一种海洋环境地磁场三分量的测量方法

文章编号:1009-3486(2005)06-0080-04

一种海洋环境地磁场三分量的测量方法

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闫 辉,肖昌汉

(海军工程大学电气与信息工程学院,湖北武汉430033)

摘 要:提出了一种利用安装在舰船上的三分量磁传感器进行地磁场测量的方法.从理论上解决了在任意舰船姿态下,消除测量中舰船磁场干扰的问题.为测量船在海上测量地磁场的三分量奠定了理论基础.根据我国舰船普遍安装的导航设备的精度,进行了计算机仿真.从仿真结果看,其误差不超过50nT ,能够满足舰载消磁系统对三分量磁场的精度要求.

关键词:地磁场;测量船;消磁系统

中图分类号:T M 154.3 文献标识码:A

A method of measuring three component geomagnetic field on ocean

YAN H ui,XIAO Chang han

(College of Electrical and Information Engineering,Naval Univ.of Engineering,Wuhan 430033,China)Abstract:A m ethod is presented to measure the three component geom ag netic field w ith a magnetic sensor equipped on a ship.It theor etically so lves the pro blem of how to eliminate the disturbance of the ship s magnetic field in any moving condition,and constructs the theor etical base for surveying ships to measure the three co mponent geom ag netic field at sea.A sim ulation is do ne according to the precision of the navig ation systems that are equipped on ships in o ur countr y.T he result of the simu lation can reach 50nT in precisio n,w hich can m eet the requir ed pr ecision of the degaussing sy stem on ship.

Key words:magnetic field;surveying ship;degaussing sy stem

测地磁消舰磁 是舰载消磁系统所采用的消磁方法,但对有些舰船来讲,安装磁传感器难度较大.如果能够预先测量出舰船航行海域的地磁场值并建立数据库,那么舰船在航行的过程中就可以根据当地的地磁场值进行消磁系统的电流调整,从而改善舰载消磁系统的控制方法.

目前,地磁场数据的获得主要是通过建立地磁模式组的方法.国际地磁学与高空大气物理学协会(IAGA)的一个专门小组每5年公布一次国际地磁参考场(IGRF),我国则每10年出版一次中国地磁图[1].这2种地磁场模型的建立,其数据大都来自陆地上的地磁台站,而海洋上特定地点的地球磁场还受当地的地理构造等诸多因素的影响而具有特殊性.这就导致了全球地磁场模型和局部地磁场模型都不能及时准确地描述海洋地磁场.因此,用于舰载消磁系统的电流调整时造成的误差比较大.为了更准确地获得海洋上特定地点的地磁场值,可以在海上进行实地测量.

目前,在海上进行的磁场测量主要是获得磁场总量[2],但在舰载消磁系统进行跨纬度调整等应用中,需要的却是三分量的地磁场[3].磁场的三分量值可以利用安装在舰船桅杆上的三分量磁传感器来测量,但这样测得的磁场值并不是地磁场值,而是一个包含了舰船本身磁场和传感器自身干扰的复杂的磁 第17卷 第6期 2005年12月 海军工程大学学报

JO U RN A L OF NA V A L U NI VERSIT Y O F EN GIN EERIN G Vo l.17 No.6 Dec.2005

3收稿日期:2005 06 10;修订日期:2005 07 12

作者简介:闫 辉(1978 ),男,硕士生.

场值,并且受舰船姿态的影响,其值也是变化的.如何从这样一个复杂的三分量磁场值中分离出地球磁场,是能否进行海上地球磁场测量要解决的关键问题.作者从理论上提出了任意舰船姿态下分离地磁场三分量的方法.

1 磁传感器数学模型分析

对于装在测量船上的磁传感器来说,其接收到的磁场值[4]为:

h=(E+K)A H d

Z d

+h p(1)

式中:E为单位矩阵;K为感应磁化系数矩阵;H d、Z d分别为地磁场水平分量和垂直分量;A为任意姿态下测量船坐标系与地磁坐标系的转换矩阵;向量h p为各种固定干扰量的合成.矩阵A各元素表达式分别为:a11=cos co s ;a12=cos sin ;a13=sin ;a21=-sin sin cos -cos sin ;a22=-sin sin sin +cos cos ;a23=cos sin ;a31=-sin co s cos +sin sin ;a32=-sin cos sin -sin cos ;a33=cos cos .其中: 、 、 分别为测量船的纵倾角、横摇角和磁航向角[5].矩阵K可以具体表示为:

K=k xx k xy k xz k yx k yy k yz k z x k zy k z z

分析(1)式可以知道,要测量的量有H d、Z d和 (实际上要测量的是磁偏角,只要测量出磁航向角 后,就可以与导航设备提供的航向角做差求出磁偏角),向量h是可以从磁传感器直接读得的, 和 可以从导航设备获得,矩阵K与向量h p则是由舰船和磁传感器的特性决定的不变量.因此,为了分离H d、Z d和 首先应该测量出感应磁化系数矩阵K和固定干扰向量h p.

2 求解K矩阵和固定干扰

当舰船的姿态角 、 和 取某些特殊值时,矩阵A将呈现出某些特殊的形式.因此,我们可以在已知H d、Z d和磁偏角 的某地对测量船进行几个特殊航向的舰船磁场的测量,以获得矩阵K.

第1步:分别进行没有纵摇和横摇的磁北和磁南航向的航行,获得h n和h s,再将它们相减.得到:

h n-h s=(E+K)2

2

H d

Z d

(2)

第2步:分别进行没有纵摇和横摇的磁西和磁东航向的航行,获得h w和h e,再将它们相减.得到:

h w-h e=(E+K)

02

-20

H d

Z d

(3)

第3步:进行磁航向角 =90 、纵摇角 =0和横摇角分别为+ 和- 的航行,获得h+和h-,再将它们相减.得到:

h+

-h-=(E+K)

000

002sin

2sin 00

H d

Z d

(4)

第4步:综合(2)~(4)式可得:

[h n-h s h w-h e h+-h-]=(E+K)2H d00

0-2H d2Z d sin

002H d sin

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第6期 闫 辉等:一种海洋环境地磁场三分量的测量方法