CN113419199B - 一种潜艇分量磁场动态测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种潜艇分量磁场动态测量方法，该方法步骤包括：S1.预先布置用于对待测潜艇进行移动扫描的磁场测量模块，磁场测量模块包括相互固联的姿态传感器以及三轴磁传感器；S2.建立将三轴磁传感器的测量值从载体坐标系向潜艇坐标系变换的坐标变换方程组；S3.测量时获取磁场测量模块对待测潜艇进行移动扫描过程中，姿态传感器输出的姿态参数的测量值，以及潜艇自身的姿态传感器输出的姿态参数的测量值，以及三轴磁传感器输出的磁场分量的测量值；S4.根据获取的各测量值求解坐标变换方程组，得到磁场分量输出。本发明具有实现方法简单、能够实现潜艇分量磁场的动态测量，且抗抖动性能好、测量精度及可靠性高、测量误差小等优点。

Description

一种潜艇分量磁场动态测量方法

技术领域

本发明涉及潜艇磁场测量评估技术领域，尤其涉及一种潜艇分量磁场动态测量方法。

背景技术

潜艇的铁磁性材料在地球背景磁场磁化作用下，在其周围将产生局部磁异常，这种磁场将成为航空磁探系统与磁引信水雷探测和攻击潜艇的重要靶源，严重影响潜艇的性能。因此，为了提升潜艇的磁隐蔽性，需要实时获取潜艇外围空间磁场的分布特性，以便于潜艇磁性评估和防护。

为实现潜艇磁场的测量，现有技术中通常都是采用基于传感器阵列的磁场测量方式，即：基于岸基消磁站的固定磁传感器阵列，当潜艇通过磁传感器阵列时，根据阵列中每个磁传感器在地理坐标系中的位置以及测量值，由此得出潜艇的全空间磁场。但是上述基于传感器阵列的磁场测量方式会存在以下问题：一方面，构建阵列网络的成本大，且对每个传感器的精度与位置要求高，无法对传感器阵列进行逐一校准与补偿，另一方面，传感器数量多，存在方向一致性问题，致使测量成本高的同时，测量精度却并不高。

针对固定阵列磁测手段存在的空间分辨率低的问题，若考虑直接将三轴磁通门传感器搭载在消磁站的桁架上，通过桁架导轨实现扫描式测量，虽然总量测量水平可以得到保证，但由于桁架运动会导致测量过程中磁传感器产生抖动，仍然会使得磁场分量测量误差大，难以满足对潜艇分量磁场测量和评估的需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种实现方法简单、能够实现潜艇分量磁场的动态测量，且抗抖动性能好、测量精度及可靠性高、测量误差小的潜艇分量磁场动态测量方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种潜艇分量磁场动态测量方法，步骤包括：

S1.预先布置用于对待测潜艇进行移动扫描的磁场测量模块，所述磁场测量模块包括相互固联的用于测量姿态参数的姿态传感器以及用于测量磁场三轴分量的三轴磁传感器；

S2.以所述磁场测量模块作为载体，基于载体在地理坐标系下的姿态参数、潜艇自身在地理坐标系下的姿态参数，建立将所述三轴磁传感器的测量值从载体坐标系向潜艇坐标系变换的坐标变换方程组，所述载体坐标系为基于所述磁场测量模块建立的坐标系，所述潜艇坐标系为基于待测潜艇建立的坐标系；

S3.测量时获取所述磁场测量模块对待测潜艇进行移动扫描过程中，所述姿态传感器输出的载体在地理坐标系下的姿态参数的测量值，以及潜艇自身的姿态传感器输出的潜艇自身在地理坐标系下的姿态参数的测量值，以及所述三轴磁传感器输出的载体在所述载体坐标系下的磁场分量的测量值；

S4.根据步骤S3获取的各所述测量值求解所述坐标变换方程组，得到在所述潜艇坐标系下的磁场分量输出。

进一步的：所述步骤S1中具体将所述磁场测量模块布置在消磁站的桁架上，控制被测潜艇停泊于所述桁架的下方，通过控制所述磁场测量模块在所述桁架上的导轨移动，以控制对待测潜艇进行连续的移动扫描。

