管 峰，劉瑞杰，莊 飚，王雪仁*，張 琦，胡佳飛，劉中艷

水下航行器上方三分量磁場(chǎng)高精度測(cè)量技術(shù)研究

管 峰1，劉瑞杰1，莊 飚1，王雪仁1*，張 琦2，胡佳飛2，劉中艷2

（1. 中國(guó)人民解放軍92578部隊(duì)，北京 100161；2. 國(guó)防科技大學(xué)智能科學(xué)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410073）

本文提出了一種基于“三軸磁傳感器+姿態(tài)傳感器”相結(jié)合的水下航行器上方三分量磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償測(cè)量方法，分析了高精度補(bǔ)償測(cè)量原理，研究建立了三軸磁傳感器坐標(biāo)系下磁場(chǎng)測(cè)量值向地理坐標(biāo)系下的坐標(biāo)變換矩陣，并完成了試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)用水下航行器上方三分量磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償測(cè)量方法后，磁場(chǎng)測(cè)量值標(biāo)準(zhǔn)差降低了90%-95%，大幅提升了磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)抗抖動(dòng)性能，這驗(yàn)證了該方法對(duì)提升水下航行器上方三分量磁場(chǎng)測(cè)量精度的有效性。

移動(dòng)行車(chē) 三軸磁傳感器 姿態(tài)傳感器 水下航行器磁場(chǎng) 動(dòng)態(tài)測(cè)量

0 引言

水下航行器的鐵磁性材料在地球背景磁場(chǎng)磁化作用下，在其周?chē)鷮a(chǎn)生局部磁異常，這種磁場(chǎng)將成為航空磁探系統(tǒng)與磁引信水雷探測(cè)和攻擊水下航行器的重要靶源，嚴(yán)重影響隱身的性能[1]。水下航行器進(jìn)行消磁處理是保持或提升磁隱身性能的重要途徑，而準(zhǔn)確地測(cè)量評(píng)估水下航行器上下方磁場(chǎng)（特別是三分量磁場(chǎng)）是進(jìn)行高效消磁處理的前提。相對(duì)傳統(tǒng)消磁洞庫(kù)中固定式傳感器陣列測(cè)量水下航行器上方磁場(chǎng)方式，采用移動(dòng)行車(chē)方式測(cè)量水下航行器上方磁場(chǎng)既能保證消磁站可兼顧高桅桿水面艦艇消磁，同時(shí)又可有效避免艦艇消磁過(guò)程中強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)上方磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)影響（消磁處理時(shí)可將行車(chē)移開(kāi)），這將成為未來(lái)消磁站廣泛應(yīng)用的水下航行器上方磁場(chǎng)測(cè)量方式。

在基于移動(dòng)行車(chē)的水下航行器上方磁場(chǎng)測(cè)量中，將三軸磁傳感器搭載在移動(dòng)行車(chē)的水平桁架上，沿艇艏艉方向往復(fù)移動(dòng)可實(shí)現(xiàn)水下航行器上方磁場(chǎng)的掃描式測(cè)量。但在移動(dòng)測(cè)量過(guò)程中，行車(chē)運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致三軸磁通門(mén)傳感器產(chǎn)生抖動(dòng)，使得三分量磁場(chǎng)測(cè)量誤差增大，難以滿(mǎn)足對(duì)水下航行器上方三分量磁場(chǎng)測(cè)量和評(píng)估的需求。

本文提出一種基于“三軸磁傳感器+姿態(tài)傳感器”相結(jié)合的水下航行器上方三分量磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償測(cè)量方法，三軸磁傳感器可測(cè)量三個(gè)垂直方向上的磁場(chǎng)矢量，姿態(tài)傳感器實(shí)時(shí)感知行車(chē)移動(dòng)過(guò)程中三軸磁傳感器的姿態(tài)信息，利用綜合信息處理模塊將三軸磁傳感器測(cè)量的磁場(chǎng)分量解算到統(tǒng)一坐標(biāo)系下，得到水下航行器三分量磁場(chǎng)。該方法具有操作簡(jiǎn)單、能夠?qū)崿F(xiàn)水下航行器分量磁場(chǎng)的動(dòng)態(tài)測(cè)量，且抗抖動(dòng)性能好、測(cè)量精度及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

