海域环境下铁磁性载体地磁场矢量差分检测方法研究

发布时间：2017-10-01 01:29

  本文关键词：海域环境下铁磁性载体地磁场矢量差分检测方法研究

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【摘要】：海域环境特别是水下环境中运行的载体主要采用惯性导航系统进行导航,其短时间内精度较高,但误差会随时间不断累积,需定期浮出水面利用卫星定位等其他导航方式对方位进行修正,因此降低了其安全性和隐蔽性。近年来地磁导航方法已成为惯导装置重要的辅助手段之一。但实现地磁辅助导航的前提是能够对地磁场进行测量,对于海域环境下地磁场的测量需要依靠舰船、水下机器人或其它水下航行器等载体。这些载体大多是由铁磁性材料建造而成,当受到地磁场环境的磁化作用时,在载体的周围会产生一些附加磁场,这些复杂磁场将对地磁场的检测造成干扰。本论文以国家“十二五”某科研项目为依托进行前瞻性预研,主要针对铁磁性载体周围复杂干扰磁场和地磁场进行分离的方法进行研究,在传统检测方法基础之上提出了两种基于差分原理的地磁场检测方法,建立了新的磁矢量差分检测模型,通过引入系数参量推导出磁矢量差分解算模型,并对相关参数的求解算法进行了研究,通过仿真研究和实验研究分别对检测方法进行了可行性分析和验证,为地磁场矢量在海域环境下的实地检测奠定了基础。本文的主要研究工作和内容包括以下几部分:1、铁磁性载体周围磁场空间分布特性研究。对载体周围磁场的种类和产生机理进行研究,主要针对感应磁场和固定磁场的特性进行分析,通过对感应磁场幅值随距离载体位移变化的衰减曲线研究,总结出感应磁场的空间分布特性。通过改变地磁场大小对感应磁场变化情况进行仿真,归纳出感应磁场与地磁场幅值之间的变化规律。对地磁要素进行分析,阐述地磁场球冠谐模型的理论计算方法和基本原理。对可能造成载体磁场干扰的设备或其他磁源,如岸边磁源、涡流磁场和水面舰船等的磁场特性进行仿真分析,总结出这些磁场的分布规律,为地磁场矢量差分检测方法研究提供依据。2、铁磁性载体地磁场矢量差分检测方法理论研究。分析了国外提出的传统船载式三分量测量(STCM)方法的检测原理和检测过程,针对STCM检测模型存在的不足,提出了基于不同时间节点的时间差分检测(TDD)方法和基于不同空间位置的空间差分检测(SDD)方法,并对感应磁场关系矩阵、感应磁场和固定磁场的差分参量的求解方法做了详细的分析以及优化,即使载体周围空间中存在磁异常,相关参量也能得到较好的估计结果,降低了参数求解过程中对背景环境的要求,提高了方法的适应性。提出了TDD方法和SDD方法中传感器不正交度的标定方法,并对TDD方法中可能造成的误差进行了分析。对SDD方法中传感器的空间布局进行了优化,解决了由于多个传感器安装位置不当导致的差分参量可能出现奇异矩阵的问题。对两种差分检测方法的适用条件和应用环境进行了分析。3、铁磁性载体强干扰环境地磁场矢量检测仿真研究。本文针对海域环境下铁磁性载体周围地磁场空间分布特性和磁场检测需求,在现有通用仿真软件中不具备针对铁磁性载体磁场特性分析和磁矢量检测方法数据同步仿真研究能力的情况下,本文联合有限元仿真软件和Matlab开发了一套地磁场矢量检测仿真系统,解决了铁磁性载体地磁场矢量检测方法研究过程中载体模型与检测方法无法实现联动仿真、互动互调的问题。通过该系统对不同规格载体与磁场空间等值面分布规律进行了仿真研究,对不同规格载体的差分传感器布局提出优化方案,针对磁矢量STCM方法、TDD方法和SDD方法进行了对比仿真研究。地磁场矢量检测仿真系统中运用载体与地磁场的相对坐标旋转技术解决了通用软件中由于坐标系不一致导致的载体坐标系下磁测数据无法读取的问题。该仿真系统可以方便快捷的完成铁磁性载体的基本建模、剖分、磁场计算和数据保存,以及点、线、面上仿真数据的绘图和分析等功能,通过内部嵌入多种估计算法可以对感应磁场关系矩阵和差分参量进行解算,实现地磁场矢量检测方法的仿真验证。4、铁磁性载体地磁场矢量差分检测方法的实验研究。对任何一种检测方法都需要经过实验的验证才能够发现问题并逐渐改进和完善。由于目前没有能够同时提供多路磁矢量数据采集的并行多通道采集系统可供使用,本文研制了一套地磁场矢量检测实验系统,包括基于FPGA为主控核心的数据采集系统、Bartiongton公司测量精度为0.1n T的Mag-03三分量磁通门传感器和采用Lab View作为人机交互界面的上位机系统。对实验系统中磁矢量传感器的空间布局和不正交度进行了研究,设计了实验载体模型和配套的实验平台。针对固定磁场检测设计了屏蔽室内实验,为了研究不同环境不同磁异常情况下差分检测方法对地磁场的检测效果,应用汽车和铁船分别作为干扰源设计了野外地面和水面的对比实验,对传统STCM方法、磁矢量TDD方法和磁矢量SDD方法进行了对比实验研究。为了避免高频噪声干扰和消除检测方程出现复共线性,提出了实验数据的预处理方法,同时还编写了一套基于Matlab-GUI的磁矢量检测方法实验数据处理软件,能够对实验数据进行快速处理、分析和绘图,实现地磁场检测结果的验证和评价。
【关键词】：地磁辅助导航 铁磁性载体 磁矢量检测 感应磁场 固定磁场
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U675.7
【目录】：