进一步的：所述载体坐标系为以所述磁场测量模块中心点为坐标原点、以所述磁场测量模块中传感器的敏感轴为坐标轴构成的坐标系，所述地理坐标系为以所述磁场测量模块中心点为坐标原点、以及分别以地理北向、地理东向和垂直向下为x、y、z轴构成的坐标系，所述潜艇坐标系为以待测潜艇的中心点为坐标原点，以及分别由x轴指向船首方向、y轴指向潜艇右舷方向、z轴垂直向下，3个轴向成右手螺旋关系建立的坐标系。

进一步的：所述坐标变换方程组具体基于载体所在的地理坐标系与潜艇自身所在的地理坐标系之间的旋转矩阵，将所述三轴磁传感器在所述载体坐标系下的测量值变换为在所述潜艇坐标系下的待测磁场三分量，所述旋转矩阵使用载体在地理坐标系下的姿态参数、潜艇自身在地理坐标系下的姿态参数构建得到。

进一步的：所述姿态参数为航向、俯仰、滚转三个姿态角，所述坐标变换方程组具体为：

其中，m_b,x,m_b,y,m_b,z分别为所述三轴磁传感器在所述载体坐标系下x、y、z轴方向的测量值，m_T,x,m_T,y,m_T,z分别为在所述潜艇坐标系下x、y、z轴方向的待测磁场三分量投影；

为所述旋转矩阵，φ₁,θ₁,γ₁分别为所述姿态传感器输出的在地理坐标系下的航向姿态角、俯仰姿态角、滚转姿态角，φ₂,θ₂,γ₂分别为潜艇自身姿态传感器输出的在地理坐标系下的航向姿态角、俯仰姿态角、滚转姿态角。

进一步的，所述步骤S4中求解得到的在所述潜艇坐标系下的磁场分量为：

m_T,x＝cos(φ₁-φ₂)[cos(θ₁-θ₂)m_b,x+sin(γ₁-γ₂)sin(θ₁-θ₂)m_b,y+cos(γ₁-γ₂)sin(θ₁-θ₂)m_b,z]-sin(φ₁-φ₂)[cos(γ₁-γ₂)m_b,y-sin(γ₁-γ₂)m_b,z]。

m_T,y＝cos(φ₁-φ₂)[cos(γ₁-γ₂)m_b,y-sin(γ₁-γ₂)m_b,z]+sin(φ₁-φ₂)[cos(θ₁-θ₂)m_b,x+sin(γ₁-γ₂)sin(θ₁-θ₂)m_b,x+cos(γ₁-γ₂)sin(θ₁-θ₂)m_b,z]

m_T,z＝-sin(θ₁-θ₂)m_b,x+sin(γ₁-γ₂)cos(θ₁-θ₂)m_b,y+cos(γ₁-γ₂)cos(θ₁-θ₂)m_b,z

一种潜艇分量磁场动态测量系统，包括：

磁场测量模块，用于对待测潜艇进行移动扫描，包括相互固联的用于测量姿态参数的姿态传感器以及用于测量磁场三轴分量的三轴磁传感器；

数据处理模块，用于执行数据处理，包括：

传感器数据获取单元，用于测量时获取所述磁场测量模块对待测潜艇进行移动扫描过程中，所述姿态传感器输出的载体在地理坐标系下的姿态参数的测量值，以及潜艇自身的姿态传感器输出的潜艇自身在地理坐标系下的姿态参数的测量值，以及所述三轴磁传感器输出的载体在载体坐标系下的磁场分量的测量值；

数据解算单元，用于根据获取的各所述测量值求解坐标变换方程组，得到在潜艇坐标系下的磁场分量输出，所述坐标变换方程组为预先基于载体在地理坐标系下的姿态参数、潜艇自身在地理坐标系下的姿态参数，建立的将所述三轴磁传感器的测量值从载体坐标系向潜艇坐标系变换的坐标变换方程组，其中所述载体坐标系为基于所述磁场测量模块建立的坐标系，所述潜艇坐标系为基于待测潜艇建立的坐标系。

