一種應用于多重干擾領域新型定位方法

徐 杰

(海軍駐桂林地區軍事代表室，廣西 桂林 541002)

0 引言

以前的論文［1－2］討論了磁定位方法的發展。在沒有艦載定位系統的情況下，需要精確收集艦船磁場信號。該方法主要應用于布置在港口的磁傳感器陣列，目的是監控進出港口艦船的磁場梯度信號。但該方法的問題在于，當比較不同情形下的測量數據時，磁場信號的變化嚴重依賴于潮汐深度、艦船和傳感器陣列的相對位置。因此，為了獲得精確結果，本文將潮汐變化、艦船和傳感器陣列的相對位置2個重要影響因素納入到艦船磁場信號模擬模型中。

如果磁性定位方法能解決上述問題，該方法便能廣泛應用于眾多領域，如檢測、深水、聲音和多重干擾、安全監控系統以及屏蔽信號收集等。

1 信號模擬的優點

假如磁場測量數據有效，信號模擬方法更能精確的定位艦船蹤跡。為了說明這一點，分析圖1和圖2。圖1顯示艦船航行于陣列中1個傳感器的上方及測量數據。圖2顯示艦船航行于陣列中2個傳感器之間的上方及測量數據。比較圖1和圖2，可以看出測量信號嚴重依賴于艦船與陣列的相對位置。另外，一個嚴重影響測量信號的因素——潮汐深度，也能得出相同結論。

磁場模擬方法依據測量數據建立艦船模型，通過模型推算出任何區域的信號。最有效的陣列方式是在相應艦船類別的目標深度下，艦船直接通過傳感器陣列的中心。換言之，假設艦船通過的陣列如圖2所示，則模擬信號如圖1所示。因此，為了獲得精確的結果，必須考慮到潮汐變化和艦船與陣列的相對位置。

2 磁性定位方法

為了計算磁場蹤跡，給出2種基本假設:一是艦船航跡為1條直線，二是艦船航速恒定。雖然這些條件不是在每種情形之下都能實現，但是大部分情況艦船是在給定方向按照給定的速度航行的，因為通常只有1條通向港口的適于航行的通道，所以上述條件能得到有效的執行。磁性探測方法能應用于變化的傳感器系統，至少需要2個傳感器。一個典型的測量裝置包括3～5個三軸向磁性傳感器，傳感器的位置精確度為±7 cm。艦船必須從2個傳感器之間通過(如圖3所示)。為了精確測量艦船磁場，一個典型的港口通常包括大量傳感器。圖4為布置于狹窄航道的5個傳感器示意圖。為了充分確保測量信號的精確性，關鍵在于傳感器的間隔距離小于水深以及適當的信噪比。

通常在港口中，艦船航向和實際航向相差少于1°，艦船與傳感器陣列相對位置在1 m以內，艦船航行速度小于30 cm/s。模擬信號的最大誤差小于3%，最小誤差小于0.1%。圖5顯示的軌跡采用磁性定位運算法則，航行速度5 m/s，艦船與陣列中心相距7.3 m，航向25°。圖5中交叉點代表傳感器，線條代表艦船軌跡。實際測量信號和采用磁性定位推算的信號如圖6所示。3條點線代表相同方式下的推算信號，2種信號間的最大誤差為1.3%。由此可見，考慮到潮汐變化和艦船與陣列的相對位置2個重要因素，模型既具有真實性，又具有精確性和穩定性，滿足工程實際需求。

2.1 信號收集系統

磁性定位方法尤其適合于監視艦船進出海港或者港口。這個方法的優點在于不需要在每艘艦船上安裝相應的艦載定位裝置，便能精確定位艦船蹤跡。當操作非合作艦船時，這個方法尤其重要。例如，過去常常采用攜帶視頻照相機進行大范圍操作，才能識別艦船類型，而現在，磁性定位方法基于測量信號便能完全反映艦船類型。

在港口中，1個適當的傳感器陣列結構包括足夠的覆蓋航道寬度的三軸向傳感器，并且傳感器之間的距離必須小于水深(如圖3所示)，港口和檢測裝置通常包括3～16個傳感器。

圖6 艦船實際軌跡與定位軌跡Fig.6 The actual signature and the signature predicted using a Magnetically tracked signature

2.2 多重干擾領域

除了應用在單一干擾領域外，磁定位能模擬許多外界干擾信號，包括交變磁場、靜態磁場、交變電場和聲信號，只需要給定3～5個靜態磁傳感器，便能定位，并且可以通過給定位置的聯合式或者分布式傳感器模擬出外界的干擾信號。

當港口與傳感器之間的距離為典型距離(比如20～30 m)的時候，磁場干擾信號(CRM)很小。決定CRM的一個精確方法是模擬電場信號和預測CRM信號，該方法避免了分離小CRM信號與大磁場信號的復雜問題。

3 結語

如果艦船具有強大的磁場信號，當沒有其他定位方法的時候，磁定位是1個有效的定位方法。該方法最大的優點在于能模擬合作目標與非合作目標。磁定位方法同樣有效檢測合作艦船。此外，不同于GPS，IR和激光定位方法，磁定位不需要獨立的艦船定位系統，便能定位深水潛艇。

［1］DAVIDSON S J，et al.Trackerless Signature Modelling［C］.UDT Conference Proceedings，1997.214 －218.

［2］DAVIDSON S J，WEBB G J.Positioning techniques in the transmag degaussing system［C］. UDT Conference Proceedings，1996.421 －424.

［3］PARKER S F H，et al.Preisach modelling of magnetisation changes in steel［J］.J.Magn.Magn.Mater，1995，25:51 －56.

［4］宋立智.磁性目標定位探測方法研究［J］.青島大學學報，1998，(4):33 －36.

［5］蔣敏志，林春生.船舶水下被動磁性定位研究［J］.武漢理工大學學報，2003，(6):168 －170，187.

［6］林春生.艦船磁場信號檢測與磁性目標定位［D］.武漢:海軍工程大學，1996.

［7］BEATTIE G A，HUBBARD J C.A novel means of nonacoustic detection［C］.UDT Conference Proceedings，1996.398 －403.

［8］WEBB GJ，DAVIDSON SJ，HOUGHTON M A.Enhancement of magnetic range performance by compensation of the corrosion related magnetic field［C］.UDT Conference Proceedings，1997.443 －446.