專利名稱：消除載體磁化磁場對地磁測量影響的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
發(fā)明涉及的是一種地磁測量及地磁導(dǎo)航應(yīng)用中鐵磁性載體對磁測影響的補償方法。
背景 技術(shù)
地磁場是地球系統(tǒng)的基本物理場，是地球的固有資源，具有全天時、全天候、全地域的特點，為導(dǎo)航提供了天然的坐標(biāo)系，地磁導(dǎo)航技術(shù)具有簡便、高效、性能可靠、抗干擾性強，屬于無源自主導(dǎo)航，尤其在水下，地磁導(dǎo)航具有廣闊應(yīng)用前景。另外地磁場在地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報、能源礦藏勘測、重要戰(zhàn)略目標(biāo)選址、海洋大陸架監(jiān)測等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用前景。要實現(xiàn)各種地磁應(yīng)用，首先要建立高精度地磁圖。而載體包含的鐵磁性物質(zhì)和電氣設(shè)備等都會對地磁場產(chǎn)生干擾，只有消除這些干擾影響后，才有可能得到精確的地磁場值，進而才能繪制高精度的地磁圖。要在大尺度范圍實現(xiàn)高效高精度地磁測量或地磁導(dǎo)航，必需依賴于衛(wèi)星、飛機、車輛、船舶甚至水下航行器等載體。而載體一般都含有鐵磁性物質(zhì)，在地磁場作用下不可避免被磁化產(chǎn)生磁矩，形成一個向外輻射的磁源。這樣固定在載體上的磁力儀測得的磁場值就包含了磁化磁場，影響了測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。由于磁化磁場隨著載體的位置和航行方向的變化而變化，因此修正難度很大。除了磁化磁場，載體產(chǎn)生干擾場還有固有磁場，低頻交流磁場等。固有磁場來源載體上的永磁材料產(chǎn)生恒定磁場，交流磁場來源負(fù)責(zé)行進的發(fā)動機、螺旋槳等動力推進機構(gòu)向外輻射低頻交流磁場。這樣通過搭載于載體上的磁力儀測得的磁場值的表達式為T測=T0+D+ Σ ε j+ Σ Uj (I)其中，Tm是磁力儀測量值；TQ是地磁場真值；D是載體的磁化磁場；ε j各種低頻交流磁場；μ j是各個固有磁場低頻交流磁場的消除地磁場基本屬于直流磁場，因而低頻交流磁場可通過有針對性設(shè)計的濾波器將其濾掉。固有磁場消除固有磁場具有恒定不便的特點，通過校準(zhǔn)比對法可以補償消除固有磁場，或者逐點加載反向固有磁源直接抵消固有磁場。通過上述方法，將Σ ε +Σ μ」補償濾除后，表達式(I)簡化為T3m= T0+D (2)只要能確定磁化磁場D，通過Ttl = Ts -D,就可以得到地磁場值Ttl,而磁化磁場隨著載體航行時地磁場的大小變化和航行方向的變化而變化，因此不易修正。這也正是本發(fā)明的意義所在。本發(fā)明的目的是確定載體磁化磁場D分布變化規(guī)律，給出消除D的具體方法，減小載體對地磁測量影響，最終高精度高效率地實現(xiàn)地磁場測量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠?qū)⑤d體對地磁測量的影響徹底消除的消除載體磁化磁場對地磁測量影響的方法。