进一步的：还包括滑动组件，所述磁场测量模块通过所述滑动组件布置于消磁站的桁架的导轨上，被测潜艇停泊于所述桁架的下方，所述磁场测量模块通过所述滑动组件在桁架的导轨上移动，以对待测潜艇进行连续的移动扫描。

进一步的：所述磁场测量模块包括两个以上的分测量系统，每个所述分测量系统包括相互固联的所述姿态传感器以及三轴磁传感器，各所述分测量系统按阵列形式布置在所述桁架上。

进一步的：所述桁架的抖动频率小于传感器同步误差所对应频率值的指定比例，所述传感器同步误差为所述三轴磁传感器和所述姿态传感器之间数据采集的同步误差。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明通过预先布置磁场测量模块，由磁场测量模块对待测潜艇进行连续测量，利用姿态传感器为磁传感器提供实时的姿态信息，实时获得三轴磁传感器抖动导致的姿态变化，再基于建立的坐标变换方程组，将三轴磁传感器测量的磁场分量解算到潜艇坐标系下，得到潜艇三分量磁场，能够基于三轴磁传感器和姿态传感器捷联有效实现分量磁场动态测量，且可以消除桁架抖动带来的影响，提高测量过程中的抗抖动系统，确保磁场分量测量精度和可靠性，有效解决传统直接基于磁传感器测量磁场分量时由于传感器抖动会导致测量误差大的问题。

2、本发明通过采用移动式测量方式对待测潜艇进行连续测量，测量过程中利用姿态传感器连续标定磁传感器的姿态信息，在保证测量高精度的同时，还能够使得潜艇磁场的空间分辨率大大提高，有效解决了固定阵列测量潜艇磁场时的分辨率低的问题。

3、本发明可以适用于常规消磁站，仅需简单的配置磁传感器、姿态传感器与数据处理模块，不仅实现成本低、体积重量小，且操作灵活简便，还能够有效地降低对桁架的设计与建造的要求。

附图说明

图1是本实施例潜艇分量磁场动态测量方法的实现流程示意图。

图2是本实施例中潜艇分量磁场动态测量系统的布置原理示意图。

图3是本实施例测量系统中传感器的布置原理示意图。

图4是本实施例中潜艇分量磁场动态测量的结构原理示意图。

图5是本实施例中基于欧拉旋转的坐标系旋转原理示意图。

图6是在具体应用实施例中第一种情况(偏心1mm)下测量得到的三轴磁传感器的输出结果示意图。

图7是在具体应用实施例中第二种情况(偏心3mm)下测量得到的三轴磁传感器的输出结果示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

磁传感器在测量过程中，若磁传感器发生抖动则相应的姿态会发生变化，本发明考虑磁传感器发生抖动时姿态的该变化特性，在潜艇分量磁场测量中引入姿态参数。如图1所示，本实施例潜艇分量磁场动态测量方法的步骤包括：

S1.预先布置用于对待测潜艇进行移动扫描的磁场测量模块，磁场测量模块包括相互固联的用于测量姿态参数的姿态传感器以及用于测量磁场三轴分量的三轴磁传感器；

S2.以磁场测量模块作为载体，基于载体在地理坐标系下的姿态参数、潜艇自身在地理坐标系下的姿态参数，建立将三轴磁传感器的测量值从载体坐标系向潜艇坐标系变换的坐标变换方程组，其中载体坐标系为基于磁场测量模块建立的坐标系，潜艇坐标系为基于待测潜艇建立的坐标系；

S3.测量时获取磁场测量模块对待测潜艇进行移动扫描过程中，姿态传感器输出的载体在地理坐标系下的姿态参数的测量值，以及潜艇自身的姿态传感器输出的潜艇自身在地理坐标系下的姿态参数的测量值，以及三轴磁传感器输出的载体在载体坐标系下的磁场分量的测量值；

