，可以提高探测距离并减小目标丢失风险。
附图说明
所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了根据本发明的具体实施例提供的磁浮标在海水中晃动的示意图；
图2(a)至图2(c)示出了根据本发明的具体实施例提供的磁浮标永磁感磁标定系数试验的示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
如图1至图2(c)所示，根据本发明的具体实施例提供了一种磁浮标的航向误差在线补偿方法，该磁浮标的航向误差在线补偿方法包括：在磁浮标内固定连接三轴磁阻；确认磁浮标仅具有永磁特性或同时具有永磁和感磁特性；当磁浮标仅具有永磁特性时，给出磁浮标永磁标定方程；根据磁浮标永磁标定方程，设计磁浮标的磁干扰标定试验以求解磁浮标在各个方向的磁浮标永磁标定方程的磁干扰系数；在磁浮标永磁标定方程以及磁干扰系数的基础上，基于磁浮标内的三轴磁阻所获取的磁浮标的实时姿态信息在线补偿磁浮标晃动时引入的磁干扰以实现对磁浮标的航向误差的在线补偿；当磁浮标同时具有永磁和感磁特性时，给出磁浮标永磁和感磁标定方程；根据磁浮标永磁和感磁标定方程，设计磁浮标的磁干扰标定试验以求解磁浮标在各个方向的磁浮标永磁和感磁标定方程的磁干扰系数；在磁浮标永磁和感磁标定方程以及磁干扰系数的基础上，基于磁浮标内的三轴磁阻所获取的磁浮标的实时姿态信息在线补偿磁浮标晃动时引入的磁干扰以实现对磁浮标的航向误差的在线补偿。
应用此种配置方式，提供了一种磁浮标的航向误差在线补偿方法，该方法通过对磁浮标进行永磁以及感磁系数的标定，利用三轴磁阻的实时方位信息可以在线对晃动磁浮标的姿态变化引起的磁场误差进行补偿，有效地降低了磁浮标在海水中实际应用时由于海浪、海流等因素引起的晃动噪声，提高了待测信号的信噪比，从而保证磁浮标在恶劣海况下也具备磁探测能力，可以提高探测距离并减小目标丢失风险。
进一步地，在本发明中，为了进一步地提高误差补偿精度，当磁浮标仅具有永磁特性时，在求解磁浮标在各个方向的磁浮标永磁标定方程的磁干扰系数之后，航向误差在线补偿方法还包括：对磁干扰系数进行优化；在磁浮标永磁标定方程以及优化后的磁干扰系数的基础上，基于磁浮标内的三轴磁阻所获取的磁浮标的实时姿态信息在线补偿磁浮标晃动时引入的磁干扰以实现对磁浮标的航向误差的在线补偿。当磁浮标同时具有永磁和感磁特性时，在求解磁浮标在各个方向的磁浮标永磁和感磁标定方程的磁干扰系数之后，航向误差在线补偿方法还包括：对磁干扰系数进行优化；在磁浮标永磁和感磁标定方程以及优化后的磁干扰系数的基础上，基于磁浮标内的三轴磁阻所获取的磁浮标的实时姿态信息在线补偿磁浮标晃动时引入的磁干扰以实现对磁浮标的航向误差的在线补偿。
具体地，在本发明中，磁浮标在海水中应用时，在海浪、海流等作用下会产生横滚、俯仰以及航向的姿态变化，如图1所示。由于磁浮标的外部结构、内部电路以及连接器等器部件不可避免会选用金属材料，因此在磁浮标晃动过程中，磁浮标内部装载的磁探测传感器会测量到磁浮标自身的磁干扰，从而增加了测量带宽内的噪声，降低了磁探测传感器的探测距离，若海况剧烈有可能会造成目标丢失。本发明所提供的航向误差在线补偿方法通过对磁浮标进行永磁以及感磁系数的标定，然后利用三轴磁阻实时获得的浮标姿态信息对浮标的姿态变化引起的磁场误差进行补偿的方法，为磁浮标在海洋中工程应用提供了技术支持。下面对本发明所提供的航向误差在线补偿方法的各个步骤进行详细说明。
