發(fā)布時間：2017-10-01 01:29

  本文關鍵詞：海域環(huán)境下鐵磁性載體地磁場矢量差分檢測方法研究

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【摘要】：海域環(huán)境特別是水下環(huán)境中運行的載體主要采用慣性導航系統(tǒng)進行導航,其短時間內精度較高,但誤差會隨時間不斷累積,需定期浮出水面利用衛(wèi)星定位等其他導航方式對方位進行修正,因此降低了其安全性和隱蔽性。近年來地磁導航方法已成為慣導裝置重要的輔助手段之一。但實現(xiàn)地磁輔助導航的前提是能夠對地磁場進行測量,對于海域環(huán)境下地磁場的測量需要依靠艦船、水下機器人或其它水下航行器等載體。這些載體大多是由鐵磁性材料建造而成,當受到地磁場環(huán)境的磁化作用時,在載體的周圍會產(chǎn)生一些附加磁場,這些復雜磁場將對地磁場的檢測造成干擾。本論文以國家“十二五”某科研項目為依托進行前瞻性預研,主要針對鐵磁性載體周圍復雜干擾磁場和地磁場進行分離的方法進行研究,在傳統(tǒng)檢測方法基礎之上提出了兩種基于差分原理的地磁場檢測方法,建立了新的磁矢量差分檢測模型,通過引入系數(shù)參量推導出磁矢量差分解算模型,并對相關參數(shù)的求解算法進行了研究,通過仿真研究和實驗研究分別對檢測方法進行了可行性分析和驗證,為地磁場矢量在海域環(huán)境下的實地檢測奠定了基礎。本文的主要研究工作和內容包括以下幾部分:1、鐵磁性載體周圍磁場空間分布特性研究。對載體周圍磁場的種類和產(chǎn)生機理進行研究,主要針對感應磁場和固定磁場的特性進行分析,通過對感應磁場幅值隨距離載體位移變化的衰減曲線研究,總結出感應磁場的空間分布特性。通過改變地磁場大小對感應磁場變化情況進行仿真,歸納出感應磁場與地磁場幅值之間的變化規(guī)律。對地磁要素進行分析,闡述地磁場球冠諧模型的理論計算方法和基本原理。對可能造成載體磁場干擾的設備或其他磁源,如岸邊磁源、渦流磁場和水面艦船等的磁場特性進行仿真分析,總結出這些磁場的分布規(guī)律,為地磁場矢量差分檢測方法研究提供依據(jù)。2、鐵磁性載體地磁場矢量差分檢測方法理論研究。分析了國外提出的傳統(tǒng)船載式三分量測量(STCM)方法的檢測原理和檢測過程,針對STCM檢測模型存在的不足,提出了基于不同時間節(jié)點的時間差分檢測(TDD)方法和基于不同空間位置的空間差分檢測(SDD)方法,并對感應磁場關系矩陣、感應磁場和固定磁場的差分參量的求解方法做了詳細的分析以及優(yōu)化,即使載體周圍空間中存在磁異常,相關參量也能得到較好的估計結果,降低了參數(shù)求解過程中對背景環(huán)境的要求,提高了方法的適應性。提出了TDD方法和SDD方法中傳感器不正交度的標定方法,并對TDD方法中可能造成的誤差進行了分析。對SDD方法中傳感器的空間布局進行了優(yōu)化,解決了由于多個傳感器安裝位置不當導致的差分參量可能出現(xiàn)奇異矩陣的問題。對兩種差分檢測方法的適用條件和應用環(huán)境進行了分析。3、鐵磁性載體強干擾環(huán)境地磁場矢量檢測仿真研究。本文針對海域環(huán)境下鐵磁性載體周圍地磁場空間分布特性和磁場檢測需求,在現(xiàn)有通用仿真軟件中不具備針對鐵磁性載體磁場特性分析和磁矢量檢測方法數(shù)據(jù)同步仿真研究能力的情況下,本文聯(lián)合有限元仿真軟件和Matlab開發(fā)了一套地磁場矢量檢測仿真系統(tǒng),解決了鐵磁性載體地磁場矢量檢測方法研究過程中載體模型與檢測方法無法實現(xiàn)聯(lián)動仿真、互動互調的問題。通過該系統(tǒng)對不同規(guī)格載體與磁場空間等值面分布規(guī)律進行了仿真研究,對不同規(guī)格載體的差分傳感器布局提出優(yōu)化方案,針對磁矢量STCM方法、TDD方法和SDD方法進行了對比仿真研究。地磁場矢量檢測仿真系統(tǒng)中運用載體與地磁場的相對坐標旋轉技術解決了通用軟件中由于坐標系不一致導致的載體坐標系下磁測數(shù)據(jù)無法讀取的問題。