船載磁探測器在四個(gè)主航向上的三分量抗干擾技術(shù)研究?

李志新

（海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院 武漢 430033）

1 引言

船用磁探測器，安裝在船舶桅桿上，由3個(gè)相互垂直放置的磁通門磁傳感器組成，分別測量船舶坐標(biāo)系下地磁場的3個(gè)分量，控制相應(yīng)線圈的電流［1］，以補(bǔ)償船舶感應(yīng)磁場，如圖1所示。

圖1 船用磁探測器

理想情況下，磁探測器測量船舶坐標(biāo)系下地磁場的3個(gè)分量，實(shí)際上，鋼鐵材料建成的船舶有固定磁場、感應(yīng)磁場，通電線圈也會產(chǎn)生磁場，這些磁場都會被磁探測器測量到，成為干擾磁場信號，排除這些干擾磁場，才能保證測量磁場的準(zhǔn)確性，進(jìn)而保證線圈電流的準(zhǔn)確性，使其滿足設(shè)計(jì)要求［1］。

受技術(shù)設(shè)備水平的制約，以往的磁場信號采集處理設(shè)備無法實(shí)時(shí)獲取船舶航向、縱傾、橫傾信息，故以往的船用磁探測器抗干擾調(diào)整，只能根據(jù)船舶在磁東、南、西、北四個(gè)主航向上時(shí)測得的磁場值做水平抗干擾調(diào)整，對垂向干擾無可奈何。現(xiàn)在的磁場信號采集處理設(shè)備可十分便捷地實(shí)時(shí)獲取船舶的經(jīng)度、緯度、航向、縱傾、橫傾等信息，為船用磁探測器的三分量抗干擾提供了基礎(chǔ)［2～4］。

2 磁探測器測量信號組成

安裝在船舶桅桿上的磁探測器測量到的磁場包括地磁場、船舶感應(yīng)磁場、線圈磁場、船舶固定磁場，如式（1）所示：

對于地磁場，磁探測器的三個(gè)磁傳感器不能保證完全正交，磁探測器的安裝也會存在一定誤差，故探頭坐標(biāo)系下的地磁場B地與船舶坐標(biāo)系下的地磁場B存在一定的角度偏差，若航向方向偏差為Δα，縱搖方向偏差為Δβ，橫搖方向偏差無Δγ，則

實(shí)船角度偏差一般不大于 ±1°，所以 Δα、Δβ、Δγ是很小的角度，當(dāng)Δα、Δβ、Δγ均以弧度表示時(shí)，上式可近似為

略去二階以上小項(xiàng)［5～7］：

即安裝誤差帶來的誤差系數(shù)為

對于船舶感應(yīng)磁場，船舶坐標(biāo)系下磁探測器位置的感應(yīng)磁場為

其中k為感應(yīng)磁場干擾系數(shù)，根據(jù)式（4）可得探頭坐標(biāo)系下感應(yīng)磁場：

對于線圈磁場，如式（8）所示，其中 kxi、kyi、kzi（i=1 2 … n，n為線圈數(shù)）為線圈干擾系數(shù)，Ii為各線圈電流。

加上在一定時(shí)期內(nèi)視為不變的固定磁場［8］，磁探測器接收到的磁場信號為

磁傳感器和磁探測器的安裝帶來的誤差與感應(yīng)磁場干擾有相同的形式，在式（9）二者合為一體。等式右邊，除第一項(xiàng)外，均為干擾磁場，其中，線圈干擾系數(shù)可通過依次給線圈通電的方式獲取，即依次給各線圈通電，同時(shí)記錄通電前后磁探測器測得的磁場值的差值，從而計(jì)算出線圈干擾系數(shù)，進(jìn)而根據(jù)線圈電流求出線圈磁場干擾量，排除線圈干擾磁場之后的磁探測器測量磁場為

磁探測器在磁東、南、西、北四個(gè)主航向上各采1組數(shù)據(jù)，得到4組數(shù)據(jù)，以X分量為例：

在船舶抗干擾地點(diǎn)的4個(gè)航向上Bx、By的值不同，獲取也比較容易，而要改變Bz則比較困難，若將Bz不變，則有

可見，不滿足唯一解條件，這也是以往只能進(jìn)行水平抗干擾的原因所在。

3 四航向三分量抗干擾方法

充分利用現(xiàn)在磁場數(shù)據(jù)采集設(shè)備的長處，采集磁場的同時(shí)，實(shí)時(shí)采集船舶的航向、縱搖、橫搖等姿態(tài)信息，則可得到船舶不同狀態(tài)下的不同Bz值，如此式（12）將有唯一解，可實(shí)現(xiàn)三分量抗干擾。

若船舶抗干擾地點(diǎn)地球坐標(biāo)系下地磁場為BE，且α為磁航向角，β為縱搖角，γ為橫搖角，則BEx=HD、BEy=0、BEz=ZD，艦船坐標(biāo)系下地磁場為

四個(gè)航向上的航向、縱搖、橫搖值為，磁北航向N，Δα1、Δβ1、Δγ1；磁南航向S，180°+ Δα2、Δβ2、Δγ2；磁東航向E，90°+ Δα3、Δβ3、Δγ3；磁西航向W，270°+Δα4、Δβ4、Δγ4，其中 Δα 為船舶與主航向的偏差，Δβ縱搖角、Δγ橫搖角。X分量測量得到的磁場為

