CN111796221A - 一种消磁站海底三分量磁传感器精确定位方法 - Google Patents

一种消磁站海底三分量磁传感器精确定位方法 Download PDF

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周国华
刘胜道
孙兆龙
刘志全
姜润翔
赵文春
高俊吉
刘月林
吴轲娜
李志新
武晓康
王毅
于炎娟
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Abstract

本发明公开了一种消磁站海底三分量磁传感器精确定位方法，包括以下步骤：确定每个磁传感器在全局坐标系中的位置参数；估算陆上可移动标准磁源的磁矩，确定线圈通电电流最小值；给标准磁源通电；精确测定磁传感器在全局坐标系中的位置，记录磁场测量值；记录第i个海底待定位三分量磁传感器的磁场值；计算第i个海底待定位三分量磁传感器位置；适时移动调整陆上标准磁源位置，依次完成海底三分量磁传感器位置的精确定位修正。通过该方法，减小了由于施工环境条件限制导致的磁传感器位置偏差，提高了舰船磁场测量的准确性，为提高舰船磁性防护水平提供技术支撑。

Description

一种消磁站海底三分量磁传感器精确定位方法
技术领域
本发明涉及舰船消磁技术领域，具体来说，涉及一种消磁站海底三分量磁传感器精确定位方法。
背景技术
航行于大海的钢铁舰船在地磁场磁化等因素作用下，舰船周围会产生地磁异常，这种磁异常信号成为了水中磁性兵器攻击和空中磁性探测的重要信号源。为提高舰船生命力，各国海军都采取固定磁性处理和感应磁场补偿相结合的方式来提高舰船磁隐身水平。
消磁站是上述两种磁性防护措施实施的主要场所，主要由固定敷设于海底三分量磁传感器、固定敷设或临时缠绕的消磁线圈及陆上供配电***等部分组成。海底三分量磁传感器主要功能是测量舰船磁场三分量的分布规律，为磁性防护措施的实施提供依据，其测量准确性直接决定着舰船磁性防护水平。消磁站建设过程中，由于海底安装环境和施工工艺等影响，海底三分量磁传感器存在一定位置误差，这是影响舰船磁场准确测量的主要因素之一。因此研究消磁站海底三分量磁传感器精确定位方法对提高舰船磁场测量精度具有重要意义。
发明内容
针对相关技术中的上述技术问题，本发明提出一种消磁站海底三分量磁传感器精确定位方法，能够克服现有技术的上述不足。
为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种消磁站海底三分量磁传感器精确定位方法，该方法包括以下步骤：
S1：查阅消磁站海底三分量磁传感器阵列的安装位置参数，获取消磁站海底磁传感器阵列整体情况，构建全局坐标系，并确定每个磁传感器在全局坐标系中的位置参数，其中，全局坐标系的x、y、z三个轴向与所有三分量磁传感器三个测量轴向一致；
S2：根据海底三分量磁传感器分布情况，估算陆上可移动标准磁源的磁矩，根据磁矩的计算结果，确定线圈通电电流最小值，其中，可移动标准磁源的体积不大于1立方米；
S3：根据待校准三分量磁传感器的位置和测量场地实际情况，在码头上选取适当位置布设标准磁源，并精确测定标准磁源在全局坐标系中的位置(xQ,yQ,zQ)，给标准磁源通电，其中，标准磁源与所有磁传感器距离至少10米；
S4：在码头上选取距离标准磁源较远处布设陆上参考三分量磁传感器，并精确测定磁传感器在全局坐标系中的位置(xB,yB,zB)，记录磁场测量值(BxB,ByB,BzB)；
S5：计算标准磁源的磁矩m，同步记录第i个海底待定位三分量磁传感器的磁场值(Bxi,Byi,Bzi)，其中，计算标准磁源的磁矩公式为
Figure BDA0002597480380000021
式中B＝[BxB,ByB,BzB]T，r＝[xB-xQ,yB-yQ,zB-zQ]T，m＝(BxB,ByB,BzB)，μ0为真空磁导率，B为磁感应强度；
S6：计算第i个海底待定位三分量磁传感器位置(xi,yi,zi)，其中，计算公式为
m·Bi＝|m||Bi|cosθ，
Figure BDA0002597480380000022
Figure BDA0002597480380000023
Figure BDA0002597480380000024
式中λ(ri)为中间系数，ri为全局坐标系中的坐标，Bi为磁感应强度；
S7：根据海底三分量磁传感器与陆上标准磁源的相对位置关系，适时移动调整陆上标准磁源位置，依次完成海底三分量磁传感器位置的精确定位修正。
进一步的，所述步骤S1中，根据消磁站测量场地实际情况，建立全局坐标系。
进一步的，所述步骤S2中，估算陆上可移动标准磁源的磁矩的公式为m’＝NIS，m’为磁矩，N为线圈匝数，I为通电电流，S为线圈面积。
