地磁場測量及水下磁定位技術(shù)研究.pdf

1、為確保潛艇水下生存能力,發(fā)揮突襲效果,潛艇必須具備水下長時(shí)間高精度定位和隱蔽航行的手段與能力。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)因其自主性及全維導(dǎo)航信息的特點(diǎn)而成為潛艇的核心導(dǎo)航設(shè)備,但由于慣性器件的固有漂移和誤差,慣導(dǎo)定位誤差隨時(shí)間積累,必須予以重調(diào)與校正。地磁場為潛艇提供了隱蔽性好的外部校正信息源,地磁/慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)的研究與應(yīng)用,可延長潛艇重調(diào)周期,提高潛艇的遠(yuǎn)程導(dǎo)航精度與自主導(dǎo)航能力。本文著重研究基于地磁異常反演的水下載體定位、磁場梯度測量技術(shù)及慣

2、性/地磁異常反演測速組合導(dǎo)航方法。
　　 鑒于有效地磁圖難以構(gòu)建,地磁測量值還有無法預(yù)知的磁異常等客觀事實(shí),將地形匹配方法移植于水下地磁導(dǎo)航還存在不少網(wǎng)難。本文提出基于地磁異常反演的水下定位方法,將地磁異常場看作一個(gè)偶極子磁性目標(biāo),通過測量目標(biāo)磁場大小及梯度計(jì)算載體相對于目標(biāo)的位置。詳細(xì)推導(dǎo)了地磁特征反演的計(jì)算公式。針對反演公式中正負(fù)號及一元六次方程的多根問題,根據(jù)特征反演的實(shí)際意義給出了真實(shí)根的三個(gè)約束條件,對符號及多根進(jìn)行取

3、舍。提出并描述了基于先驗(yàn)的位置磁矩迭代修正方程系數(shù)的方法,建立迭代誤差指標(biāo)函數(shù)及迭代公式,并進(jìn)行了數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)。
　　 分析了測量磁場梯度張量的必備條件,得出最簡測量配置為七單軸磁力計(jì),結(jié)合磁場梯度最優(yōu)測量矩陣,提出了一種安裝于立方體頂點(diǎn)的七磁力計(jì)配置。分析了磁場量測固有誤差與測量基線長間的關(guān)系,提出了測量磁場大小及梯度的十單軸和八單軸兩種磁力計(jì)配置方式,表明十單軸配置優(yōu)于八單軸配置,根據(jù)兩種磁力計(jì)安裝結(jié)構(gòu),分析了產(chǎn)生這種差異的

4、內(nèi)在原由。討論了磁場梯度張量的標(biāo)量磁力計(jì)測量方案可行性。
　　 推導(dǎo)了十單軸磁力計(jì)配置下偶極子磁場測量誤差同磁力計(jì)三軸非正交誤差、軸間增益及零點(diǎn)漂移偏差、安裝中心錯(cuò)位、對應(yīng)軸指向偏差間的關(guān)系,分析了磁力計(jì)三軸不共點(diǎn)帶來的額外測量誤差,給出并對比了十單軸磁力計(jì)的兩種放置方式,表明在磁力計(jì)組對應(yīng)軸間距相等的放置方式下誤差較小。
　　 建立了適用于強(qiáng)噪聲下三軸磁力計(jì)正交及增益誤差模型,給出了誤差模型參數(shù)辨識算法及不同信噪比條件

5、下校正精度與采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)的關(guān)系。進(jìn)一步考慮到磁力計(jì)零點(diǎn)漂移及磁場測量系配準(zhǔn)誤差后,建立了磁場分量梯度計(jì)和磁場大小梯度計(jì)測量誤差模型,提出了一種基于FLANN和最小二乘法的磁場分量梯度計(jì)和磁場大小梯度計(jì)誤差參數(shù)辨識及校正算法,實(shí)驗(yàn)證明了算法在一定噪聲范圍內(nèi)的收斂性與有效性。
　　 為驗(yàn)證異常場梯度反演地磁特征的可行性,設(shè)計(jì)了地磁梯度測量及定位的地面模擬實(shí)驗(yàn)。利用兩個(gè)分辨力為InT的三軸磁通門磁力計(jì)搭建了磁場梯度測量裝置,編寫了基于L

6、abview的上位機(jī)軟件,進(jìn)行了室外磁場梯度測量及磁性目標(biāo)定位實(shí)驗(yàn),對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,表明磁場梯度定位的可行性。
　　 針對地磁背景場下目標(biāo)磁場大小難以測量的問題,提出了載體潛深輔助磁場梯度水下定位新方法,由兩次潛深量測值直接計(jì)算載體垂向相對位置,分析了潛深測量誤差對定位精度的影響。為避免載體不斷垂向移動(dòng)以測量潛深,提出了基于磁矩的水下地磁異常連續(xù)定位方法,并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。
　　 最后,研究了水下載體姿態(tài)變化對目標(biāo)磁