S4.根据步骤S3获取的各测量值求解坐标变换方程组，得到在潜艇坐标系下的磁场分量输出。

本实施例通过预先布置磁场测量模块，磁场测量模块中设置固联的姿态传感器、三轴磁传感器，由磁场测量模块对待测潜艇进行连续测量，利用姿态传感器为磁传感器提供实时的姿态信息，以实时获得三轴磁传感器抖动导致的姿态变化，再基于建立的坐标变换方程组，将三轴磁传感器测量的磁场分量解算到潜艇坐标系下，得到潜艇三分量磁场，能够基于三轴磁传感器和姿态传感器捷联有效实现分量磁场动态测量，且可以消除桁架抖动带来的影响，确保磁场分量测量精度和可靠性，有效解决传统直接基于磁传感器测量磁场分量时由于传感器抖动会导致测量误差大的问题。

上述载体坐标系(X_b,Y_b,Z_b)具体为以磁场测量模块中心点为坐标原点、以磁场测量模块中传感器的敏感轴为坐标轴构成的坐标系；地理坐标系(X_N,Y_N,Z_N)也即为真实坐标系，具体为以磁场测量模块中心点为坐标原点、以及分别以地理北向、地理东向和垂直向下为x、y、z轴构成的坐标系；潜艇坐标系(X_T,Y_T,Z_T)具体为以待测潜艇的中心点为坐标原点，以及分别由x轴指向船首方向、y轴指向潜艇右舷方向、z轴垂直向下，3个轴向成右手螺旋关系建立的坐标系。

为实现上述方法，本实施例搭建对应的潜艇分量磁场动态测量系统，如图2～4所示，该系统包括上述磁场测量模块以及用于执行数据处理的数据处理模块，由磁场测量模块中三轴磁传感器对待测潜艇的磁场分量进行连续测量，姿态传感器为磁传感器提供实时的姿态信息；由数据处理模块接收磁场测量模块中传感器输出的测量值进行数据处理，以将传感器的测量值经过坐标变换与数据解算后得到潜艇分量磁场的测量值，其中数据处理模块具体包括：

传感器数据获取单元，用于测量时获取磁场测量模块对待测潜艇进行移动扫描过程中，姿态传感器输出的载体在地理坐标系下的姿态参数的测量值，以及潜艇自身的姿态传感器输出的潜艇自身在地理坐标系下的姿态参数的测量值，以及三轴磁传感器输出的载体在载体坐标系下的磁场分量的测量值；

数据解算单元，用于根据获取的各测量值求解坐标变换方程组，得到在潜艇坐标系下的磁场分量输出，坐标变换方程组为预先基于载体在地理坐标系下的姿态参数、潜艇自身在地理坐标系下的姿态参数，建立的将三轴磁传感器的测量值从载体坐标系向潜艇坐标系变换的坐标变换方程组。

即本实施例中数据处理模块与上述步骤S3、S4对应，实现传感器数据获取、数据解算功能。

本实施例中，先将姿态传感器与三轴磁传感器固联形成磁场测量模块，如图3所示，然后连接数据处理模块，再将磁场测量模块、数据处理模块整体封装在一个箱体中，形成上述磁场动态测量系统，并将该磁场动态测量系统布置于消磁站的桁架之上，被测潜艇停泊于桁架的下方，如图4所示。上述测量系统还包括滑动组件，测量系统通过滑动组件布置在桁架的导轨上，滑动组件具体可以采用滑动轮等，测量过程中磁场动态测量系统通过桁架上的导轨进行移动，以控制对待测潜艇进行移动扫描，实现移动式测量方式。

在具体应用实施例中，磁场动态测量系统是通过桁架的导轨在潜艇上方由艇首到艇尾匀速滑动，以测量潜艇全空间的分量磁场；在移动式测量的基础上，利用姿态传感器连续标定三轴磁传感器的姿态信息，可以使得在保证测量高精度的同时，潜艇磁场的空间分辨率能够大大提高，可以有效解决传统固定阵列测量潜艇磁场时分辨率低的问题。

在具体应用实施例中，姿态传感器与三轴磁传感器固联后，还需要严格对准坐标系关系，数据处理模块是实时同步采集姿态传感器和三轴磁传感器的数据进行处理，以进一步提高测量的精度以及可靠性。