首先，需要在磁浮标内固定连接三轴磁阻，三轴磁阻可以用于实时获取浮标三个转轴与地磁场的夹角变化，令三轴磁阻的三个轴与磁浮标的三个转动轴重合；确认磁浮标仅具有永磁特性或同时具有永磁和感磁特性。具体地，在磁屏蔽桶内利用磁传感器对磁浮标的所有结构以及内部电路、连接器等器部件进行磁性测试。在第一磁场强度的总磁场环境下利用磁传感器测量磁浮标的第一磁干扰；改变总磁场环境的磁场强度，在第二磁场强度的总磁场环境下利用磁传感器测量磁浮标的第二磁干扰；若第一磁干扰与第二磁干扰相同，则磁浮标仅具有永磁特性；若第一磁干扰与第二磁干扰不相同，则磁浮标同时具有永磁和感磁特性。根据上述过程完成磁浮标的结构以及器部件的磁性测试，确认磁浮标仅具有永磁影响，或同时具备永磁和感磁的影响。
然后，根据所确认的磁浮标仅具有永磁影响，或同时具备永磁和感磁的影响，给出磁浮标永磁标定方程以及磁浮标永磁和感磁标定方程。
若磁浮标仅具有永磁干扰，磁浮标永磁标定方程为
Figure BDA0002785307980000091
其中，E为位于磁浮标内的磁强计测量的总场，T为地磁场，Hp为磁浮标的永磁系数，u1为三轴磁阻坐标系X轴相对于地磁场矢量的方向余弦，u2为三轴磁阻坐标系Y轴相对于地磁场矢量的方向余弦，u3为三轴磁阻坐标系Z轴相对于地磁场矢量的方向余弦，c1为永磁干扰源在三轴磁阻坐标系X轴上的投影，c2为永磁干扰源在三轴磁阻坐标系Y轴上的投影，c3为永磁干扰源在三轴磁阻坐标系Z轴上的投影。
若磁浮标同时具有永磁和感磁干扰，磁浮标永磁和感磁标定方程为
Figure BDA0002785307980000101
其中，Hi为磁浮标的感磁系数，c4为感磁干扰源正比于地磁场在三轴磁阻坐标系X方向投影的磁场分别在X方向产生的感磁干扰，c5为感磁干扰源正比于地磁场在三轴磁阻坐标系X方向投影的磁场分别在Y方向产生的感磁干扰，c6为感磁干扰源正比于地磁场在三轴磁阻坐标系X方向投影的磁场分别在Z方向产生的感磁干扰，c7为感磁干扰源正比于地磁场在三轴磁阻坐标系Y方向投影的磁场分别在X方向产生的感磁干扰，c8为感磁干扰源正比于地磁场在三轴磁阻坐标系Y方向投影的磁场分别在Y方向产生的感磁干扰，c9为感磁干扰源正比于地磁场在三轴磁阻坐标系Y方向投影的磁场分别在Z方向产生的感磁干扰，c10为感磁干扰源正比于地磁场在三轴磁阻坐标系Z方向投影的磁场分别在X方向产生的感磁干扰，c11为感磁干扰源正比于地磁场在三轴磁阻坐标系Z方向投影的磁场分别在Y方向产生的感磁干扰，c12为感磁干扰源正比于地磁场在三轴磁阻坐标系Z方向投影的磁场分别在Z方向产生的感磁干扰。为了减小计算复杂度，可以令C1＝c5+c7，C2＝c6+c10，C3＝c9+c11，在后续求解磁干扰系数时，无需单独求解c5，c6，c7，c9，c10，c11，仅求解C1，C2，C3即可，由此极大地减少运算量。
接着，根据磁浮标的标定方程设计磁干扰标定试验，并利用最小二乘法求解各个方向的磁干扰系数。
