地磁測量中載體干擾磁場特性及補(bǔ)償方法研究.pdf

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

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

3、、兩端最??；渦流磁場的大小與載體運(yùn)動速度無關(guān)，與加速度以及外加磁場的大小成正比。所得結(jié)果對于傳感器配置以及載體干擾磁場的建模具有重要的指導(dǎo)意義。
　　2、針對地磁測量信號易受到各種隨機(jī)干擾和噪聲影響的問題，提出基于形態(tài)濾波和Hilbert-Huang變換的地磁信號處理方法。分析了磁力儀測量信號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變換的地磁信號分析與處理方法，該方法首先利用形態(tài)濾波去除信號中的瞬時強(qiáng)脈沖干擾，減少經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解時的混疊現(xiàn)象；然后對分解后的信號根據(jù)噪聲特性以及干擾出現(xiàn)和持續(xù)的時間，通過設(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中的各種脈沖干擾并抑制信號中的噪聲。
　　3、針對安裝于導(dǎo)航載體上的磁力儀所受到的固定磁場和感應(yīng)磁場干擾，提出了基于線性測量模型的載體干擾磁場補(bǔ)償方法

5、。根據(jù)地球近地空間內(nèi)任一點(diǎn)的地磁總場值為定值、與載體姿態(tài)無關(guān)的特點(diǎn)，從三分量磁力儀測量模型出發(fā)，推導(dǎo)得到進(jìn)行載體干擾磁場補(bǔ)償?shù)臄?shù)學(xué)公式，分別采用信賴域法和無跡Kalman濾波法對載體磁場參數(shù)進(jìn)行估計。通過計算機(jī)仿真和半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)對補(bǔ)償方法的性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，信賴域法所估計出的參數(shù)精度較高，魯棒性好；無跡Kalman濾波法對初始參數(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)時處理。
　　4、為進(jìn)一步提高補(bǔ)

6、償精度，通過分析載體干擾磁場線性測量模型存在的誤差，針對載體干擾磁場中無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)模型來描述載體磁場中無法用精確物理模型描述的干擾成分的影響，建立載體干擾磁場補(bǔ)償?shù)姆蔷€性半?yún)?shù)模型，采用兩步核估計法對模型中的參數(shù)進(jìn)行估計。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的影響，從而提高了載體磁場參數(shù)估計的精度，改善了補(bǔ)償效果。針對需要考慮渦流磁場影響的情況，提

7、出了利用三分量磁力儀測量值補(bǔ)償?shù)卮趴倛鲋档姆椒āＴ摲椒ㄍㄟ^擴(kuò)展變量將微分方程轉(zhuǎn)化為線性方程，借助姿態(tài)測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參數(shù)。通過仿真對方法的有效性和補(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、感應(yīng)磁場和渦流磁場的影響，并且易于實(shí)現(xiàn)。
　　5、以某水下載體為對象，設(shè)計并實(shí)施了搭載試驗(yàn)，對載體干擾磁場補(bǔ)償方法進(jìn)行了驗(yàn)證。根據(jù)補(bǔ)償方法的要求，設(shè)計了試驗(yàn)的總體方案和載體在標(biāo)定區(qū)的機(jī)動方