海洋環(huán)境地磁場三分量測量儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

一、項(xiàng)目概述

1.1 項(xiàng)目摘要

提出了一種利用安裝在艦船上的三分量磁傳感器進(jìn)行地磁場測量的構(gòu)想，解決了在任意的艦船姿態(tài)下，消除測量中艦船磁場干擾的問題。該測試儀采用地磁模塊來測量磁場的三分量值，采用3軸陀螺儀來進(jìn)行任意的艦船姿態(tài)所包含的橫搖，縱搖和航向三種狀態(tài)信息，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，從而得到地磁場的三分量值。同時(shí) 該模塊還包含壓力傳感器和溫度傳感器，可以實(shí)時(shí)檢測海面上的氣壓以及溫度情況。

1.2 項(xiàng)目背景/選題動(dòng)機(jī)

“測地磁消艦磁”是艦載消磁系統(tǒng)所采用的消磁方法，如果能預(yù)先測量出艦船航行海域的地磁場值并建立數(shù)據(jù)庫，那么艦船在航行的過程中就可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡卮艌鲋祦磉M(jìn)行消磁系統(tǒng)的電流調(diào)整，從而改善艦載消磁系統(tǒng)的控制方法。

目前，地磁場數(shù)據(jù)的獲得主要是通過建立地磁模式組的方法。國際地磁學(xué)與高空大氣物理協(xié)會(huì)的一個(gè)專門小組每5年公布一次國際地磁參考場，我國則每10年出版一次中國地磁圖。這2種地磁場模型的建立，其數(shù)據(jù)大多來自陸地上的地磁臺站，而海洋上的特定地點(diǎn)的地球磁場還受當(dāng)?shù)氐牡乩順?gòu)造等諸多因素的影響而具特殊性。這就導(dǎo)致了全球地磁場模型和局部地磁場模型都不能及時(shí)準(zhǔn)確地描述海洋地磁場。因此，用于艦載消磁系統(tǒng)的電流調(diào)整時(shí)造成的誤差比較大。為了更準(zhǔn)確地獲得海洋上特定地點(diǎn)的地磁場值，可以在海洋上進(jìn)行實(shí)地測量。

目前在海洋上進(jìn)行的磁場測量主要是獲得磁場總量，但在艦載消磁系統(tǒng)進(jìn)行跨緯度調(diào)整等應(yīng)用中，需要的卻是三分量的地磁場。磁場的三分量值可以利用安裝在艦船桅桿上的6軸地磁模塊進(jìn)行測量，但這樣測得的磁場值并不是地磁場值，而是一個(gè)包含了艦船本身磁場和傳感器自身干擾的復(fù)雜的磁場值，并且受艦船姿態(tài)的影響，其值也是變化的，因此可以利用3軸陀螺儀來測量艦船的3個(gè)姿態(tài)角，再通過數(shù)學(xué)建模的方法，從一個(gè)復(fù)雜的三分量磁場值中分離出地球磁場。

二、需求分析

2.1 功能要求

1， LPR430AL軸陀螺儀（橫滾，俯仰）能夠檢測艦船橫搖，縱搖信息并輸出，LY330ALH陀螺儀（偏航）能夠檢測艦船航向角度并輸出。

2， LSM303DLH地磁模塊能夠檢測到艦船所在處地磁場信息輸出。

3， 最終輸出信息還包括經(jīng)過去除固定干擾之后的地磁場信息。

4， 壓力傳感器和溫度傳感器能夠?qū)崟r(shí)檢測海面上的溫度和氣壓，并輸出。

2.2 性能標(biāo)準(zhǔn)

最后經(jīng)過軟件計(jì)算結(jié)果，地磁場的水平分量和垂直分量的誤差不超過50nT，磁偏角誤差不超過0.3°。

三、方案設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)原理（除圖片外需有文字介紹）

1. 磁傳感數(shù)學(xué)模型分析

對于裝在測量船上的磁傳感器來說，其接收的磁場值為：

(1)

式中：E為單位矩陣；K為感應(yīng)磁化系數(shù)矩陣； 分別為地磁場水平分量和垂直分量；A為任意姿態(tài)下測量船坐標(biāo)系與地磁坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣；向量 為各種固定干擾量的合成。矩陣A各元素表達(dá)式分別為：

為測量船的縱傾角、橫搖角和磁偏向角。矩陣K可以具體表示為：

分析（1）式可以知道，要測量的量`` (實(shí)際上要測量的是磁偏角，只是測量出磁航向角 后，就可以與導(dǎo)航設(shè)備提供的航向角做差求出磁偏角)，向量h是可以從磁傳感器中直接讀出的， 首先應(yīng)該測量出感應(yīng)磁化系數(shù)矩陣K和固定干擾向量 。