若磁浮标仅具有永磁干扰，为了求解磁浮标永磁标定方程的永磁系数，由于磁浮标永磁标定方程的永磁系数共有三个未知数，需要至少三个方程进行求解。为了减小测试误差，拟设计m(m＞3)个方程进行求解。假设m＝4，设计三轴磁阻的z轴指地，三轴磁阻的x轴分别指向北向、东向、南向以及西向，分别获取x轴在北向、东向、南向以及西向所对应的三轴相对于地磁场矢量的方向余弦(u1'，u2'，u3')，将x轴在北向、东向、南向以及西向所对应的三轴相对于地磁场矢量的方向余弦(u1'，u2'，u3')分别代入磁浮标永磁标定方程以形成四个方程，这四个方程构成第一超定方程，利用最小二乘法求解第一超定方法以获取磁浮标在各个方向的磁干扰系数c1、c2和c3。其中，如图2(a)所示，x轴在北向所对应的三轴相对于地磁场矢量的方向余弦(u1'，u2'，u3')为[cosαcosθ,cosαsinθ,sinα]，x轴在东向所对应的三轴相对于地磁场矢量的方向余弦(u1'，u2'，u3')为[cosα(sinθ),cosα(-cosθ),sinα]，x轴在南向所对应的三轴相对于地磁场矢量的方向余弦(u1'，u2'，u3')为[cosα(-cosθ),cosα(-sinθ),sinα]，x轴在西向所对应的三轴相对于地磁场矢量的方向余弦(u1'，u2'，u3')为[cosα(-sinθ),cosα(cosθ),sinα]。
若磁浮标同时具有永磁和感磁干扰，为了求解磁浮标永磁标定方程的永磁和感磁系数，由于磁浮标永磁标定方程的永磁和感磁系数共有九个未知数，需要至少九个方程进行求解。为了减小测试误差，拟设计n(n＞9)个方程进行求解。
假设n＝12，设计三轴磁阻的z轴指地，三轴磁阻的x轴分别指向北向、东向、南向以及西向，分别获取x轴在北向、东向、南向以及西向所对应的三轴相对于地磁场矢量的方向余弦(u1'，u2'，u3')，其中，如图2(a)所示，x轴在北向所对应的三轴相对于地磁场矢量的方向余弦(u1'，u2'，u3')为[cosαcosθ,cosαsinθ,sinα]，x轴在东向所对应的三轴相对于地磁场矢量的方向余弦(u1'，u2'，u3')为[cosα(sinθ),cosα(-cosθ),sinα]，x轴在南向所对应的三轴相对于地磁场矢量的方向余弦(u1'，u2'，u3')为[cosα(-cosθ),cosα(-sinθ),sinα]，x轴在西向所对应的三轴相对于地磁场矢量的方向余弦(u1'，u2'，u3')为[cosα(-sinθ),cosα(cosθ),sinα]。
设计三轴磁阻的y轴指天，三轴磁阻的x轴分别指向北向、东向、南向以及西向，分别获取y轴在北向、东向、南向以及西向所对应的三轴相对于地磁场矢量的方向余弦(u1”，u2”，u3”)，其中，如图2(b)所示，x轴在北向所对应的三轴相对于地磁场矢量的方向余弦(u1”，u2”，u3”)为[cosαcosθ,-sinα,cosαsinθ]，x轴在东向所对应的三轴相对于地磁场矢量的方向余弦(u1”，u2”，u3”)为[cosα(sinθ),-sinα,cosα(-cosθ)]，x轴在南向所对应的三轴相对于地磁场矢量的方向余弦(u1”，u2”，u3”)为[cosα(-cosθ),-sinα,cosα(-sinθ)]，x轴在西向所对应的三轴相对于地磁场矢量的方向余弦(u1”，u2”，u3”)为[cosα(-sinθ),-sinα,cosα(cosθ)]。
