船載磁探測(cè)器任意航向?qū)崟r(shí)抗干擾技術(shù)研究

李志新

應(yīng)用研究

船載磁探測(cè)器任意航向?qū)崟r(shí)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(cè)器測(cè)得的磁場(chǎng)信號(hào)中，除期望的船舶坐標(biāo)系下的地磁場(chǎng)信號(hào)外，還包含多種干擾磁場(chǎng)信號(hào)，需進(jìn)行抗干擾才能滿足測(cè)磁要求。本文在分析各種干擾磁場(chǎng)信號(hào)特性及其排除方法的基礎(chǔ)上，對(duì)任意航向上的三分量實(shí)時(shí)抗干擾技術(shù)進(jìn)行了理論建模、算法實(shí)現(xiàn)以及工程適用性等研究，并通過(guò)MATLAB仿真驗(yàn)證該技術(shù)的可行性。該技術(shù)可使船載磁探測(cè)器的抗干擾擺脫時(shí)間、地點(diǎn)的限制，有效地解決船舶固定干擾磁場(chǎng)的實(shí)時(shí)排除，船舶固定磁場(chǎng)變化的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等難題。

磁通門(mén)測(cè)磁儀 任意航向 感應(yīng)磁場(chǎng) 固定磁場(chǎng) 實(shí)時(shí)抗干擾

0 引言

某些船舶在桅桿上安裝三分量磁通門(mén)磁探測(cè)器，如圖1所示，測(cè)量船舶坐標(biāo)系下地磁場(chǎng)的3個(gè)分量[1]，用以控制線圈電流的輸出，補(bǔ)償船舶感應(yīng)磁場(chǎng)。要保證感應(yīng)磁場(chǎng)的補(bǔ)償精度，保證磁探測(cè)器測(cè)量地磁場(chǎng)的準(zhǔn)確度是基礎(chǔ)。

磁探測(cè)器安裝在船舶桅桿上，其測(cè)量信號(hào)包括需要的控制線圈電流所需的地磁場(chǎng)信號(hào)，也包含船體的固定磁場(chǎng)、感應(yīng)磁場(chǎng)以及線圈通電產(chǎn)生的磁場(chǎng)等干擾磁場(chǎng)信號(hào)，需進(jìn)行抗干擾調(diào)整，才能保證磁場(chǎng)測(cè)量的準(zhǔn)確性，保證線圈電流的準(zhǔn)確性，使其滿足設(shè)計(jì)要求[1]。

當(dāng)前船載磁探測(cè)器在四個(gè)主航向上的抗干擾方法，要求船舶在特定的時(shí)機(jī)、特定的水域做轉(zhuǎn)圈航行，并采集磁東、南、西、北四個(gè)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(shí)間特定的地點(diǎn)進(jìn)行，不能對(duì)各類干擾量，尤其是船舶固定磁場(chǎng)的變化做出及時(shí)做出反應(yīng)，難以保證抗干擾精度[2-4]。為此，本文對(duì)船載磁探測(cè)器的任意航向?qū)崟r(shí)抗干擾技術(shù)進(jìn)行了研究。

圖1 船用磁探測(cè)器

1 磁探測(cè)器測(cè)量信號(hào)組成

安裝在船舶桅桿上的磁探測(cè)器測(cè)量到的磁場(chǎng)信號(hào)包括地磁場(chǎng)、船舶感應(yīng)磁場(chǎng)、線圈磁場(chǎng)、船舶固定磁場(chǎng)四類信號(hào)，如式（1）所示

略去二階以上小項(xiàng)

將式（4）代入式（5）可得探頭坐標(biāo)系下感應(yīng)磁場(chǎng)

可見(jiàn)磁傳感器和磁探測(cè)器的安裝帶來(lái)的誤差與感應(yīng)磁場(chǎng)干擾有相同的形式，二者在式（6）中合為一體[5-7]。

線圈磁場(chǎng)與線圈電流成正比，且由于線圈非特殊情況不會(huì)改變，比例系數(shù)在出廠時(shí)測(cè)定后，可視為不變[1]，故線圈干擾磁場(chǎng)排除簡(jiǎn)單，在本文中將其忽略。

固定磁場(chǎng)在兩次抗干擾期間可視為不變，所以磁探測(cè)器接收到的磁場(chǎng)信號(hào)為（不計(jì)繞組磁場(chǎng)）

2 任意航向三分量實(shí)時(shí)抗干擾方法分析

四航向抗干擾方法需在特定的時(shí)間、地點(diǎn)進(jìn)行，這就決定了兩次抗干擾之間的時(shí)間往往很長(zhǎng)（一年以上），期間船舶固定磁場(chǎng)逐漸發(fā)生變化，磁場(chǎng)數(shù)據(jù)采集處理設(shè)備不能及時(shí)應(yīng)對(duì)這個(gè)變化，從而未能保證磁場(chǎng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，進(jìn)而影響補(bǔ)償電流的精度。

3 三分量干擾系數(shù)及固定磁場(chǎng)簡(jiǎn)化計(jì)算方法

1）求水平干擾系數(shù)

僅考慮水平干擾系數(shù)時(shí)，方程還有3個(gè)未知數(shù)，取三個(gè)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(jì)算，若不滿足要求，則回到第一步，重新開(kāi)始計(jì)算，直至數(shù)據(jù)滿足要求。

第二步的計(jì)算中，分母為兩個(gè)狀態(tài)下的垂向地磁場(chǎng)之差，即需要改變作用在船舶上的垂向地磁場(chǎng)，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(shí)現(xiàn)橫搖比實(shí)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(cè)器感應(yīng)干擾系數(shù)為

固定干擾磁場(chǎng)（單位nT）

與設(shè)定值的最大差值為0.0035，在全球范圍內(nèi)會(huì)帶來(lái)最大238nT的計(jì)算誤差。求得的固定干擾磁場(chǎng)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(chǎng)誤差將導(dǎo)致的最大磁場(chǎng)計(jì)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(shí)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(cè)器磁場(chǎng)數(shù)據(jù)的同時(shí)，實(shí)時(shí)采集船舶的經(jīng)度、緯度、航向、縱搖、橫搖等信息，可實(shí)現(xiàn)在任意位置、任意航向?qū)Υ吧系拇盘綔y(cè)器進(jìn)行三分量實(shí)時(shí)抗干擾調(diào)整，克服以往抗干擾對(duì)地點(diǎn)、時(shí)機(jī)要求苛刻的缺點(diǎn)。在任何需要的時(shí)候進(jìn)行抗干擾調(diào)整，可真正做到實(shí)時(shí)排除各類干擾量，尤其是船舶固定磁場(chǎng)的干擾，同時(shí)監(jiān)測(cè)船舶固定磁場(chǎng)的變化，為固定磁場(chǎng)的補(bǔ)償和其它相關(guān)操作提供參考。

本文仿真時(shí)取磁探測(cè)器測(cè)量誤差5 nT，遠(yuǎn)大于當(dāng)前船用磁探測(cè)器誤差水平，5°的橫搖角度差也很容易實(shí)現(xiàn)，故船載磁探測(cè)器實(shí)時(shí)任意航向三分量實(shí)時(shí)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?yàn)殡姽だ碚撆c新技術(shù)。E-mail: 01021332@163.com