水下航行器上方三分量磁場高精度測量技術(shù)研究

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高精度測量技術(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. 中國人民解放軍92578部隊，北京 100161；2. 國防科技大學(xué)智能科學(xué)學(xué)院，長沙 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動態(tài)補(bǔ)償測量方法，分析了高精度補(bǔ)償測量原理，研究建立了三軸磁傳感器坐標(biāo)系下磁場測量值向地理坐標(biāo)系下的坐標(biāo)變換矩陣，并完成了試驗驗證。試驗結(jié)果表明，應(yīng)用水下航行器上方三分量磁場動態(tài)補(bǔ)償測量方法后，磁場測量值標(biāo)準(zhǔn)差降低了90%-95%，大幅提升了磁場測量系統(tǒng)抗抖動性能，這驗證了該方法對提升水下航行器上方三分量磁場測量精度的有效性。

移動行車 三軸磁傳感器 姿態(tài)傳感器 水下航行器磁場 動態(tài)測量

0 引言

水下航行器的鐵磁性材料在地球背景磁場磁化作用下，在其周圍將產(chǎn)生局部磁異常，這種磁場將成為航空磁探系統(tǒng)與磁引信水雷探測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)確地測量評估水下航行器上下方磁場（特別是三分量磁場）是進(jìn)行高效消磁處理的前提。相對傳統(tǒng)消磁洞庫中固定式傳感器陣列測量水下航行器上方磁場方式，采用移動行車方式測量水下航行器上方磁場既能保證消磁站可兼顧高桅桿水面艦艇消磁，同時又可有效避免艦艇消磁過程中強(qiáng)磁場對上方磁場測量系統(tǒng)影響（消磁處理時可將行車移開），這將成為未來消磁站廣泛應(yīng)用的水下航行器上方磁場測量方式。

在基于移動行車的水下航行器上方磁場測量中，將三軸磁傳感器搭載在移動行車的水平桁架上，沿艇艏艉方向往復(fù)移動可實現(xiàn)水下航行器上方磁場的掃描式測量。但在移動測量過程中，行車運(yùn)動會導(dǎo)致三軸磁通門傳感器產(chǎn)生抖動，使得三分量磁場測量誤差增大，難以滿足對水下航行器上方三分量磁場測量和評估的需求。

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動態(tài)補(bǔ)償測量方法，三軸磁傳感器可測量三個垂直方向上的磁場矢量，姿態(tài)傳感器實時感知行車移動過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量的磁場分量解算到統(tǒng)一坐標(biāo)系下，得到水下航行器三分量磁場。該方法具有操作簡單、能夠?qū)崿F(xiàn)水下航行器分量磁場的動態(tài)測量，且抗抖動性能好、測量精度及可靠性高等優(yōu)點。

1 水下航行器上方三分量磁場高精度測量原理

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動態(tài)補(bǔ)償測量方法，磁場測量系統(tǒng)單元布置在移動行車的水平桁架上，移動行車沿水下航行器艏艉方向往復(fù)移動，可實現(xiàn)水下航行器上方三分量磁場的掃描式高精度測量。如圖2所示，磁場測量系統(tǒng)由三軸磁傳感器和姿態(tài)傳感器組成，三軸磁傳感器可測量三軸磁傳感器坐標(biāo)系下水下航行器三分量磁場，姿態(tài)傳感器可提供三軸磁傳感器相對于地理坐標(biāo)系的姿態(tài)信息，通過建立坐標(biāo)變換矩陣，將三軸磁傳感器坐標(biāo)系下的測量值轉(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測量值。該方法可較好地解決移動行車運(yùn)動過程中的抖動對三分量磁場測量的影響，進(jìn)一步提升水下航行器三分量磁場測量精度。

圖1 基于移動行車的水下航行器上方三分量磁場動態(tài)補(bǔ)償測量方案

圖2 水下航行器磁場三分量測量系統(tǒng)

2 磁場-姿態(tài)融合算法

水下航行器上方三分量磁場動態(tài)補(bǔ)償測量的關(guān)鍵是建立三軸磁傳感器坐標(biāo)系下測量值向地理坐標(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值，消除磁場測量系統(tǒng)運(yùn)動抖動導(dǎo)致的測量誤差。

3 水下航行器上方三分量磁場動態(tài)補(bǔ)償測量驗證

3.1 試驗驗證系統(tǒng)

本文搭建的水下航行器上方三分量磁場動態(tài)補(bǔ)償測量驗證系統(tǒng)如圖3所示。磁場測量系統(tǒng)包含MAG13三軸磁通門傳感器、捷聯(lián)慣導(dǎo)（由激光陀螺和加速度計構(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、帶偏心輪的移動行車縮比模型、電腦（記錄、處理及保存測量結(jié)果）等。其中，MAG13三軸磁通門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，角度測量分辨率是1×10-4°，加速度計精度優(yōu)于1×10-6米/秒2。為有效模擬移動行車運(yùn)動帶來的抖動，設(shè)計偏心半徑為1毫米的輪子，以此驗證三分量磁場動態(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，選取梯度變化在0.01納特/米以內(nèi)區(qū)域作為測試區(qū)域，將水下航行器上方三分量磁場動態(tài)補(bǔ)償測量驗證系統(tǒng)放置在該測量區(qū)域內(nèi)。

2）搭建水下航行器上方三分量磁場動態(tài)補(bǔ)償測量驗證系統(tǒng)，在移動行車水平導(dǎo)軌上放置水平儀，通過調(diào)節(jié)導(dǎo)軌基座支腳高度，保證導(dǎo)軌水平。

3）移動行車搭載磁場測量系統(tǒng)在水平導(dǎo)軌上勻速運(yùn)動，記錄往返5次共10組三軸磁場傳感器和姿態(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。姿態(tài)補(bǔ)償前后水下航行器上方三分量及總量磁場測量結(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測量值標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計如表1所示。

圖4 姿態(tài)補(bǔ)償前后磁場三分輸出值對比圖

圖5 姿態(tài)傳感器輸出值

表1 有/無姿態(tài)補(bǔ)償時三分量磁場測量值統(tǒng)計表

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測量值標(biāo)準(zhǔn)差降低了90%～95%，大幅提升了磁場測量系統(tǒng)抗抖動性能，實現(xiàn)了水下航行器上方三分量磁場的穩(wěn)定、高精度動態(tài)測量。

4 結(jié)語

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動態(tài)補(bǔ)償測量方法，建立了三軸磁傳感器坐標(biāo)系下磁場測量值向地理坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換矩陣，并完成了試驗驗證。應(yīng)用水下航行器上方三分量磁場動態(tài)補(bǔ)償測量方法后，磁場測量值標(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測量精度。

[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)境地磁場三分量的測量方法[J]. 海軍工程大學(xué)學(xué)報, 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獲得其三分量磁場的研究[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報, 2008, 29(2): 111-114.

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

[5] 龐鴻鋒. 捷聯(lián)式地磁矢量測量系統(tǒng)誤差分析及校正補(bǔ)償技術(shù)[D]. 國防科學(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。研究方向為艦船隱身。E-mail: wangxueren@aliyun.com