设计三轴磁阻的x轴指地，三轴磁阻的z轴分别指向北向、东向、南向以及西向，分别获取z轴在北向、东向、南向以及西向所对应的三轴相对于地磁场矢量的方向余弦(u1”'，u2”'，u3”')，其中，如图2(c)所示，z轴在北向所对应的三轴相对于地磁场矢量的方向余弦(u1”'，u2”'，u3”')为[-sinα,cosαsinθ,cosαcosθ]，z轴在东向所对应的三轴相对于地磁场矢量的方向余弦(u1”'，u2”'，u3”')为[-sinα,cosα(-cosθ),cosα(sinθ)]，z轴在南向所对应的三轴相对于地磁场矢量的方向余弦(u1”'，u2”'，u3”')为[-sinα,cosα(-sinθ),cosα(-cosθ)]，z轴在西向所对应的三轴相对于地磁场矢量的方向余弦(u1”'，u2”'，u3”')为[-sinα,cosα(cosθ),cosα(-sinθ)]。
将x轴在北向、东向、南向以及西向所对应的三轴相对于地磁场矢量的方向余弦(u1'，u2'，u3')、y轴在北向、东向、南向以及西向所对应的三轴相对于地磁场矢量的方向余弦(u1”，u2”，u3”)和z轴在北向、东向、南向以及西向所对应的三轴相对于地磁场矢量的方向余弦(u1”'，u2”'，u3”')分别代入磁浮标永磁和感磁标定方程以形成12个方程，该12个方程构成第二超定方程，利用最小二乘法求解第二超定方法以获取磁浮标在各个方向的磁干扰系数c1-c4，c8，c12以及C1-C3。
在本发明中，为了进一步地提高误差补偿精度，在求解磁浮标在各个方向的磁浮标永磁标定方程的磁干扰系数之后，可以对磁干扰系数进行优化。具体地，利用m个已知的三轴磁阻的三轴相对于地磁场矢量的方向余弦(u1(i)，u2(i)，u3(i))，根据ΔBi＝Hp＝c1*u1(i)+c2*u2(i)+c3*u3(i)求解m个ΔBi，其中，根据Q1＝ΔBi-ΔB求解m个Q1，i＝1:m，ΔB＝E-T,将Q1值为最大所对应的方向余弦(u1(i)，u2(i)，u3(i))所在的磁浮标永磁标定方程删除，重新将m-1个已知的三轴磁阻的三轴相对于地磁场矢量的方向余弦(u1(i)，u2(i)，u3(i))分别代入磁浮标永磁标定方程求解获取磁浮标在各个方向的优化后的磁干扰系数。
此外，当磁浮标同时具有永磁和感磁特性时，为了进一步地提高误差补偿精度，在求解磁浮标在各个方向的磁浮标永磁和感磁标定方程的磁干扰系数之后，可以对磁干扰系数进行优化。对磁干扰系数进行优化具体包括：利用n个已知的三轴磁阻的三轴相对于地磁场矢量的方向余弦(u1(j)，u2(j)，u3(j))，根据ΔBj＝Hp+Hi*T求解n个ΔBj，其中，根据Q1＝ΔBj-ΔB求解n个Q1，j＝1:n，ΔB＝E-T,将Q2值为最大所对应的方向余弦(u1(j)，u2(j)，u3(j))所在的磁浮标永磁和感磁标定方程删除，重新将n-1个已知的三轴磁阻的三轴相对于地磁场矢量的方向余弦(u1(j)，u2(j)，u3(j)))分别代入磁浮标永磁和感磁标定方程求解获取磁浮标在各个方向的优化后的磁干扰系数。
最后，在对磁干扰系数进行优化之后，即可基于三轴磁阻的实时姿态信息在线补偿磁浮标晃动时引入的磁干扰。假设三轴磁阻的实时信息为(xt,yt,zt)，(xt,yt,zt)分别为三轴磁阻三个轴测量的磁场值，则三轴磁阻坐标系三轴X、Y、Z相对于地磁场矢量的方向余弦u1(t)，u2(t)和u3(t)为：