本实施例上述磁场动态测量系统可以适用于常规消磁站，系统中仅需简单的配置磁传感器、姿态传感器与数据处理模块，不仅实现成本低、体积重量小，且操作灵活简便，还能够有效地降低对桁架的设计与建造的要求。

本实施例中姿态参数具体为航向、俯仰、滚转三个姿态角，由三轴磁传感器测量在载体坐标系下的磁场三分量，姿态传感器提供载体在地理坐标系下的上述三个姿态角，潜艇自身提供其相对于地理坐标系的上述三个姿态角，而潜艇磁场在潜艇坐标系下的三分量即为待测量。具体测量时将封装在箱体内的测量系统放置在消磁站的桁架上，通过导轨匀速滑动测量，由姿态传感器输出偏航角、俯仰角和横滚角三个姿态值，以及潜艇自身提供的潜艇在地理坐标系的偏航角、俯仰角和横滚角三个姿态角，利用三轴磁传感器测量所得载体坐标系下三分量磁场值，建立坐标转换联立方程组，求解三轴传感器测量值向潜艇坐标系下三分量的转换，最终得到潜艇分量磁场值。

本实施例中，坐标变换方程组具体基于载体所在的地理坐标系与潜艇自身所在的地理坐标系之间的旋转矩阵，将三轴磁传感器在载体坐标系下的测量值变换为在潜艇坐标系下的待测磁场三分量，旋转矩阵使用载体在地理坐标系下的姿态参数、潜艇自身在地理坐标系下的姿态参数构建得到。

为建立上述坐标变换方程组，首先进行坐标转换，如图5所示，载体在地理坐标系之间的欧拉角由姿态传感器输出，输出的航向角、俯仰角、滚转角分别记为φ₁,θ₁,γ₁，潜艇自身提供在地理坐标系的航向角、俯仰角、滚转角三个姿态角分别为φ₂,θ₂,γ₂，构建两个坐标系之间的欧拉旋转矩阵

由于潜艇是固定不动的，根据姿态传感器提供载体在地理坐标系下的三个姿态角，以及潜艇自身提供在地理坐标系的三个姿态角，可以求解潜艇坐标系下的磁场三分量，设定三轴磁传感器在载体坐标系下的测量值为m_b＝[m_b,x,m_b,y,m_b,z]，在潜艇坐标系下的矢量值为：m_T＝[m_T,a,m_T,b,m_T,c]，则m_b与m_T满足关系式

其中：

基于上述分析，本实施例步骤S1中获取的三轴磁传感器测量值从载体坐标系向潜艇坐标系变换的坐标变换方程组具体为：

其中，m_b,x,m_b,y,m_b,z分别为三轴磁传感器在载体坐标系下x、y、z轴方向的测量值，m_T,x,m_T,y,m_T,z分别为在潜艇坐标系下x、y、z轴方向的待测磁场三分量投影；φ₁,θ₁,γ₁分别为姿态传感器输出的在地理坐标系下的航向姿态角、俯仰姿态角、滚转姿态角，φ₂,θ₂,γ₂分别为潜艇自身姿态传感器输出的在地理坐标系下的航向姿态角、俯仰姿态角、滚转姿态角。

对上述式(1)所示的坐标变换方程组进行求解，即可得到潜艇坐标系下的磁场分量，求解得到的在潜艇坐标系下的磁场分量具体为：

m_T,x＝cos(φ₁-φ₂)[cos(θ₁-θ₂)m_b,x+sin(γ₁-γ₂)sin(θ₁-θ₂)m_b,y+cos(γ₁-γ₂)sin(θ₁-θ₂)m_b,z]-sin(φ₁-φ₂)[cos(γ₁-γ₂)m_b,y-sin(γ₁-γ₂)m_b,z] (3)

m_T,y＝cos(φ₁-φ₂)[cos(γ₁-γ₂)m_b,y-sin(γ₁-γ₂)m_b,z]+sin(φ₁-φ₂)[cos(θ₁-θ₂)m_b,x+sin(γ₁-γ₂)sin(θ₁-θ₂)m_b,x+cos(γ₁-γ₂)sin(θ₁-θ₂)m_b,z]