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的(I)、在待測空間范圍內(nèi)選擇磁場變化平緩的非磁異常點A，在無載體情況下用獨立磁傳感器測量點A的地磁總場Tci ；(2)、載體搭載雙磁傳感器組成線陣，將搭載雙磁傳感器線陣的載體置于點A，以線陣幾何中心為軸，使載體緩慢而勻速的水平旋轉(zhuǎn)一周，旋轉(zhuǎn)過程中雙磁傳感器分別連續(xù)測量地磁場值T1 (Θ)、T2 (Θ)和對應(yīng)旋轉(zhuǎn)角度Θ ；(3)、雙磁傳感器所測得地磁場值 \(Θ)、Τ2(Θ)分別與旋轉(zhuǎn)角度Θ —一對應(yīng)，令ΔΤ(Θ) = T1(Q)-T2(Q),作出差值ΛΤ(Θ)與Θ的對應(yīng)函數(shù)曲線；(4)、線陣磁傳感器的磁場值1\(0)、Τ2(θ)減去點A地磁總場Ttl，得到差值\Ιλ (Θ) = 'I (Θ) - 7；,
I η ； ,D1(Q)J2(O)也是角度 Θ 的函數(shù)；
Ι、/..)2ι、(9) = I2(O)-I0(5)、聯(lián)立AT(QhD1P),得到關(guān)于Θ的參數(shù)方程組，消除Θ，得到D1關(guān)于AT為自變量的分段函數(shù)D1 (AT)；(6)、整個待測空間內(nèi)實測地磁場T = T1 ( Θ ) -D1 ( Λ Τ)，用于補償載體磁化磁場的影響，T1和AT都是傳感器線陣的實時測量值，所述補償為后驗補償或?qū)崟r補償。本發(fā)明還可以包括I、兩個傳感器所在的位置的兩組磁測數(shù)列D1(Q)、D2(0)分別與ΛΤ(Θ)數(shù)列最線性相關(guān)。2、傳感器與載體間距為載體中鐵磁結(jié)構(gòu)幾何尺寸的I. 5倍。3、在線陣中心的垂直下方懸掛非磁性物質(zhì)的重物。本發(fā)明涉及的是地磁測量及地磁導(dǎo)航應(yīng)用中鐵磁性載體對磁測影響的補償方法，具體地說是在地磁測量及地磁導(dǎo)航應(yīng)用中采用本發(fā)明方法能夠補償鐵磁性載體產(chǎn)生的磁化磁場，高效準(zhǔn)確地完成地磁測量工作。在補償了固有磁場，過濾了交流磁場的干擾后，用本發(fā)明的方法消除載體磁化磁場D。本發(fā)明利用雙磁傳感器組成線陣，針對載體對磁測的復(fù)雜影響提出旋轉(zhuǎn)線陣的消磁方法和算法，將載體對地磁測量的影響徹底消除。本發(fā)明的方法對于3個及以上傳感器構(gòu)成的陣列同樣適用，形成多線陣組合，通過均值計算等誤差處理提高磁測精度。本發(fā)明的方法可以應(yīng)用于補償?shù)孛孑d體、空中載體和水下載體對地磁場測量的影響。特別適用于載體地磁導(dǎo)航的應(yīng)用中。


圖I傳感器線陣在水下機器人上的布設(shè)方案圖。圖2 \( θ )、Τ2( Θ )與 Θ 的曲線。圖3差值ΛΤ( Θ )與Θ的曲線。圖4差值D1(Q)與Θ的曲線。圖OT1(AT)與AT的曲線。
具體實施例方式補償了固有磁場，過濾了交流磁場的干擾后，為了消除載體磁化磁場D，本發(fā)明內(nèi)容及實施過程如下I、在待測空間范圍內(nèi)隨意選擇磁場變化平緩的非磁異常點A，在無載體情況下用獨立磁傳感器測量點A的地磁總場I；。2、載體搭載雙磁傳感器組成線陣，將搭載雙磁傳感器線陣的載體置于該點，以線陣幾何中心為軸，令載體緩慢而勻速的水平旋轉(zhuǎn)一周，旋轉(zhuǎn)過程中用搭載的雙磁傳感器分別連續(xù)測量地磁場值T1 (θ)、T2 (θ)和對應(yīng)旋轉(zhuǎn)角度Θ。3、雙傳感器所測得地磁場值T1 ( Θ )、T2 ( Θ )分別與旋轉(zhuǎn)角度Θ —一對應(yīng)，令Δ T ( Θ ) = T1 ( Θ ) -T2 ( Θ ) (3)·