Figure BDA0002785307980000141
当磁浮标仅具有永磁特性时，将三轴磁阻坐标系三轴X、Y、Z相对于地磁场矢量的方向余弦u1(t)，u2(t)和u3(t)以及优化后的磁干扰系数代入磁浮标永磁标定方程，求解磁浮标的永磁系数Hp(t)。若磁传感器获得的实时磁场为Bt，则补偿后的磁场值为bt(t)＝Bt(t)-Hp(t)。
当磁浮标同时具有永磁和感磁特性时，将三轴磁阻坐标系三轴X、Y、Z相对于地磁场矢量的方向余弦u1(t)，u2(t)和u3(t)以及优化后的磁干扰系数代入磁浮标永磁和感磁标定方程，求解磁浮标的永磁系数Hp(t)和感磁系数Hi(t)。若磁传感器获得的实时磁场为Bt，则补偿后的磁场值为bt(t)＝Bt(t)-(Hp(t)+T*Hi(t))。
为了对本发明有进一步地了解，下面结合图1至图2(c)对本发明所提供的磁浮标的航向误差在线补偿方法进行详细说明。
如图1至图2(c)所示，根据本发明的具体实施例提供了一种磁浮标的航向误差在线补偿方法，该方法具体包括如下步骤。
步骤一，在磁浮标内固定连接三轴磁阻；确认磁浮标仅具有永磁特性或同时具有永磁和感磁特性。
在磁屏蔽桶内利用磁传感器对浮标所有结构以及内部电路、连接器等器部件进行磁性测试：例如器件A放置在距离磁传感器XAcm位置处,在20000nT总磁场环境下测得磁干扰为BAnT；在50000nT总磁场环境下同一位置处测得的磁干扰为B’AnT；若B’A＝BA，则该器部件只需要考虑永磁的影响；若B’A≠BA，则该器部件在考虑永磁的同时还需要考虑感磁的影响。经测试，在本实施例中，磁浮标在不同磁场环境下的磁干扰均相同，因此磁浮标仅具有永磁特性。
步骤二，根据步骤一中的结果，给出磁浮标永磁标定方程。若磁浮标仅具有永磁干扰，磁浮标永磁标定方程为
Figure BDA0002785307980000151
其中，E为位于磁浮标内的磁强计测量的总场，T为地磁场，Hp为磁浮标的永磁系数，u1为三轴磁阻坐标系X轴相对于地磁场矢量的方向余弦，u2为三轴磁阻坐标系Y轴相对于地磁场矢量的方向余弦，u3为三轴磁阻坐标系Z轴相对于地磁场矢量的方向余弦，c1为永磁干扰源在三轴磁阻坐标系X轴上的投影，c2为永磁干扰源在三轴磁阻坐标系Y轴上的投影，c3为永磁干扰源在三轴磁阻坐标系Z轴上的投影。
步骤三：根据步骤二中的磁浮标永磁标定方程设计整标的磁干扰标定试验，并利用最小二乘法求解各个方向的磁干扰系数。假设m＝4，设计三轴磁阻的z轴指地，三轴磁阻的x轴分别指向北向、东向、南向以及西向，分别获取x轴在北向、东向、南向以及西向所对应的三轴相对于地磁场矢量的方向余弦(u1'，u2'，u3')，将x轴在北向、东向、南向以及西向所对应的三轴相对于地磁场矢量的方向余弦(u1'，u2'，u3')分别代入磁浮标永磁标定方程以形成四个方程，这四个方程构成第一超定方程，利用最小二乘法求解第一超定方法以获取磁浮标在各个方向的磁干扰系数c1、c2和c3。