該仿真系統(tǒng)可以方便快捷的完成鐵磁性載體的基本建模、剖分、磁場計算和數(shù)據(jù)保存,以及點、線、面上仿真數(shù)據(jù)的繪圖和分析等功能,通過內部嵌入多種估計算法可以對感應磁場關系矩陣和差分參量進行解算,實現(xiàn)地磁場矢量檢測方法的仿真驗證。4、鐵磁性載體地磁場矢量差分檢測方法的實驗研究。對任何一種檢測方法都需要經(jīng)過實驗的驗證才能夠發(fā)現(xiàn)問題并逐漸改進和完善。由于目前沒有能夠同時提供多路磁矢量數(shù)據(jù)采集的并行多通道采集系統(tǒng)可供使用,本文研制了一套地磁場矢量檢測實驗系統(tǒng),包括基于FPGA為主控核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、Bartiongton公司測量精度為0.1n T的Mag-03三分量磁通門傳感器和采用Lab View作為人機交互界面的上位機系統(tǒng)。對實驗系統(tǒng)中磁矢量傳感器的空間布局和不正交度進行了研究,設計了實驗載體模型和配套的實驗平臺。針對固定磁場檢測設計了屏蔽室內實驗,為了研究不同環(huán)境不同磁異常情況下差分檢測方法對地磁場的檢測效果,應用汽車和鐵船分別作為干擾源設計了野外地面和水面的對比實驗,對傳統(tǒng)STCM方法、磁矢量TDD方法和磁矢量SDD方法進行了對比實驗研究。為了避免高頻噪聲干擾和消除檢測方程出現(xiàn)復共線性,提出了實驗數(shù)據(jù)的預處理方法,同時還編寫了一套基于Matlab-GUI的磁矢量檢測方法實驗數(shù)據(jù)處理軟件,能夠對實驗數(shù)據(jù)進行快速處理、分析和繪圖,實現(xiàn)地磁場檢測結果的驗證和評價。
【關鍵詞】：地磁輔助導航 鐵磁性載體 磁矢量檢測 感應磁場 固定磁場
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：U675.7
【目錄】：

• 摘要4-7
• ABSTRACT7-15
• 第1章 緒論15-27
• 1.1 課題研究背景15-16
• 1.2 海洋地磁檢測國內外研究發(fā)展現(xiàn)狀16-20
• 1.2.1 國外研究發(fā)展現(xiàn)狀16-19
• 1.2.2 國內研究發(fā)展現(xiàn)狀19-20
• 1.3 海洋地磁場矢量檢測技術20-23
• 1.3.1 磁傳感器技術20-22
• 1.3.2 干擾磁場補償技術22-23
• 1.3.3 載體姿態(tài)測量技術23
• 1.4 本文主要研究內容與結構安排23-27
• 1.4.1 本文研究內容23-24
• 1.4.2 本文結構安排24-27
• 第2章 鐵磁性載體周圍磁場空間分布特性研究27-63
• 2.1 地磁場特征及模型研究方法27-32
• 2.1.1 地磁要素27-29
• 2.1.2 地磁圖29-30
• 2.1.3 地磁場的球諧模式30-32
• 2.2 載體磁化磁場的數(shù)值計算32-37
• 2.2.1 載體磁場的有限元分析方法33-34
• 2.2.2 應用Comsol Multiphysics磁場模塊的數(shù)值分析34-37
• 2.3 感應磁場三維空間分布特性仿真研究37-52
• 2.3.1 感應磁場產(chǎn)生機理37-39
• 2.3.2 幾何模型建立及地磁場設置39-42
• 2.3.3 感應磁場空間分布特性仿真分析42-51
• 2.3.4 感應磁場特性總結51-52
• 2.4 其他干擾磁場分布特性研究52-60
• 2.4.1 渦流磁場特性研究52-57
• 2.4.2 岸邊穩(wěn)恒干擾磁源特性研究57-58
• 2.4.3 載體周圍艦船干擾磁場特性研究58-60
• 2.5 本章小結60-63
• 第3章 基于差分解算的地磁場矢量檢測方法研究63-91
• 3.1 傳統(tǒng)STCM方法分析63-69
• 3.1.1 傳統(tǒng)STCM方法數(shù)學模型64-68