四個(gè)航向上的 Δα、Δβ、Δγ各不相同，式（14）中的4個(gè)Bz值各不相同，所以式（14）有唯一解，可求出干擾系數(shù)和固定干擾磁場，實(shí)現(xiàn)抗干擾調(diào)整。

4 三分量干擾系數(shù)及固定磁場簡化計(jì)算方法

根據(jù)式（14）可直接求出干擾系數(shù)和固定磁場，但在實(shí)際抗干擾中，由于干擾、測量誤差及船舶姿態(tài)等原因，用直接求逆的方法求解式（14）得到的值常與實(shí)際值偏差較大，甚至無解。采用迭代法求取干擾系數(shù)和固定磁場，如圖2所示，可簡化計(jì)算，減小數(shù)據(jù)間的耦合，避免上述情況的發(fā)生，也可在一定程度上減少計(jì)算量，降低對船舶磁場測量設(shè)備的軟硬件要求［9～10］。

圖2 干擾系數(shù)求解示意圖

通過第1）、第2）步求得了水平感應(yīng)磁場引起的干擾的系數(shù)，接下來需求垂直磁場引起的干擾的系數(shù)，這就需要改變作用在船舶上的垂向地磁場，需要較為明顯的縱搖、橫搖。一般情況下，縱搖、橫搖的角度比較小，在小角度的時(shí)候，余弦函數(shù)的變化率小，正弦函數(shù)的變化率大，所以在磁南北航向縱搖或在磁東西航向橫搖，能使作用在船舶垂向的地磁場變化較大，從而有利于求取干擾系數(shù)。船舶實(shí)現(xiàn)橫搖比實(shí)現(xiàn)縱搖容易，故選取一組磁東航向的橫搖數(shù)據(jù)，取船舶磁航向角為90°+Δα5，縱搖角為 Δβ5，Δα5、Δβ5均為較小角，橫搖角Δγ5稍大。

5 三分量抗干擾仿真

假設(shè)某船舶磁探測器感應(yīng)干擾系數(shù)：

固定干擾磁場（單位為nT）：

船舶有補(bǔ)償感應(yīng)磁場的Ix、Iy、Iz線圈和補(bǔ)償固定磁場的IxG、IyG、IzG線圈，共6組線圈，其中固定磁場補(bǔ)償線圈電流（單位為A）為

線圈對磁傳感器的干擾系數(shù)為

若不進(jìn)行抗干擾調(diào)整，線圈電流如圖3所示，圖中兩個(gè)“?”畫線圓所圍區(qū)域，表示Ix-Iy允許值，兩條“?”畫直線所限區(qū)域?yàn)镮z允許值，“+”畫線為未抗干擾時(shí)的Ix-Iy值，“*”畫線為未抗干擾時(shí)的Iz值。可見若不進(jìn)行抗干擾，將導(dǎo)致磁探測器測量到的磁場信號嚴(yán)重失真，船舶線圈中的電流將嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)電流。

圖3 不進(jìn)行抗干擾調(diào)整時(shí)的線圈電流

排除了線圈干擾磁場之后，線圈電流如圖4所示，與圖3對比可見，線圈電流有了一定的改善，與允許值接近了一些，但偏差還是很大，不滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 排除線圈干擾磁場后的線圈電流

取磁探測器測量誤差為5nT，橫搖角Δγ5為3°，按圖2所示步驟進(jìn)行三分量抗干擾調(diào)整后的線圈電流如圖5所示，Ix、Iy、Iz三個(gè)感應(yīng)線圈電流均在允許范圍之內(nèi)，最大誤差0.0304A，是線圈最大電流50A的0.06%，與理想電流十分接近。此時(shí)求得的干擾系數(shù)：

圖5 三分量抗干擾調(diào)整后的線圈電流

與設(shè)定值的最大差值為0.0077，在全球范圍內(nèi)會帶來最大524nT的計(jì)算誤差。求得的固定干擾磁場值為

與設(shè)定值的最大差值為289nT。即干擾系數(shù)和固定干擾磁場誤差將導(dǎo)致的最大磁場計(jì)算誤差為813nT，將導(dǎo)致線圈電流的最大誤差為1.2%，滿足3%的抗干擾要求。

6 結(jié)語

理論分析和仿真表明，在采集磁探測器磁場數(shù)據(jù)的同時(shí)，實(shí)時(shí)采集船舶的航向、縱搖、橫搖等信息，可對船舶上的磁探測器進(jìn)行三分量抗干擾調(diào)整。進(jìn)行抗干擾調(diào)整時(shí)，一定的縱傾或橫傾角是必須的，其幅值的大小，與磁探測器的測量精度以及計(jì)算方法共同決定了抗干擾跳調(diào)整的精度。本文取磁探測器測量誤差5nT，遠(yuǎn)大于當(dāng)前船用磁探測器誤差水平［11］，3°的橫搖角也很容易實(shí)現(xiàn)［12］，故本文研究的技術(shù)及算法是可行的。