本发明的有益效果：通过该方法，解决了由海底三分量磁传感器安装位置误差带来的磁场测量误差问题；实现了海底三分量磁传感器的精确定位，减小了由于施工环境条件限制导致的磁传感器位置偏差，提高了舰船磁场测量的准确性，该方法具有较好的计算精度和工程实用性，提高了舰船磁场测量的准确性，为提高舰船磁性防护水平提供技术支撑。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例所述的一种消磁站海底三分量磁传感器精确定位方法的流程框图；
图2是根据本发明实施例所述的一种消磁站海底三分量磁传感器精确定位方法的物理量对照图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，根据本发明实施例所述的一种消磁站海底三分量磁传感器精确定位方法，包括以下步骤：
S1：查阅消磁站海底三分量磁传感器3阵列的安装位置参数，获取消磁站海底磁传感器阵列整体情况，构建全局坐标系，并确定每个磁传感器在全局坐标系中的位置参数，其中，全局坐标系的x、y、z三个轴向与所有三分量磁传感器三个测量轴向一致；
S2：根据海底三分量磁传感器3分布情况，估算陆上可移动标准磁源2的磁矩，根据磁矩的计算结果，确定线圈通电电流最小值，其中，可移动标准磁源的体积不大于1立方米；
S3：根据待校准三分量磁传感器的位置和测量场地实际情况，在码头上选取适当位置布设标准磁源，并精确测定标准磁源在全局坐标系中的位置(xQ,yQ,zQ)，给标准磁源2通电，其中，标准磁源2与所有磁传感器距离至少10米；
S4：在码头上选取距离标准磁源2较远处布设陆上参考三分量磁传感器1，并精确测定磁传感器在全局坐标系中的位置(xB,yB,zB)，记录磁场测量值(BxB,ByB,BzB)；
S5：计算标准磁源2的磁矩m，同步记录第i个海底待定位三分量磁传感器3的磁场值(Bxi,Byi,Bzi)，其中，计算标准磁源2的磁矩公式为
Figure BDA0002597480380000041
式中B＝[BxB,ByB,BzB]T，r＝[xB-xQ,yB-yQ,zB-zQ]T，m＝(BxB,ByB,BzB)，μ0为真空磁导率，B为磁感应强度；
S6：计算第i个海底待定位三分量磁传感器位置(xi,yi,zi)，其中，计算公式为
m·Bi＝|m||Bi|cosθ，
Figure BDA0002597480380000051
Figure BDA0002597480380000052
Figure BDA0002597480380000053
式中λ(ri)为中间系数，ri为全局坐标系中的坐标，Bi为磁感应强度；
S7：根据海底三分量磁传感器3与陆上标准磁源2的相对位置关系，适时移动调整陆上标准磁源位置，依次完成海底三分量磁传感器位置的精确定位修正。
在本发明的一个具体实施例中，所述步骤S1中，根据消磁站测量场地实际情况，建立全局坐标系。
在本发明的一个具体实施例中，所述步骤S2中，估算陆上可移动标准磁源的磁矩的公式为m’＝NIS，m’为磁矩，N为线圈匝数，I为通电电流，S为线圈面积。
为了方便理解本发明的上述技术方案，以下对本发明的上述技术方案进行详细说明。
在具体使用时，根据本发明所述的一种消磁站海底三分量磁传感器精确定位方法的主要流程如下：
步骤1)：根据消磁站测量场地实际情况，建立全局坐标系，为方便磁场数据处理，x、y、z三个轴向与所有三分量磁传感器三个测量轴向一致(安装后根据地磁场调节)。假定海底三分量磁传感器3M个，第i个理论设置安装坐标为(x0i,y0i,z0i)。考虑到实际工程安装误差，第i个传感器实际位置坐标为(x0i+△xi,y0i+△yi,z0i+△zi)，精确定位就是要确定这些偏差量。
步骤2)：制定一个通电矩形线圈，形成可移动的外加主动测试标准磁源,布置在码头适当的位置。可移动标准磁源的体积不大于1立方米，磁矩大小依据消磁站海底三分量磁传感器分布范围而定。为保证定位精度，按照所校准的海底三分量磁传感器测量值不小于100nT的原则来确定标准磁源安放位置(xQ,yQ,zQ)。考虑到磁偶极子的适用性，标准磁源2与所有磁传感器距离不小于10米。
步骤3)：在距离磁源较远处码头面上布设一个参考三分量磁传感器1，坐标为(xB,yB,zB)，用于精确反演推算标准磁源磁矩。
步骤4)：对海底三分量磁传感器3进行定位修正。第一步，给标准磁源线圈通电，记录参考三分量磁传感器1的磁场数据(BxB,ByB,BzB)，同步记录待校准三分量磁传感器3的磁场数据(Bxi,Byi,Bzi)。第二步，由于标准磁源尺度远小于测量距离，可将标准磁源2等效为磁偶极子，根据磁偶极子磁矩推演公式计算标准磁源2的磁矩：