• 摘要4-7
• ABSTRACT7-15
• 第1章 绪论15-27
• 1.1 课题研究背景15-16
• 1.2 海洋地磁检测国内外研究发展现状16-20
• 1.2.1 国外研究发展现状16-19
• 1.2.2 国内研究发展现状19-20
• 1.3 海洋地磁场矢量检测技术20-23
• 1.3.1 磁传感器技术20-22
• 1.3.2 干扰磁场补偿技术22-23
• 1.3.3 载体姿态测量技术23
• 1.4 本文主要研究内容与结构安排23-27
• 1.4.1 本文研究内容23-24
• 1.4.2 本文结构安排24-27
• 第2章 铁磁性载体周围磁场空间分布特性研究27-63
• 2.1 地磁场特征及模型研究方法27-32
• 2.1.1 地磁要素27-29
• 2.1.2 地磁图29-30
• 2.1.3 地磁场的球谐模式30-32
• 2.2 载体磁化磁场的数值计算32-37
• 2.2.1 载体磁场的有限元分析方法33-34
• 2.2.2 应用Comsol Multiphysics磁场模块的数值分析34-37
• 2.3 感应磁场三维空间分布特性仿真研究37-52
• 2.3.1 感应磁场产生机理37-39
• 2.3.2 几何模型建立及地磁场设置39-42
• 2.3.3 感应磁场空间分布特性仿真分析42-51
• 2.3.4 感应磁场特性总结51-52
• 2.4 其他干扰磁场分布特性研究52-60
• 2.4.1 涡流磁场特性研究52-57
• 2.4.2 岸边稳恒干扰磁源特性研究57-58
• 2.4.3 载体周围舰船干扰磁场特性研究58-60
• 2.5 本章小结60-63
• 第3章 基于差分解算的地磁场矢量检测方法研究63-91
• 3.1 传统STCM方法分析63-69
• 3.1.1 传统STCM方法数学模型64-68
• 3.1.2 传统STCM方法中的参数求解方法68-69
• 3.2 地磁场矢量时间差分检测方法研究69-79
• 3.2.1 STCM模型的局限性分析69-71
• 3.2.2 时间差分检测方法基本原理71-72
• 3.2.3 TDD方法差分解算模型研究72-76
• 3.2.4 TDD方法参数求解方法76-77
• 3.2.5 误差分析77-78
• 3.2.6 本节小结78-79
• 3.3 地磁场矢量空间差分检测方法研究79-88
• 3.3.1 SDD方法差分解算模型研究79-81
• 3.3.2 差分参量求解方法81-83
• 3.3.3 传感器空间布局研究83-85
• 3.3.4 差分传感器坐标系一致性研究85-88
• 3.3.5 本节小结88
• 3.4 本章小结88-91
• 第4章 铁磁性载体强干扰环境地磁场矢量检测仿真研究91-113
• 4.1 地磁场矢量检测仿真系统开发91-96
• 4.1.1 仿真系统功能91-93
• 4.1.2 仿真系统结构设计93
• 4.1.3 仿真系统构建方案93-94
• 4.1.4 系统程序开发与功能实现94-96
• 4.2 不同规格载体与磁场空间等值面分布规律仿真研究96-104
• 4.2.1 仿真系统功能设置方法97-99
• 4.2.2 地磁场矢量检测系统中的坐标旋转技术99-100
• 4.2.3 载体感应磁场等值面空间分布仿真100-102
• 4.2.4 不同规格载体的传感器布局优化仿真研究102-104
• 4.3 地磁场矢量TDD方法仿真研究104-108
• 4.3.1 TDD方法背景磁场设置104-105
• 4.3.2 感应磁场关系矩阵的仿真计算105-106
• 4.3.3 地磁场矢量TDD方法与STCM方法仿真结果对比分析106-108
• 4.4 地磁场矢量SDD方法仿真研究108-110
• 4.4.1 SDD方法背景磁场设置108
• 4.4.2 差分参量的仿真计算108-109
• 4.4.3 地磁场矢量SDD方法与STCM方法仿真结果对比分析109-110
• 4.5 本章小结110-113
• 第5章 差分检测方法实验研究113-145
• 5.1 实验系统的研制113-117
• 5.1.1 实验系统的框架设计113-114
• 5.1.2 实验系统组件选择方案114-116
• 5.1.3 实验系统功能实现116-117
• 5.2 实验数据的预处理方法117-120
• 5.2.1 中值滤波算法118-119
• 5.2.2 消除复共线性方法119-120
• 5.3 地面实验研究120-134
• 5.3.1 地面实验载体模型设计和辅助仪器120-122
• 5.3.2 组件仪器的误差校正方法研究122-125
• 5.3.3 屏蔽室内实验125-126
• 5.3.4 野外地面无磁异常干扰实验126-132
• 5.3.5 野外地面汽车磁异常干扰实验132-134
• 5.4 水面实验研究134-143
• 5.4.1 水面实验设备选择方案分析134-135
• 5.4.2 水面背景地磁场检测实验135-137
• 5.4.3 ‘8’字旋转实验137-140
• 5.4.4 水面地磁场航行检测实验140-143
• 5.5 本章小结143-145
• 第6章 总结与展望145-149
• 6.1 研究内容及成果145-147
• 6.2 论文的创新点147
• 6.3 研究展望147-149
• 参考文献149-157
• 作者简介及就读期间所取得的科研成果157-159
• 致谢159

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本文编号：951579