步骤四，优化步骤三中求解的各方向磁干扰系数。利用m个已知的三轴磁阻的三轴相对于地磁场矢量的方向余弦(u1(i)，u2(i)，u3(i))，根据ΔBi＝Hp＝c1*u1(i)+c2*u2(i)+c3*u3(i)求解m个ΔBi，其中，根据Q1＝ΔBi-ΔB求解m个Q1，i＝1:m，ΔB＝E-T,将Q1值为最大所对应的方向余弦(u1(i)，u2(i)，u3(i))所在的磁浮标永磁标定方程删除，重新将m-1个已知的三轴磁阻的三轴相对于地磁场矢量的方向余弦(u1(i)，u2(i)，u3(i))分别代入磁浮标永磁标定方程求解获取磁浮标在各个方向的优化后的磁干扰系数。
步骤五，基于三轴磁阻的实时姿态信息在线补偿浮标晃动时引入的磁干扰。假设三轴磁阻的实时信息为(xt,yt,zt)，(xt,yt,zt)分别为三轴磁阻三个轴测量的磁场值，则三轴磁阻坐标系三轴X、Y、Z相对于地磁场矢量的方向余弦u1(t)，u2(t)和u3(t)为：
Figure BDA0002785307980000161
将三轴磁阻坐标系三轴X、Y、Z相对于地磁场矢量的方向余弦u1(t)，u2(t)和u3(t)以及优化后的磁干扰系数代入磁浮标永磁标定方程，求解磁浮标的永磁系数Hp(t)。若磁传感器获得的实时磁场为Bt，则补偿后的磁场值为bt(t)＝Bt(t)-Hp(t)。
综上所述，本发明提供了一种磁浮标的航向误差在线补偿方法，该方法通过对磁浮标进行永磁以及感磁系数的标定，然后利用三轴磁阻实时获得的磁浮标姿态信息对磁浮标的姿态变化引起的磁场误差进行补偿，有效地降低了磁浮标在海水中实际应用时由于海浪、海流等因素引起的晃动噪声，从而保证磁浮标在恶劣海况下也具备磁探测能力，可以提高探测距离并减小目标丢失风险，为磁浮标在海洋中工程应用提供了技术支持。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种磁浮标的航向误差在线补偿方法，其特征在于，所述磁浮标的航向误差在线补偿方法包括：
在磁浮标内固定连接三轴磁阻；
确认磁浮标仅具有永磁特性或同时具有永磁和感磁特性；
当所述磁浮标仅具有永磁特性时，给出磁浮标永磁标定方程；根据所述磁浮标永磁标定方程，设计磁浮标的磁干扰标定试验以求解磁浮标在各个方向的所述磁浮标永磁标定方程的磁干扰系数；在所述磁浮标永磁标定方程以及所述磁干扰系数的基础上，基于磁浮标内的三轴磁阻所获取的磁浮标的实时姿态信息在线补偿磁浮标晃动时引入的磁干扰以实现对磁浮标的航向误差的在线补偿；
当所述磁浮标同时具有永磁和感磁特性时，给出磁浮标永磁和感磁标定方程；根据所述磁浮标永磁和感磁标定方程，设计磁浮标的磁干扰标定试验以求解磁浮标在各个方向的所述磁浮标永磁和感磁标定方程的磁干扰系数；在所述磁浮标永磁和感磁标定方程以及所述磁干扰系数的基础上，基于磁浮标内的三轴磁阻所获取的磁浮标的实时姿态信息在线补偿磁浮标晃动时引入的磁干扰以实现对磁浮标的航向误差的在线补偿。
2.根据权利要求1所述的磁浮标的航向误差在线补偿方法，其特征在于，在求解磁浮标在各个方向的所述磁浮标永磁标定方程的磁干扰系数之后，所述航向误差在线补偿方法还包括：对所述磁干扰系数进行优化；在所述磁浮标永磁标定方程以及优化后的所述磁干扰系数的基础上，基于磁浮标内的三轴磁阻所获取的磁浮标的实时姿态信息在线补偿磁浮标晃动时引入的磁干扰以实现对磁浮标的航向误差的在线补偿。