作出差值ΛΤ(Θ)與Θ的對應(yīng)函數(shù)曲線。4、線陣磁傳感器的磁測值T1 ( Θ )、T2 ( Θ )減去A點地磁總場Ttl,得到差值 參⑷D1 ( Θ ) , D2 ( Θ )也是角度Θ的函數(shù)。5、聯(lián)立ΛΤ( QhD1(Q),得到關(guān)于Θ的參數(shù)方程組，消除Θ，得到D1關(guān)于AT為自變量的分段函數(shù)D1(AT),在待測空間范圍內(nèi)D1(AT)函數(shù)一般只需一次旋轉(zhuǎn)得到。6、整個待測空間內(nèi)實測地磁場T = T1(Q)-D1(AT) (5)依據(jù)(5)式即可補償載體磁化磁場的影響。由于1\和Λ T都是傳感器線陣的實時測量值，因而這種算法不僅可以后驗補償，也可以實時補償。7、本發(fā)明還包括傳感器在載體上布設(shè)需要滿足條件①在線陣水平旋轉(zhuǎn)的過程中，兩個傳感器所在的位置的兩組磁測數(shù)列D1P )、 2(θ)分別與ΛΤ( Θ )數(shù)列最線性相關(guān)。②傳感器與載體間距約為載體中鐵磁結(jié)構(gòu)幾何尺寸的I. 5倍，雖然傳感器遠(yuǎn)離載體將極大降低載體對磁測的影響，但距離過大將引起載體在航行、規(guī)避和轉(zhuǎn)彎時的不便，還可能引起航行時傳感頭抖動搖擺，給測量附加更多影響。③如果載體是小型水中載體，繞線陣幾何中心旋轉(zhuǎn)時需要固定轉(zhuǎn)軸，在線陣中心的垂直下方懸掛非磁性物質(zhì)的重物，防止在旋轉(zhuǎn)過程中載體偏離轉(zhuǎn)軸。下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細(xì)地描述用帶有臍帶的水下機器人ROV開展本發(fā)明的實驗實施，機器人長I. Sm、寬O. 6m、高
I.2m、設(shè)計潛深300m、最大航速5節(jié)。基本采用無磁招框架結(jié)構(gòu),機電艙采用無磁不銹鋼材質(zhì)、浮力材選用玻璃微珠結(jié)構(gòu)，搭載了高精度磁傳感系統(tǒng)、高精度GPS、水聲定位儀、羅經(jīng)、聲納、速度計、深度計、溫度計等基本傳感器。磁傳感系統(tǒng)選擇了 3臺SCINTREX公司的CS-L銫光泵磁力儀及PICO的MMS-4磁力儀操作臺構(gòu)成高分辨磁測系統(tǒng)，該系統(tǒng)磁測范圍2000-—IOOOOOnT,分辨率O. 6pT，磁場采集頻率10Hz，MMS-4輸出端加裝了濾波系統(tǒng)，消除機器人自身交流磁場對磁測的影響。根據(jù)權(quán)利要求3的計算，磁力儀傳感頭布設(shè)在距ROV幾何中心超過2米的位置處，前方一臺，左右各一構(gòu)成磁測線陣，高度位于機器人頂部，任何兩個傳感器的測量數(shù)據(jù)滿足D1 ( Θ )、D2 ( Θ )分別與△ T ( Θ )數(shù)列最線性相關(guān)。磁力儀水密艙系統(tǒng)采用無磁鋁罐，設(shè)計承受壓力10個大氣壓。如圖I。在實驗水域中選取磁場變化平緩的區(qū)域A，用GPS和質(zhì)子磁力儀測量A點位置坐標(biāo)和磁場值Ttl,測量時母船和機器人要遠(yuǎn)離A點。在母船上操控水下機器人航行至A點，機器人在A點以線陣幾何中心為軸勻速旋轉(zhuǎn)一周，電力和所有數(shù)據(jù)通過臍帶電纜傳遞，在母船計算機自動記錄各種傳感器數(shù)據(jù)，采集頻率10Hz，所有采集數(shù)據(jù)以高精度時標(biāo)統(tǒng)一。三只磁力儀給出 \(θ)、Τ2(θ)、Τ3(θ)數(shù)據(jù)，磁羅經(jīng)記錄Θ值。做出 \(Θ)、Τ2(Θ)與Θ的 曲線如圖2所示。