• 3.1.2 傳統(tǒng)STCM方法中的參數(shù)求解方法68-69
• 3.2 地磁場矢量時間差分檢測方法研究69-79
• 3.2.1 STCM模型的局限性分析69-71
• 3.2.2 時間差分檢測方法基本原理71-72
• 3.2.3 TDD方法差分解算模型研究72-76
• 3.2.4 TDD方法參數(shù)求解方法76-77
• 3.2.5 誤差分析77-78
• 3.2.6 本節(jié)小結78-79
• 3.3 地磁場矢量空間差分檢測方法研究79-88
• 3.3.1 SDD方法差分解算模型研究79-81
• 3.3.2 差分參量求解方法81-83
• 3.3.3 傳感器空間布局研究83-85
• 3.3.4 差分傳感器坐標系一致性研究85-88
• 3.3.5 本節(jié)小結88
• 3.4 本章小結88-91
• 第4章 鐵磁性載體強干擾環(huán)境地磁場矢量檢測仿真研究91-113
• 4.1 地磁場矢量檢測仿真系統(tǒng)開發(fā)91-96
• 4.1.1 仿真系統(tǒng)功能91-93
• 4.1.2 仿真系統(tǒng)結構設計93
• 4.1.3 仿真系統(tǒng)構建方案93-94
• 4.1.4 系統(tǒng)程序開發(fā)與功能實現(xiàn)94-96
• 4.2 不同規(guī)格載體與磁場空間等值面分布規(guī)律仿真研究96-104
• 4.2.1 仿真系統(tǒng)功能設置方法97-99
• 4.2.2 地磁場矢量檢測系統(tǒng)中的坐標旋轉技術99-100
• 4.2.3 載體感應磁場等值面空間分布仿真100-102
• 4.2.4 不同規(guī)格載體的傳感器布局優(yōu)化仿真研究102-104
• 4.3 地磁場矢量TDD方法仿真研究104-108
• 4.3.1 TDD方法背景磁場設置104-105
• 4.3.2 感應磁場關系矩陣的仿真計算105-106
• 4.3.3 地磁場矢量TDD方法與STCM方法仿真結果對比分析106-108
• 4.4 地磁場矢量SDD方法仿真研究108-110
• 4.4.1 SDD方法背景磁場設置108
• 4.4.2 差分參量的仿真計算108-109
• 4.4.3 地磁場矢量SDD方法與STCM方法仿真結果對比分析109-110
• 4.5 本章小結110-113
• 第5章 差分檢測方法實驗研究113-145
• 5.1 實驗系統(tǒng)的研制113-117
• 5.1.1 實驗系統(tǒng)的框架設計113-114
• 5.1.2 實驗系統(tǒng)組件選擇方案114-116
• 5.1.3 實驗系統(tǒng)功能實現(xiàn)116-117
• 5.2 實驗數(shù)據(jù)的預處理方法117-120
• 5.2.1 中值濾波算法118-119
• 5.2.2 消除復共線性方法119-120
• 5.3 地面實驗研究120-134
• 5.3.1 地面實驗載體模型設計和輔助儀器120-122
• 5.3.2 組件儀器的誤差校正方法研究122-125
• 5.3.3 屏蔽室內實驗125-126
• 5.3.4 野外地面無磁異常干擾實驗126-132
• 5.3.5 野外地面汽車磁異常干擾實驗132-134
• 5.4 水面實驗研究134-143
• 5.4.1 水面實驗設備選擇方案分析134-135
• 5.4.2 水面背景地磁場檢測實驗135-137
• 5.4.3 ‘8’字旋轉實驗137-140
• 5.4.4 水面地磁場航行檢測實驗140-143
• 5.5 本章小結143-145
• 第6章 總結與展望145-149
• 6.1 研究內容及成果145-147
• 6.2 論文的創(chuàng)新點147
• 6.3 研究展望147-149
• 參考文獻149-157
• 作者簡介及就讀期間所取得的科研成果157-159
• 致謝159

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本文編號：951579