地磁測(cè)量中載體干擾磁場(chǎng)特性及補(bǔ)償方法研究.pdf

1、地磁導(dǎo)航因?yàn)榫哂袩o(wú)源、隱蔽性好等特點(diǎn)而成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。但是載體上的各種鐵磁性物質(zhì)、電子設(shè)備等的磁場(chǎng)都會(huì)疊加在地磁場(chǎng)上，造成磁力儀輸出偏差，從而影響導(dǎo)航精度，因此必須對(duì)載體磁場(chǎng)的特性進(jìn)行研究并加以補(bǔ)償。
　　本文基于這一背景，對(duì)載體干擾磁場(chǎng)的特性、地磁測(cè)量信號(hào)中隨機(jī)磁場(chǎng)的抑制方法、基于線性測(cè)量模型的載體干擾磁場(chǎng)補(bǔ)償方法、基于非線性模型的載體干擾磁場(chǎng)補(bǔ)償方法等問(wèn)題進(jìn)行研究，并通過(guò)實(shí)際裝備的搭載試驗(yàn)對(duì)所提出的方法進(jìn)行了驗(yàn)證。主要

2、研究工作包括：
　　1、針對(duì)載體磁場(chǎng)來(lái)源廣泛、特性復(fù)雜的問(wèn)題，以電磁場(chǎng)理論為基礎(chǔ)，采用有限元方法對(duì)載體感應(yīng)磁場(chǎng)和渦流磁場(chǎng)的特性進(jìn)行了仿真研究。以某載體為研究對(duì)象，采用Ansoft Maxwell軟件研究載體感應(yīng)磁場(chǎng)和渦流磁場(chǎng)的特性。通過(guò)對(duì)載體感應(yīng)磁場(chǎng)的三維靜態(tài)分析，得到了載體感應(yīng)磁場(chǎng)系數(shù)矩陣；通過(guò)對(duì)載體渦流磁場(chǎng)的三維瞬態(tài)分析，研究了渦流磁場(chǎng)的分布特性以及激勵(lì)磁場(chǎng)、載體運(yùn)動(dòng)速度、加速度對(duì)渦流磁場(chǎng)的影響，發(fā)現(xiàn)載體內(nèi)部渦流磁場(chǎng)在中間最大

3、、兩端最??；渦流磁場(chǎng)的大小與載體運(yùn)動(dòng)速度無(wú)關(guān)，與加速度以及外加磁場(chǎng)的大小成正比。所得結(jié)果對(duì)于傳感器配置以及載體干擾磁場(chǎng)的建模具有重要的指導(dǎo)意義。
　　2、針對(duì)地磁測(cè)量信號(hào)易受到各種隨機(jī)干擾和噪聲影響的問(wèn)題，提出基于形態(tài)濾波和Hilbert-Huang變換的地磁信號(hào)處理方法。分析了磁力儀測(cè)量信號(hào)中存在的各種脈沖干擾、噪聲及其特點(diǎn)，利用形態(tài)濾波的自適應(yīng)特性，設(shè)計(jì)了一種廣義組合形態(tài)濾波器，采用不同形狀和尺寸的結(jié)構(gòu)元素的組合消除信號(hào)中的多

4、種噪聲。提出了基于形態(tài)濾波和Hilbert-Huang變換的地磁信號(hào)分析與處理方法，該方法首先利用形態(tài)濾波去除信號(hào)中的瞬時(shí)強(qiáng)脈沖干擾，減少經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解時(shí)的混疊現(xiàn)象；然后對(duì)分解后的信號(hào)根據(jù)噪聲特性以及干擾出現(xiàn)和持續(xù)的時(shí)間，通過(guò)設(shè)置合適的閾值進(jìn)行處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法可以很好地去除信號(hào)中的各種脈沖干擾并抑制信號(hào)中的噪聲。
　　3、針對(duì)安裝于導(dǎo)航載體上的磁力儀所受到的固定磁場(chǎng)和感應(yīng)磁場(chǎng)干擾，提出了基于線性測(cè)量模型的載體干擾磁場(chǎng)補(bǔ)償方法

5、。根據(jù)地球近地空間內(nèi)任一點(diǎn)的地磁總場(chǎng)值為定值、與載體姿態(tài)無(wú)關(guān)的特點(diǎn)，從三分量磁力儀測(cè)量模型出發(fā)，推導(dǎo)得到進(jìn)行載體干擾磁場(chǎng)補(bǔ)償?shù)臄?shù)學(xué)公式，分別采用信賴域法和無(wú)跡Kalman濾波法對(duì)載體磁場(chǎng)參數(shù)進(jìn)行估計(jì)。通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真和半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)補(bǔ)償方法的性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，信賴域法所估計(jì)出的參數(shù)精度較高，魯棒性好；無(wú)跡Kalman濾波法對(duì)初始參數(shù)的選擇比較敏感，選擇不當(dāng)可能導(dǎo)致濾波發(fā)散，但該方法可以進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。
　　4、為進(jìn)一步提高補(bǔ)

6、償精度，通過(guò)分析載體干擾磁場(chǎng)線性測(cè)量模型存在的誤差，針對(duì)載體干擾磁場(chǎng)中無(wú)法用確定物理模型描述的成分，提出了基于非線性半?yún)?shù)模型的補(bǔ)償方法。用非參數(shù)模型來(lái)描述載體磁場(chǎng)中無(wú)法用精確物理模型描述的干擾成分的影響，建立載體干擾磁場(chǎng)補(bǔ)償?shù)姆蔷€性半?yún)?shù)模型，采用兩步核估計(jì)法對(duì)模型中的參數(shù)進(jìn)行估計(jì)。仿真和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明采用非線性半?yún)?shù)模型能更全面地描述載體磁場(chǎng)的影響，從而提高了載體磁場(chǎng)參數(shù)估計(jì)的精度，改善了補(bǔ)償效果。針對(duì)需要考慮渦流磁場(chǎng)影響的情況，提

7、出了利用三分量磁力儀測(cè)量值補(bǔ)償?shù)卮趴倛?chǎng)值的方法。該方法通過(guò)擴(kuò)展變量將微分方程轉(zhuǎn)化為線性方程，借助姿態(tài)測(cè)量單元提供載體姿態(tài)角，采用最小二乘法求取載體干擾磁場(chǎng)參數(shù)。通過(guò)仿真對(duì)方法的有效性和補(bǔ)償效果進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明，該方法可以有效補(bǔ)償載體固定磁場(chǎng)、感應(yīng)磁場(chǎng)和渦流磁場(chǎng)的影響，并且易于實(shí)現(xiàn)。
　　5、以某水下載體為對(duì)象，設(shè)計(jì)并實(shí)施了搭載試驗(yàn)，對(duì)載體干擾磁場(chǎng)補(bǔ)償方法進(jìn)行了驗(yàn)證。根據(jù)補(bǔ)償方法的要求，設(shè)計(jì)了試驗(yàn)的總體方案和載體在標(biāo)定區(qū)的機(jī)動(dòng)方