m_T,z＝-sin(θ₁-θ₂)m_b,x+sin(γ₁-γ₂)cos(θ₁-θ₂)m_b,y+cos(γ₁-γ₂)cos(θ₁-θ₂)m_b,z

最后输出的潜艇磁场三分量数据即为m_T＝[m_T,a,m_T,b,m_T,c]。

本实施例上述步骤，在实际测量过程中，仅需利用姿态传感器实时输出三轴磁传感器的俯仰、横滚与偏航三个姿态角，然后结合事先测量得到的潜艇在地理坐标系下的三个姿态角，通过建立的坐标变换关系实时地将潜艇磁场由载体坐标系变换到潜艇坐标系，实现磁场由载体坐标系到潜艇坐标系的实时变换，从而测量得到潜艇磁场三分量，可以实现基于三轴磁传感器与姿态传感器的潜艇磁场分量的高效动态测量，精准得到在潜艇坐标系下的三分量信息m_T＝[m_T,a,m_T,b,m_T,c]。

本实施例中，数据处理模块进一步还可以配置包括误差校正以及结果显示储存等功能，即利用姿态角实时解算旋转矩阵，得到坐标变换关系后，将最后得到的三分量磁场结果提供给误差校正单元仅需误差校正，以及提供给显示存储单元进行显示以及储存等。

考虑到测试环境等因素，本实施例进一步的通过设置“1+N”的布局模式构建上述测量系统，即由一个姿态传感器同时为N个磁传感器提供姿态，以进一步降低测试成本。

本实施例中，磁场测量模块具体包括两个以上的分测量系统，每个分测量系统包括相互固联的姿态传感器以及三轴磁传感器，各分测量系统按阵列形式布置在桁架上，即将姿态传感器、三轴磁传感器和数据处理模块构成的分测量系统按阵列形式布置在桁架上，通过导轨进行移动式测量，可以解决传统采用固定阵列测量时会存在空间分辨率低的问题。在采用多个分测量系统构成阵列的基础上，对测量系统校正时，可以将其中一个分测量系统作为参考，其余分测量系统输出的数据以该参考系统为基准。

本实施例中，桁架的垂直方向梯度小于1nT/m，其中nT是磁场单位，m是距离。由于桁架抖动对测量系统的影响可以分为平移和旋转两个部分，相对于旋转导致的分量测量误差，平移的误差没那么明显，但是在离潜艇近处，平移误差则不能忽视，本实施例考虑上述特性，同时基于磁偶极子磁场衰减模型，得到桁架高度的优选范围，即桁架高度依照垂直方向梯度小于1nT/m可以进一步降低桁架抖动对测量的影响，当然也可以根据实际需求设置为其他值。

由于桁架抖动导致的磁传感器和姿态传感器之间数据采集存在不同误差，本实施例进一步配置桁架的抖动频率小于传感器同步误差所对应频率值的指定比例，传感器同步误差为三轴磁传感器和姿态传感器之间数据采集的同步误差、优选的，上述指定比例可取1/3，即使得桁架抖动频率小于磁传感器和姿态传感器之间数据采集的同步误差所对应频率的1/3。

为验证本发明上述方法及系统的有效性，在具体应用实施例中采用本发明上述方法及系统对一待测潜艇的磁场分量进行测量，详细步骤：

1)构建桁架模拟装置，如图2所示，导轨与固定基座利用无磁螺钉连接，在桁架上放置水平计，通过固定基座实现手动调平及锁紧，保证导轨保持水平。

2)在桁架上搭载如图3所示的测量系统，测量系统封装于箱体内。在测量系统箱体下面嵌扣联接四个偏心轮，将整个系统通过偏心轮导入行架的轨道，利用偏心轮模拟抖动情况。

3)模拟桁架抖动情况

①利用1mm偏心轮搭载磁测系统在导轨上匀速滑动，在桁架上往返5个来回共10组，记录三轴磁场传感器和姿态传感器的输出(如表1)，利用姿态传感器提供的姿态信息，按照图4的欧拉旋转关系解算磁场三分量，其中一组磁场三分量测量数据如图6，其中图6(a)～图6(d)分别对应为全域、北分量、东分量、垂直分量的测量姿态结果，标记“beforecalibration”对应为无姿态信息，标记“After calibration”对应为有姿态信息；

