基于兩航向測量的艦船任意航向磁場計算方法

汪永浩，張國友

（海軍工程大學電氣與信息工程學院，武漢 430033）

0 引言

為了提高艦船磁性安全度，迫切需要知道艦船磁場的分布情況，從而為艦船磁隱身等方向的研究和工程應用提供依據[1-5]。測量不同航向的艦船磁場需要較多的人力和物力，花費大量的時間，對于大型艦船來說，在工程上往往無法實現，為了節省資源，節約時間，提高效率，采用相反的兩個非主航向上艦船三分量磁場實測數據，直接計算出任意航向艦船三分量磁場，具有較強的工程應用前景。

1 任意航向艦船磁場分析計算

1.1 艦船磁場特性分析

1.2 不同航向角下艦船磁場分析

感應磁場隨地磁場成正比變化，而艦船固定磁場不隨地磁場變化。因此當艦船的航向角為θ時，艦船舷下三分量磁場的表達式為：

圖1

圖2

當航向角為180θ+°時，即在相反的航向上艦船舷下三分量磁場的表達式為：

龍骨下三分量磁場的表達式為：

1.3 任意航向艦船磁場計算

通過以上公式就可以由航向為φ和180φ+°兩個方向上艦船的三分量磁場實測數據計算出任意航向θ時艦船三分量磁場。

2 實驗驗證

2.1 實驗設計

在一個可以旋轉的實驗臺上對某艦船模型三分量磁場進行測量，利用磁傳感器測量艦船模型吃水線下某深度的磁場數據。艦船模型龍骨下從艦首到艦尾均勻等距放置7個磁傳感器，左右舷下從艦首到艦尾均勻等距各放置3個磁傳感器。以磁北航向為起點，每隔10°角對艦船模型三分量磁場進行一次測量。選取航向角為50°和230°兩個相反方向時艦船模型三分量磁場測量數據來計算任意航向角艦船模型三分量磁場，并與對應航向角艦船模型三分量磁場測量數據進行對比，驗證計算方法的正確性。

2.2 實驗結果

實驗中共有13個測量點，分36個航向對艦船模型三分量磁場進行測量，在驗證時對13個測量點和各航向均進行了驗證，本文只選取13個測量點中具有代表性的4個測量點：龍骨下選取兩個測量點，分別為龍骨下第1個和第4個磁傳感器所測點位置，簡稱為龍1和龍4；左右舷各選取一個測量點，分別為左舷第3個磁傳感器所測點位置和右舷第1個磁傳感器所測點位置，簡稱為左3和右1。艦船模型左3、右1、龍1和龍4測量點由計算公式計算出的不同航向角三分量磁場數據與實測三分量磁場數據對比，情況如圖3～6所示，圖中數據經過了歸一化處理，橫坐標1～36 代表航向角0°～350°。

2.3 實驗分析

圖5 龍骨第1個測量點三分量磁場計算值和測量值

圖6 龍骨第4個測量點三分量磁場計算值和測量值

表1 艦船模型測量點三分量磁場相對誤差分析結果

從相對誤差分析結果中可以看到，艦船模型4個測量點X、Y、Z分量磁場各自相對誤差平均值小于4%，最小值小于0.5%，除了左3的Y分量、龍1的Y分量、龍4的Y分量、龍4的Z分量相對誤差最大值在 5%到 10%之間，其余各分量相對誤差最大值都小于 5%。通過相反的兩個非主航向上的艦船模型三分量磁場推算得到的任意航向上艦船模型三分量磁場數據與實測數據非常吻合。

分析實驗誤差原因主要有以下三個方面：一是測量艦船模型不同航向角時，航向角存在偏差，對測量數據造成一定的誤差；二是實驗室測量精度所致，磁傳感器測量某分量實測數值較小時，磁傳感器測量儀器精度對其影響較大；三是個別磁傳感器在艦船模型旋轉過程中發生晃動，相對位置發生改變，磁傳感器測量不是十分準確。

實驗還分別利用了10°與190°、 30°與 210°和80°與260°相反航向上艦船模型三分量磁場測量數據來計算任意航向角艦船模型三分量磁場，并與對應航向角艦船模型三分量磁場測量數據進行對比，相對誤差分析結果分別見表2、表3、表4。

對比分析表1～4中的相對誤差結果，可以發現，由4組不同相反航向上磁場測量數據推算的任意航向磁場數據中，測量點磁場X分量相對誤差平均值在 5%內，磁場Z分量相對誤差平均值小于6%。而不同航向上的測量點磁場Y分量相對誤差變化較大，其中由10°與190°航向上磁場測量數據推算的任意航向磁場Y分量相對誤差最為明顯，相對誤差平均值均超過 5%，相對誤差最大值在 10%到 20%之間。由50°和230°航向上三分量磁場測量數據計算的任意航向角艦船模型三分量磁場，比由10°與190°、 30°與 210°和80°與260°相反航向上計算的磁場數據更準確，能更好的表現出磁場分布情況。因此，為更準確的計算任意航向艦船三分量磁場，應選取50°或140°附近的一對相反航向上艦船磁場測量數據進行計算，盡量避免選取10°或80°等在主航向附近的相反航向上的磁場測量數據。

表2 10°與190°相反航向三分量磁場相對誤差分析結果

表3 30°與210°相反航向三分量磁場相對誤差分析結果

表4 80°與260°相反航向三分量磁場相對誤差分析結果

3 結論

本文通過對艦船磁場特性的分析，提出了一種推算艦船任意航向三分量磁場的計算方法。在同一測量深度和測量點位置的前提下，該方法僅利用相反的兩個非主航向上艦船三分量磁場實測數據，可直接計算出任意航向艦船三分量磁場，為分析研究任意航向艦船的磁特征和磁隱身性能提供了依據。實驗驗證了方法的可行性和準確性，該方法可推廣應用于從測量地到其它區域艦船三分量磁場的推算問題。

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