1 水下航行器上方三分量磁場(chǎng)高精度測(cè)量原理

如圖1所示，本文提出了一種基于“三軸磁傳感器+姿態(tài)傳感器”相結(jié)合的水下航行器上方三分量磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償測(cè)量方法，磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)單元布置在移動(dòng)行車(chē)的水平桁架上，移動(dòng)行車(chē)沿水下航行器艏艉方向往復(fù)移動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)水下航行器上方三分量磁場(chǎng)的掃描式高精度測(cè)量。如圖2所示，磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)由三軸磁傳感器和姿態(tài)傳感器組成，三軸磁傳感器可測(cè)量三軸磁傳感器坐標(biāo)系下水下航行器三分量磁場(chǎng)，姿態(tài)傳感器可提供三軸磁傳感器相對(duì)于地理坐標(biāo)系的姿態(tài)信息，通過(guò)建立坐標(biāo)變換矩陣，將三軸磁傳感器坐標(biāo)系下的測(cè)量值轉(zhuǎn)換為地理坐標(biāo)系下的三分量，最終得到地理坐標(biāo)系下水下航行器三分量磁場(chǎng)測(cè)量值。該方法可較好地解決移動(dòng)行車(chē)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的抖動(dòng)對(duì)三分量磁場(chǎng)測(cè)量的影響，進(jìn)一步提升水下航行器三分量磁場(chǎng)測(cè)量精度。

圖1 基于移動(dòng)行車(chē)的水下航行器上方三分量磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償測(cè)量方案

圖2 水下航行器磁場(chǎng)三分量測(cè)量系統(tǒng)

2 磁場(chǎng)-姿態(tài)融合算法

水下航行器上方三分量磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償測(cè)量的關(guān)鍵是建立三軸磁傳感器坐標(biāo)系下測(cè)量值向地理坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換矩陣，其具體算法流程如下所示。

式中：

基于上述算法，通過(guò)坐標(biāo)變換可得到地理坐標(biāo)系下的水下航行器上方三分量磁場(chǎng)值，消除磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)抖動(dòng)導(dǎo)致的測(cè)量誤差。

3 水下航行器上方三分量磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償測(cè)量驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)

本文搭建的水下航行器上方三分量磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償測(cè)量驗(yàn)證系統(tǒng)如圖3所示。磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)包含MAG13三軸磁通門(mén)傳感器、捷聯(lián)慣導(dǎo)（由激光陀螺和加速度計(jì)構(gòu)成）、質(zhì)子梯度磁力儀、水平儀、數(shù)據(jù)采集和處理電路模塊及軟件、帶偏心輪的移動(dòng)行車(chē)縮比模型、電腦（記錄、處理及保存測(cè)量結(jié)果）等。其中，MAG13三軸磁通門(mén)傳感器主要性能參數(shù)：噪聲水平＜4pTrms/√Hz，量程是±60微特至±1000毫特，帶寬是3千赫茲；捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)主要性能參數(shù)：激光陀螺零漂優(yōu)于0.003度/小時(shí)，角度測(cè)量分辨率是1×10-4°，加速度計(jì)精度優(yōu)于1×10-6米/秒2。為有效模擬移動(dòng)行車(chē)運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的抖動(dòng)，設(shè)計(jì)偏心半徑為1毫米的輪子，以此驗(yàn)證三分量磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償效果。具體步驟如下：

1）利用質(zhì)子梯度磁力儀標(biāo)定地球背景磁場(chǎng)，選取梯度變化在0.01納特/米以?xún)?nèi)區(qū)域作為測(cè)試區(qū)域，將水下航行器上方三分量磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償測(cè)量驗(yàn)證系統(tǒng)放置在該測(cè)量區(qū)域內(nèi)。