3.根据权利要求1或2所述的磁浮标的航向误差在线补偿方法，其特征在于，在求解磁浮标在各个方向的所述磁浮标永磁和感磁标定方程的磁干扰系数之后，所述航向误差在线补偿方法还包括：对所述磁干扰系数进行优化；在所述磁浮标永磁和感磁标定方程以及优化后的所述磁干扰系数的基础上，基于磁浮标内的三轴磁阻所获取的磁浮标的实时姿态信息在线补偿磁浮标晃动时引入的磁干扰以实现对磁浮标的航向误差的在线补偿。
4.根据权利要求3所述的磁浮标的航向误差在线补偿方法，其特征在于，所述磁浮标永磁标定方程为
Figure FDA0002785307970000021
其中，E为磁强计测量的总场，T为地磁场，Hp为磁浮标的永磁系数，u1为三轴磁阻坐标系X轴相对于地磁场矢量的方向余弦，u2为三轴磁阻坐标系Y轴相对于地磁场矢量的方向余弦，u3为三轴磁阻坐标系Z轴相对于地磁场矢量的方向余弦，c1为永磁干扰源在三轴磁阻坐标系X轴上的投影，c2为永磁干扰源在三轴磁阻坐标系Y轴上的投影，c3为永磁干扰源在三轴磁阻坐标系Z轴上的投影。
5.根据权利要求3所述的磁浮标的航向误差在线补偿方法，其特征在于，所述磁浮标永磁和感磁标定方程为
Figure FDA0002785307970000022
其中，Hi为磁浮标的感磁系数，c4为感磁干扰源正比于地磁场在三轴磁阻坐标系X方向投影的磁场分别在X方向产生的感磁干扰，c5为感磁干扰源正比于地磁场在三轴磁阻坐标系X方向投影的磁场分别在Y方向产生的感磁干扰，c6为感磁干扰源正比于地磁场在三轴磁阻坐标系X方向投影的磁场分别在Z方向产生的感磁干扰，c7为感磁干扰源正比于地磁场在三轴磁阻坐标系Y方向投影的磁场分别在X方向产生的感磁干扰，c8为感磁干扰源正比于地磁场在三轴磁阻坐标系Y方向投影的磁场分别在Y方向产生的感磁干扰，c9为感磁干扰源正比于地磁场在三轴磁阻坐标系Y方向投影的磁场分别在Z方向产生的感磁干扰，c10为感磁干扰源正比于地磁场在三轴磁阻坐标系Z方向投影的磁场分别在X方向产生的感磁干扰，c11为感磁干扰源正比于地磁场在三轴磁阻坐标系Z方向投影的磁场分别在Y方向产生的感磁干扰，c12为感磁干扰源正比于地磁场在三轴磁阻坐标系Z方向投影的磁场分别在Z方向产生的感磁干扰。
6.根据权利要求4所述的磁浮标的航向误差在线补偿方法，其特征在于，设计磁浮标的磁干扰标定试验以求解磁浮标在各个方向的所述磁浮标永磁标定方程的磁干扰系数具体包括：
设计三轴磁阻的z轴指地，三轴磁阻的x轴分别指向北向、东向、南向以及西向，分别获取x轴在北向、东向、南向以及西向所对应的三轴相对于地磁场矢量的方向余弦(u1'，u2'，u3')，将x轴在北向、东向、南向以及西向所对应的三轴相对于地磁场矢量的方向余弦(u1'，u2'，u3')分别代入所述磁浮标永磁标定方程以形成第一超定方程，利用最小二乘法求解所述第一超定方法以获取磁浮标在各个方向的磁干扰系数。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的磁浮标的航向误差在线补偿方法，其特征在于，设计磁浮标的磁干扰标定试验以求解磁浮标在各个方向的所述磁浮标永磁和感磁标定方程的磁干扰系数具体包括：
设计三轴磁阻的z轴指地，三轴磁阻的x轴分别指向北向、东向、南向以及西向，分别获取x轴在北向、东向、南向以及西向所对应的三轴相对于地磁场矢量的方向余弦(u1'，u2'，u3')；