表1姿态传感器和磁场传感器(有/无姿态信息时)的测量数据(1mm偏心轮)

2)为了模拟更大程度的抖动情况，更换3mm的偏心轮使磁测系统在导轨上匀速滑动，在垳架上往返5个来回共10组，记录三轴磁场传感器和姿态传感器的输出(如表2)，其中一组磁场三分量测量数据如图7，其中图6(a)～图6(d)分别对应为全域、北分量、东分量、垂直分量的测量姿态结果，标记“before calibration”对应为无姿态信息，标记“Aftercalibration”对应为有姿态信息。

表2姿态传感器和磁场传感器(有/无姿态信息时)的测量数据(3mm偏心轮)

4)评估并分析姿态信息对磁传感器防抖动性能的影响

通过两组不同直径的偏心轮，模拟不同抖动程度，可以评估基于姿态传感器与三轴磁传感器的磁场分量测量效果。通过磁传感器是否利用姿态传感器提供的姿态信息，可以看出本发明磁传感器输出结果的波动低于单一磁传感器的测量系统，其标准差降低了90％～95％，大大提升了抗抖动性能，实现了稳定、高精度的动态测量。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种潜艇分量磁场动态测量方法，其特征在于，步骤包括：

S1.预先布置用于对待测潜艇进行移动扫描的磁场测量模块，所述磁场测量模块包括相互固联的用于测量姿态参数的第一姿态传感器以及用于测量磁场三轴分量的三轴磁传感器；

S2.以所述磁场测量模块作为载体，基于载体在地理坐标系下的姿态参数、潜艇自身在地理坐标系下的姿态参数，建立将所述三轴磁传感器的测量值从载体坐标系向潜艇坐标系变换的坐标变换方程组，所述载体坐标系为基于所述磁场测量模块建立的坐标系，所述潜艇坐标系为基于待测潜艇建立的坐标系；

S3.测量时获取所述磁场测量模块对待测潜艇进行移动扫描过程中，所述第一姿态传感器输出的载体在地理坐标系下的姿态参数的测量值，以及潜艇自身的第二姿态传感器输出的潜艇自身在地理坐标系下的姿态参数的测量值，以及所述三轴磁传感器输出的载体在所述载体坐标系下的磁场分量的测量值；

S4.根据步骤S3获取的各所述测量值求解所述坐标变换方程组，得到在所述潜艇坐标系下的磁场分量输出；

所述步骤S1中具体将所述磁场测量模块布置在消磁站的桁架上，控制被测潜艇停泊于所述桁架的下方，通过控制所述磁场测量模块在所述桁架上的导轨移动，以控制对待测潜艇进行连续的移动扫描。

2.根据权利要求1所述的潜艇分量磁场动态测量方法，其特征在于：所述载体坐标系为以所述磁场测量模块中心点为坐标原点、以所述磁场测量模块中传感器的敏感轴为坐标轴构成的坐标系，所述地理坐标系为以所述磁场测量模块中心点为坐标原点、以及分别以地理北向、地理东向和垂直向下为x、y、z轴构成的坐标系，所述潜艇坐标系为以待测潜艇的中心点为坐标原点，以及分别由x轴指向船首方向、y轴指向潜艇右舷方向、z轴垂直向下，3个轴向成右手螺旋关系建立的坐标系。

3.根据权利要求1所述的潜艇分量磁场动态测量方法，其特征在于：所述坐标变换方程组具体基于载体所在的地理坐标系与潜艇自身所在的地理坐标系之间的旋转矩阵，将所述三轴磁传感器在所述载体坐标系下的测量值变换为在所述潜艇坐标系下的待测磁场三分量，所述旋转矩阵使用载体在地理坐标系下的姿态参数、潜艇自身在地理坐标系下的姿态参数构建得到。

