船載磁探測器任意航向實時抗干擾技術研究

李志新

應用研究

船載磁探測器任意航向實時抗干擾技術研究

李志新

（海軍工程大學電氣工程學院，武漢 430033）

船載磁探測器測得的磁場信號中，除期望的船舶坐標系下的地磁場信號外，還包含多種干擾磁場信號，需進行抗干擾才能滿足測磁要求。本文在分析各種干擾磁場信號特性及其排除方法的基礎上，對任意航向上的三分量實時抗干擾技術進行了理論建模、算法實現以及工程適用性等研究，并通過MATLAB仿真驗證該技術的可行性。該技術可使船載磁探測器的抗干擾擺脫時間、地點的限制，有效地解決船舶固定干擾磁場的實時排除，船舶固定磁場變化的實時監測等難題。

磁通門測磁儀 任意航向 感應磁場 固定磁場 實時抗干擾

0 引言

某些船舶在桅桿上安裝三分量磁通門磁探測器，如圖1所示，測量船舶坐標系下地磁場的3個分量[1]，用以控制線圈電流的輸出，補償船舶感應磁場。要保證感應磁場的補償精度，保證磁探測器測量地磁場的準確度是基礎。

磁探測器安裝在船舶桅桿上，其測量信號包括需要的控制線圈電流所需的地磁場信號，也包含船體的固定磁場、感應磁場以及線圈通電產生的磁場等干擾磁場信號，需進行抗干擾調整，才能保證磁場測量的準確性，保證線圈電流的準確性，使其滿足設計要求[1]。

當前船載磁探測器在四個主航向上的抗干擾方法，要求船舶在特定的時機、特定的水域做轉圈航行，并采集磁東、南、西、北四個主航向上的數據，這就極大地限制了抗干擾調整的便捷性，使得抗干擾需在特定的時間特定的地點進行，不能對各類干擾量，尤其是船舶固定磁場的變化做出及時做出反應，難以保證抗干擾精度[2-4]。為此，本文對船載磁探測器的任意航向實時抗干擾技術進行了研究。

圖1 船用磁探測器

1 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信號包括地磁場、船舶感應磁場、線圈磁場、船舶固定磁場四類信號，如式（1）所示

略去二階以上小項

將式（4）代入式（5）可得探頭坐標系下感應磁場

可見磁傳感器和磁探測器的安裝帶來的誤差與感應磁場干擾有相同的形式，二者在式（6）中合為一體[5-7]。

線圈磁場與線圈電流成正比，且由于線圈非特殊情況不會改變，比例系數在出廠時測定后，可視為不變[1]，故線圈干擾磁場排除簡單，在本文中將其忽略。

固定磁場在兩次抗干擾期間可視為不變，所以磁探測器接收到的磁場信號為（不計繞組磁場）

2 任意航向三分量實時抗干擾方法分析

四航向抗干擾方法需在特定的時間、地點進行，這就決定了兩次抗干擾之間的時間往往很長（一年以上），期間船舶固定磁場逐漸發生變化，磁場數據采集處理設備不能及時應對這個變化，從而未能保證磁場數據的準確性，進而影響補償電流的精度。

3 三分量干擾系數及固定磁場簡化計算方法

1）求水平干擾系數

僅考慮水平干擾系數時，方程還有3個未知數，取三個狀態進行求解

X方向受到的水平方向干擾

Y方向受到的水平方向干擾

Z方向受到的水平方向干擾

2）求垂向干擾系數

取姿態角度變化較大的兩組數據，并利用第①步求得的水平干擾系數進行求取

X方向受到的垂直方向干擾

Y方向受到的垂直方向干擾

Z方向受到的垂直方向干擾

完成垂向干擾系數的第一次求取，然后將所有系數與預期進行比較，若滿足要求則結束計算，若不滿足要求，則回到第一步，重新開始計算，直至數據滿足要求。

第二步的計算中，分母為兩個狀態下的垂向地磁場之差，即需要改變作用在船舶上的垂向地磁場，以求取垂向干擾系數，這就需要改變船舶的縱傾、橫搖角，船舶實現橫搖比實現縱搖容易，故選取橫搖角差別較大的數據為第4、第5組數據。

圖2 干擾系數求解示意圖

4 任意航向三分量抗干擾仿真

假設某船舶磁探測器感應干擾系數為

固定干擾磁場（單位nT）

與設定值的最大差值為0.0035，在全球范圍內會帶來最大238nT的計算誤差。求得的固定干擾磁場值為

與設定值的最大差值為127 nT。即干擾系數和固定干擾磁場誤差將導致的最大磁場計算誤差為365 nT，將導致線圈電流的最大誤差為0.54%，遠高于3%的抗干擾要求。

圖3 不進行抗干擾調整時的線圈電流

圖4 三分量抗干擾調整后的線圈電流

5 小結

理論分析和仿真表明，在采集船載磁探測器磁場數據的同時，實時采集船舶的經度、緯度、航向、縱搖、橫搖等信息，可實現在任意位置、任意航向對船舶上的磁探測器進行三分量實時抗干擾調整，克服以往抗干擾對地點、時機要求苛刻的缺點。在任何需要的時候進行抗干擾調整，可真正做到實時排除各類干擾量，尤其是船舶固定磁場的干擾，同時監測船舶固定磁場的變化，為固定磁場的補償和其它相關操作提供參考。

本文仿真時取磁探測器測量誤差5 nT，遠大于當前船用磁探測器誤差水平，5°的橫搖角度差也很容易實現，故船載磁探測器實時任意航向三分量實時抗干擾是可行的。

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Study of the ship’s magnetic detector real time anti-interference technology on arbitrary headings

Li Zhixin

(College of Electrical Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China )

U665

A

1003-4862（2023）02-0028-05

2022-03-21

李志新（1981-），男，碩士。研究方向為電工理論與新技術。E-mail: 01021332@163.com