设计三轴磁阻的y轴指天，三轴磁阻的x轴分别指向北向、东向、南向以及西向，分别获取y轴在北向、东向、南向以及西向所对应的三轴相对于地磁场矢量的方向余弦(u1”，u2”，u3”)；
设计三轴磁阻的x轴指地，三轴磁阻的z轴分别指向北向、东向、南向以及西向，分别获取z轴在北向、东向、南向以及西向所对应的三轴相对于地磁场矢量的方向余弦(u1”'，u2”'，u3”')；
将x轴在北向、东向、南向以及西向所对应的三轴相对于地磁场矢量的方向余弦(u1'，u2'，u3')、y轴在北向、东向、南向以及西向所对应的三轴相对于地磁场矢量的方向余弦(u1”，u2”，u3”)和z轴在北向、东向、南向以及西向所对应的三轴相对于地磁场矢量的方向余弦(u1”'，u2”'，u3”')分别代入所述磁浮标永磁和感磁标定方程以形成第二超定方程，利用最小二乘法求解所述第二超定方法以获取磁浮标在各个方向的磁干扰系数。
8.根据权利要求2所述的磁浮标的航向误差在线补偿方法，其特征在于，当磁浮标仅具有永磁特性时，对所述磁干扰系数进行优化具体包括：
利用m个已知的三轴磁阻的三轴相对于地磁场矢量的方向余弦(u1(i)，u2(i)，u3(i))，根据ΔBi＝Hp＝c1*u1(i)+c2*u2(i)+c3*u3(i)求解m个ΔBi，其中，根据Q1＝ΔBi-ΔB求解m个Q1，i＝1:m，ΔB＝E-T,将Q1值为最大所对应的方向余弦(u1(i)，u2(i)，u3(i))所在的磁浮标永磁标定方程删除，重新将m-1个已知的三轴磁阻的三轴相对于地磁场矢量的方向余弦(u1(i)，u2(i)，u3(i))分别代入所述磁浮标永磁标定方程求解获取磁浮标在各个方向的优化后的磁干扰系数。
9.根据权利要求3所述的磁浮标的航向误差在线补偿方法，其特征在于，当所述磁浮标同时具有永磁和感磁特性时，对所述磁干扰系数进行优化具体包括：
利用n个已知的三轴磁阻的三轴相对于地磁场矢量的方向余弦(u1(j)，u2(j)，u3(j))，根据ΔBj＝Hp+Hi*T求解n个ΔBj，其中，根据Q1＝ΔBj-ΔB求解n个Q1，j＝1:n，ΔB＝E-T,将Q2值为最大所对应的方向余弦(u1(j)，u2(j)，u3(j))所在的磁浮标永磁和感磁标定方程删除，重新将n-1个已知的三轴磁阻的三轴相对于地磁场矢量的方向余弦(u1(j)，u2(j)，u3(j)))分别代入所述磁浮标永磁和感磁标定方程求解获取磁浮标在各个方向的优化后的磁干扰系数。
10.根据权利要求1所述的磁浮标的航向误差在线补偿方法，其特征在于，确认磁浮标仅具有永磁特性或同时具有永磁和感磁特性具体包括：将磁浮标放置在磁屏蔽桶内，在第一磁场强度的总磁场环境下利用磁传感器测量磁浮标的第一磁干扰；改变总磁场环境的磁场强度，在第二磁场强度的总磁场环境下利用磁传感器测量磁浮标的第二磁干扰；若第一磁干扰与第二磁干扰相同，则磁浮标仅具有永磁特性；若第一磁干扰与第二磁干扰不相同，则磁浮标同时具有永磁和感磁特性。
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GR01 Patent grant
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