李志新

應(yīng)用研究

船載磁探測器任意航向?qū)崟r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）

船載磁探測器測得的磁場信號中，除期望的船舶坐標(biāo)系下的地磁場信號外，還包含多種干擾磁場信號，需進(jìn)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(chǔ)上，對任意航向上的三分量實時抗干擾技術(shù)進(jìn)行了理論建模、算法實現(xiàn)以及工程適用性等研究，并通過MATLAB仿真驗證該技術(shù)的可行性。該技術(shù)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(jiān)測等難題。

磁通門測磁儀 任意航向 感應(yīng)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(biāo)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(yīng)磁場。要保證感應(yīng)磁場的補償精度，保證磁探測器測量地磁場的準(zhǔn)確度是基礎(chǔ)。

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(yīng)磁場以及線圈通電產(chǎn)生的磁場等干擾磁場信號，需進(jìn)行抗干擾調(diào)整，才能保證磁場測量的準(zhǔn)確性，保證線圈電流的準(zhǔn)確性，使其滿足設(shè)計要求[1]。

當(dāng)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(zhuǎn)圈航行，并采集磁東、南、西、北四個主航向上的數(shù)據(jù)，這就極大地限制了抗干擾調(diào)整的便捷性，使得抗干擾需在特定的時間特定的地點進(jìn)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(yīng)，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?qū)崟r抗干擾技術(shù)進(jìn)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(yīng)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(biāo)系下感應(yīng)磁場

可見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，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(shù)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(jìn)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(fā)生變化，磁場數(shù)據(jù)采集處理設(shè)備不能及時應(yīng)對這個變化，從而未能保證磁場數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，進(jìn)而影響補償電流的精度。

3 三分量干擾系數(shù)及固定磁場簡化計算方法

1）求水平干擾系數(shù)

僅考慮水平干擾系數(shù)時，方程還有3個未知數(shù)，取三個狀態(tài)進(jìn)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(shù)

取姿態(tài)角度變化較大的兩組數(shù)據(jù)，并利用第①步求得的水平干擾系數(shù)進(jìn)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(shù)的第一次求取，然后將所有系數(shù)與預(yù)期進(jìn)行比較，若滿足要求則結(jié)束計算，若不滿足要求，則回到第一步，重新開始計算，直至數(shù)據(jù)滿足要求。

第二步的計算中，分母為兩個狀態(tài)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(shù)，這就需要改變船舶的縱傾、橫搖角，船舶實現(xiàn)橫搖比實現(xiàn)縱搖容易，故選取橫搖角差別較大的數(shù)據(jù)為第4、第5組數(shù)據(jù)。

圖2 干擾系數(shù)求解示意圖

4 任意航向三分量抗干擾仿真

假設(shè)某船舶磁探測器感應(yīng)干擾系數(shù)為

固定干擾磁場（單位nT）

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

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

圖3 不進(jìn)行抗干擾調(diào)整時的線圈電流

圖4 三分量抗干擾調(diào)整后的線圈電流

5 小結(jié)

理論分析和仿真表明，在采集船載磁探測器磁場數(shù)據(jù)的同時，實時采集船舶的經(jīng)度、緯度、航向、縱搖、橫搖等信息，可實現(xiàn)在任意位置、任意航向?qū)Υ吧系拇盘綔y器進(jìn)行三分量實時抗干擾調(diào)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(jìn)行抗干擾調(diào)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(jiān)測船舶固定磁場的變化，為固定磁場的補償和其它相關(guān)操作提供參考。

本文仿真時取磁探測器測量誤差5 nT，遠(yuǎn)大于當(dāng)前船用磁探測器誤差水平，5°的橫搖角度差也很容易實現(xiàn)，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(shù)。E-mail: 01021332@163.com