4.根据权利要求3所述的潜艇分量磁场动态测量方法，其特征在于：所述姿态参数为航向、俯仰、滚转三个姿态角，所述坐标变换方程组具体为：

其中，m_b,x,m_b,y,m_b,z分别为所述三轴磁传感器在所述载体坐标系下x、y、z轴方向的测量值，m_T,x,m_T,y,m_T,z分别为在所述潜艇坐标系下x、y、z轴方向的待测磁场三分量投影；

为所述旋转矩阵，φ₁,θ₁,γ₁分别为所述第一姿态传感器输出的在地理坐标系下的航向姿态角、俯仰姿态角、滚转姿态角，φ₂,θ₂,γ₂分别为潜艇自身的所述第二姿态传感器输出的在地理坐标系下的航向姿态角、俯仰姿态角、滚转姿态角。

5.根据权利要求4所述的潜艇分量磁场动态测量方法，其特征在于，所述步骤S4中求解得到的在所述潜艇坐标系下的磁场分量为：

m_T,x＝cos(φ₁-φ₂)[cos(θ₁-θ₂)m_b,x+sin(γ₁-γ₂)sin(θ₁-θ₂)m_b,y+cos(γ₁-γ₂)sin(θ₁-θ₂)m_b,z]-sin(φ₁-φ₂)[cos(γ₁-γ₂)m_b,y-sin(γ₁-γ₂)m_b,z]

m_T,y＝cos(φ₁-φ₂)[cos(γ₁-γ₂)m_b,y-sin(γ₁-γ₂)m_b,z]+sin(φ₁-φ₂)[cos(θ₁-θ₂)m_b,x+sin(γ₁-γ₂)sin(θ₁-θ₂)m_b,x+cos(γ₁-γ₂)sin(θ₁-θ₂)m_b,z]

m_T,z＝-sin(θ₁-θ₂)m_b,x+sin(γ₁-γ₂)cos(θ₁-θ₂)m_b,y+cos(γ₁-γ₂)cos(θ₁-θ₂)m_b,z

其中，m_T,x,m_T,y,m_T,z分别为在所述潜艇坐标系下x、y、z轴方向的待测磁场三分量投影。

6.一种潜艇分量磁场动态测量系统，其特征在于，包括：

磁场测量模块，用于对待测潜艇进行移动扫描，包括相互固联的用于测量姿态参数的第一姿态传感器以及用于测量磁场三轴分量的三轴磁传感器；

数据处理模块，用于执行数据处理，包括：

传感器数据获取单元，用于测量时获取所述磁场测量模块对待测潜艇进行移动扫描过程中，所述第一姿态传感器输出的载体在地理坐标系下的姿态参数的测量值，以及潜艇自身的第二姿态传感器输出的潜艇自身在地理坐标系下的姿态参数的测量值，以及所述三轴磁传感器输出的载体在载体坐标系下的磁场分量的测量值；

数据解算单元，用于根据获取的各所述测量值求解坐标变换方程组，得到在潜艇坐标系下的磁场分量输出，所述坐标变换方程组为预先基于载体在地理坐标系下的姿态参数、潜艇自身在地理坐标系下的姿态参数，建立的将所述三轴磁传感器的测量值从载体坐标系向潜艇坐标系变换的坐标变换方程组，其中所述载体坐标系为基于所述磁场测量模块建立的坐标系，所述潜艇坐标系为基于待测潜艇建立的坐标系；

还包括滑动组件，所述磁场测量模块通过所述滑动组件布置于消磁站的桁架的导轨上，被测潜艇停泊于所述桁架的下方，所述磁场测量模块通过所述滑动组件在桁架的导轨上移动，以对待测潜艇进行连续的移动扫描。

7.根据权利要求6所述的潜艇分量磁场动态测量系统，其特征在于：所述磁场测量模块包括两个以上的分测量系统，每个所述分测量系统包括相互固联的所述第一姿态传感器以及三轴磁传感器，各所述分测量系统按阵列形式布置在所述桁架上。

8.根据权利要求6所述的潜艇分量磁场动态测量系统，其特征在于：所述桁架的抖动频率小于传感器同步误差所对应频率值的指定比例，所述传感器同步误差为所述三轴磁传感器和所述第一姿态传感器之间数据采集的同步误差。

Images