按照(3)式，計算ΔΤ(Θ)，作出差值ΛΤ(Θ)與Θ的曲線如圖3所示，按照(4)式，計算D1(Q)、D2(0)作出差值D1(Q)與Θ的曲線如圖4所示，聯(lián)立ΛΤ(θ)、0ι(θ)，得到關(guān)于Θ的參數(shù)方程組，消除Θ，得到D1關(guān)于AT為自變量的分段函數(shù)D1(AT)曲線，如圖5所示。磁測區(qū)域網(wǎng)格化，水下機器人按照既定的蛇形路線對網(wǎng)格進行掃描航行，左右兩個磁力儀實時輸出！\和AT，羅經(jīng)輸出航向角Θ，依據(jù)(5)式和圖5補償整個待測空間內(nèi)各點地磁場T = T1 ( Θ ) -D1 ( Λ Τ)。消除水下機器人對地磁場的影響。
權(quán)利要求
1.一種消除載體磁化磁場對地磁測量影響的方法，其特征是 (I )、在待測空間范圍內(nèi)選擇磁場變化平緩的非磁異常點A，在無載體情況下用獨立磁傳感器測量點A的地磁總場Ttl ； (2)、載體搭載雙磁傳感器組成線陣，將搭載雙磁傳感器線陣的載體置于點A，以線陣幾何中心為軸，使載體緩慢而勻速的水平旋轉(zhuǎn)一周，旋轉(zhuǎn)過程中雙磁傳感器分別連續(xù)測量地磁場值T1 ( Θ )、T2 ( Θ )和對應(yīng)旋轉(zhuǎn)角度Θ ； (3)、雙磁傳感器所測得地磁場值 \(θ)、Τ2(θ)分別與旋轉(zhuǎn)角度Θ——對應(yīng)，令ΔΤ(Θ) = T1(Q)-T2(Q),作出差值ΛΤ(Θ)與Θ的對應(yīng)函數(shù)曲線； (4)、線陣磁傳感器的磁場值！^^)、！^Θ)減去點A地磁總場Ttl,得到差值
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的消除載體磁化磁場對地磁測量影響的方法，其特征是兩個傳感器所在的位置的兩組磁測數(shù)列D1 ( Θ )、D2 ( Θ )分別與△ T ( Θ )數(shù)列最線性相關(guān)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的消除載體磁化磁場對地磁測量影響的方法，其特征是傳感器與載體間距為載體中鐵磁結(jié)構(gòu)幾何尺寸的I. 5倍。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的消除載體磁化磁場對地磁測量影響的方法，其特征是在線陣中心的垂直下方懸掛非磁性物質(zhì)的重物。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的消除載體磁化磁場對地磁測量影響的方法，其特征是在線陣中心的垂直下方懸掛非磁性物質(zhì)的重物。
全文摘要
本發(fā)明提供的是消除載體磁化磁場對地磁測量影響的方法。載體搭載雙磁傳感器線陣，在待測空間范圍內(nèi)選擇磁場變化平緩的非磁異常點A，在無載體情況下用獨立磁傳感器測量點A的地磁總場，將搭載雙磁傳感器線陣的載體置于該點，以線陣幾何中心為軸，載體緩慢而勻速的水平旋轉(zhuǎn)一周，雙磁傳感器分別連續(xù)測量地磁場值和對應(yīng)旋轉(zhuǎn)角度，作出差值與角度的對應(yīng)函數(shù)曲線，線陣磁傳感器的磁場值減去點地磁總場，整個待測空間內(nèi)實測地磁場用于補償載體磁化磁場的影響。本發(fā)明利用雙磁傳感器組成線陣，針對載體對磁測的復(fù)雜影響提出旋轉(zhuǎn)線陣的消磁方法和算法，將載體對地磁測量的影響徹底消除。
文檔編號G01C25/00GK102927984SQ201210414818
公開日2013年2月13日 申請日期2012年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月26日
發(fā)明者康崇, 張曉峻, 樊黎明 申請人:哈爾濱工程大學(xué)