2）搭建水下航行器上方三分量磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償測(cè)量驗(yàn)證系統(tǒng)，在移動(dòng)行車(chē)水平導(dǎo)軌上放置水平儀，通過(guò)調(diào)節(jié)導(dǎo)軌基座支腳高度，保證導(dǎo)軌水平。

3）移動(dòng)行車(chē)搭載磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)在水平導(dǎo)軌上勻速運(yùn)動(dòng)，記錄往返5次共10組三軸磁場(chǎng)傳感器和姿態(tài)傳感器輸出值，如圖4、5所示。

4）基于式（4）所確定的三軸磁傳感器及地理坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)變換矩陣，利用三軸磁場(chǎng)傳感器和姿態(tài)傳感器輸出值，求解得到地理坐標(biāo)系下水下航行器三分量磁場(chǎng)。姿態(tài)補(bǔ)償前后水下航行器上方三分量及總量磁場(chǎng)測(cè)量結(jié)果如圖4所示，地理坐標(biāo)系下水下航行器上方三分量磁場(chǎng)測(cè)量值標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計(jì)如表1所示。

圖4 姿態(tài)補(bǔ)償前后磁場(chǎng)三分輸出值對(duì)比圖

圖5 姿態(tài)傳感器輸出值

表1 有/無(wú)姿態(tài)補(bǔ)償時(shí)三分量磁場(chǎng)測(cè)量值統(tǒng)計(jì)表

圖4及表1表明，利用姿態(tài)傳感器進(jìn)行補(bǔ)償后，地理坐標(biāo)系下水下航行器上方三分量磁場(chǎng)測(cè)量值標(biāo)準(zhǔn)差降低了90%～95%，大幅提升了磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)抗抖動(dòng)性能，實(shí)現(xiàn)了水下航行器上方三分量磁場(chǎng)的穩(wěn)定、高精度動(dòng)態(tài)測(cè)量。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于“三軸磁傳感器+姿態(tài)傳感器”相結(jié)合的水下航行器上方三分量磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償測(cè)量方法，建立了三軸磁傳感器坐標(biāo)系下磁場(chǎng)測(cè)量值向地理坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換矩陣，并完成了試驗(yàn)驗(yàn)證。應(yīng)用水下航行器上方三分量磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償測(cè)量方法后，磁場(chǎng)測(cè)量值標(biāo)準(zhǔn)差降低了90%～95%，這表明，該方法可應(yīng)用于提升水下航行器上方三分量磁場(chǎng)測(cè)量精度。

[1] 李宏靜, 鄧晏, 劉廣偉, 齊彬, 李寶河, 俱海浪. 地磁三分量的測(cè)量研究[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用, 2014, 15: 16.

[2] 閆輝, 肖昌漢. 一種海洋環(huán)境地磁場(chǎng)三分量的測(cè)量方法[J]. 海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2005, 17(6): 80-83.

[3] 隗燕琳, 肖昌漢, 陳敬超, 等. 由艦船垂向分量磁場(chǎng)獲得其三分量磁場(chǎng)的研究[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 29(2): 111-114.

[4] 張琦, 潘孟春. 基于線性化參數(shù)模型的三軸磁場(chǎng)傳感器校準(zhǔn)方法[J]. 傳感器技術(shù)學(xué)報(bào), 2012, 25(2): 215-219.

[5] 龐鴻鋒. 捷聯(lián)式地磁矢量測(cè)量系統(tǒng)誤差分析及校正補(bǔ)償技術(shù)[D]. 國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué), 2015.

Research on high-precision measurement technology of three-component magnetic field above underwater vehicle

Guan Feng , Liu Ruijie, Zhuang Biao, Wang Xueren, Zhang Qi, Hu Jiafei, Liu Zhongyan

（1. 92578 Unit of the PLA，Beijing 100161，China；2. College of Intelligence Science and Technology, National University of Defense Technology，Changsha 410073，China）

G642.0

A

1003-4862（2023）03-0015-04

2023-02-13

管峰（1989-），男，博士。研究方向?yàn)榕灤[身。E-mail: wangxueren@aliyun.com