Figure BDA0002597480380000061
式中B＝[BxB,ByB,BzB]T，r＝[xB-xQ,yB-yQ,zB-zQ]T，m＝(BxB,ByB,BzB)，μ0为真空磁导率(各物理量如图2)。第三步，根据所得标准磁源磁矩m和海底待校准三分量磁传感器3的磁场数据Bi＝[Bxi,Byi,Bzi]T，计算标准磁源2到海底待校准三分量磁传感器3的矢径rQi＝[xQi,yQi,zQi]T：
m·Bi＝|m||Bi|cosθ (2)
Figure BDA0002597480380000062
Figure BDA0002597480380000071
Figure BDA0002597480380000072
可根据待校准海底三分量磁传感器3初始位置(x0i,y0i,z0i)来确定rQi的唯一解，并由此推算其在全局坐标系中的坐标ri，得到△xi、△yi和△zi，从而实现对待校准三分量磁传感器位置的校正。第四步，给标准磁源线圈断电。
步骤5)：按照上述过程依次对海底三分量磁传感器3进行位置校正。为尽量减小***测量误差对校正的影响，若有必要，可在码头纵向移动标准磁源位置。
本发明基于磁偶极子3个矢量互推特性，采用陆上可移动标准磁源2和陆上参考三分量磁传感器1，根据海底三分量磁传感器3的实际磁场测量数据，实现了海底三分量磁传感器3的精确定位，减小了由于施工条件造成的磁传感器位置偏差，提高了舰船磁场测量的准确性，该方法具有较好的计算精度和工程实用性。
综上所述，借助于本发明的上述技术方案，通过该方法，解决了由海底三分量磁传感器3安装位置误差带来的磁场测量误差问题；实现了海底三分量磁传感器3的精确定位，减小了由于施工环境条件限制导致的磁传感器位置偏差，提高了舰船磁场测量的准确性，该方法具有较好的计算精度和工程实用性，提高了舰船磁场测量的准确性，为提高舰船磁性防护水平提供技术支撑。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种消磁站海底三分量磁传感器精确定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：查阅消磁站海底三分量磁传感器阵列的安装位置参数，获取消磁站海底磁传感器阵列整体情况，构建全局坐标系，并确定每个磁传感器在全局坐标系中的位置参数，其中，全局坐标系的x、y、z三个轴向与所有三分量磁传感器三个测量轴向一致；
S2：根据海底三分量磁传感器分布情况，估算陆上可移动标准磁源的磁矩，根据磁矩的计算结果，确定线圈通电电流最小值，其中，可移动标准磁源的体积不大于1立方米；
S3：根据待校准三分量磁传感器的位置和测量场地实际情况，在码头上选取适当位置布设标准磁源，并精确测定标准磁源在全局坐标系中的位置(xQ,yQ,zQ)，给标准磁源通电，其中，标准磁源与所有磁传感器距离至少10米；
S4：在码头上选取距离标准磁源较远处布设陆上参考三分量磁传感器，并精确测定磁传感器在全局坐标系中的位置(xB,yB,zB)，记录磁场测量值(BxB,ByB,BzB)；
S5：计算标准磁源的磁矩m，同步记录第i个海底待定位三分量磁传感器的磁场值(Bxi,Byi,Bzi)，其中，计算标准磁源的磁矩公式为
Figure FDA0002597480370000011
式中B＝[BxB,ByB,BzB]T，r＝[xB-xQ,yB-yQ,zB-zQ]T，m＝(BxB,ByB,BzB)，μ0为真空磁导率，B为磁感应强度；
S6：计算第i个海底待定位三分量磁传感器位置(xi,yi,zi)，其中，计算公式为
m·Bi＝|m||Bi|cosθ，
Figure FDA0002597480370000021
Figure FDA0002597480370000022
Figure FDA0002597480370000023
式中λ(ri)为中间系数，ri为全局坐标系中的坐标，Bi为磁感应强度；
S7：根据海底三分量磁传感器与陆上标准磁源的相对位置关系，适时移动调整陆上标准磁源位置，依次完成海底三分量磁传感器位置的精确定位修正。
2.根据权利要求1所述的一种消磁站海底三分量磁传感器精确定位方法，其特征在于，所述步骤S1中，根据消磁站测量场地实际情况，建立全局坐标系。
3.根据权利要求1所述的一种消磁站海底三分量磁传感器精确定位方法，其特征在于，所述步骤S2中，估算陆上可移动标准磁源的磁矩的公式为m’＝NIS，m’为磁矩，N为线圈匝数，I为通电电流，S为线圈面积。
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