水下潜器辐射磁场建模及仿真

论文总字数：26538字

摘 要

水下载体以惯性导航系统作为自主式导航和控制中心，但惯性导航系统误差随时间积累发散，为了改善该缺陷，采用地球磁场信息辅助水下载体导航已成为研究热点。本文对水下潜器的磁场测量装置——三轴磁力仪的测量误差进行分析建模，对于主要误差因素——铁磁误差进行分析建模与仿真。

首先，建立球体和圆柱体为磁源的背景磁场模型，利用场论，针对两种模型的引力位模型，求其二次偏导，得到其磁场强度的分布函数，并通过软件对球体的组合模型进行了仿真。

其次，针对三轴磁力仪的测量误差进行分析建模，形成相关的误差矩阵，矩阵元素包括安装误差、零偏误差、刻度因子误差、非正交误差、硬磁误差、软磁误差等。由于铁磁误差对测量结果的影响最大，针对铁磁误差中的一般磁化误差、软磁误差、硬磁误差，分别解释其磁化机理，并建立相应的误差模型。在解算得到其误差参数后，以球体磁场进行仿真验证。

最后，针对测量过程中外界环境波动干扰带来的随机误差，建立软件模型，并对各项特性进行仿真分析，探讨了其主要误差来源，并提出了对消除其影响的解决方法。

关键词：三轴磁力仪，误差分析，磁偶极子，卡尔曼滤波

THE MODELING AND SIMULATION OF UNDERWATER VEHICLE

RADIATED MAGNETIC FIELD

Abstract

Inertial navigation system is the autonomous navigation and control center of underwater vehicle, but the inertial navigation system errors are emanative accumulate over time, in order to improve the defect, using the Earth’s magnetic field information to assist in underwater vehicle navigation has become a hot topic. This paper analyzed the measuring magnetic information error device of the underwater vehicle, which is called three-axis magnetometer, and get the model of the magnetometer. For the main error factors, this paper analyzed the modeling and simulation of the ferromagnetic error.

Firstly，the magnetic fields whose sources are spheres and cylinders were modeled. Using theory of the field, the gravitational potential model for these two models were gotten, find the secondary partial derivatives, which means the distribution function of the magnetic field strength, and get the combined model of sphere by software simulation.

Secondly, this paper analyzed the three-axis magnetometer error and find the model, got the error matrix. The matrix includes installation error, bias error, scale factor error, non-orthogonal error, hard magnetic errors and soft errors. the influence of ferromagnetic for the measurement results is the greatest. As the ferromagnetic error include hard magnetic error, soft magnetic error and general magnetization error. Magnetization mechanism of them were analyzed and the models were found, as they are the important error. When solving the error parameters, the simulation was obtained in the sphere magnetic field.

Finally, the external environment brings the random error caused by interference in the measurement process, established the software model, simulated and analyzed the characteristic. This paper studied the main error sources, and proposed a solution to eliminate the effects.

KEY WORDS: Three-axis magnetometer, error analysis, magnetic dipole, Kalman filter.

目录

第一章 绪 论 1

1.1 课题背景和意义 1

1.2 地磁导航研究现状 2

1.2.1 国外研究现状 2

1.2.2 国内研究现状 3

1.3 磁场测量技术 3

1.4 磁化计算研究现状 3

1.5 本课题研究思路 4

第二章 磁场测量 5

2.1 地磁导航原理 5

2.2 地磁要素简介 5

2.3 地磁场组成介绍 6

2.4 常用坐标系 7

2.5 磁场测量误差分析 7

2.6 本章小结 8

第三章 磁体分子理论 9

3.1 磁偶极子 9

3.1.1 磁偶极子的基本形式 9

3.1.2 磁偶极子的等效模型 10

3.2 安培定律 11

3.3 磁场的磁感应强度以及毕奥萨伐尔定律 12

3.4 磁化强度和磁场强度 12

3.5 磁化分析 13

3.5.1 磁化现象 13

3.5.2 磁滞回线 14

3.6 本章小结 15

第四章 磁场分析建模 16

4.1 球体背景磁场建模 16

4.2 圆柱体背景磁场建模 20

4.3 三轴磁力仪测量误差分析建模 21

4.2.1 安装误差 22

4.2.2 非正交误差 22

4.2.3 刻度因子误差 23

4.2.4 零偏误差 23

4.2.5 硬磁误差 23

4.2.6 软磁误差 23

4.4 实际船磁模型及校正举例 24

4.5 一般磁化材料误差系数确定 25

4.6 软磁物质磁化分析 28

4.7 矩形永磁体模型 31

4.8 矩形永磁体三维磁场数学表达式推导 32

4.9 本章小结 36

第五章 随机噪声分析和处理 37

5.1 噪声来源 37

5.2 卡尔曼滤波 37

5.3 本章小结 39

第六章 总结 40

致谢 41

参考文献 41

1. 绪 论
   1. 课题背景和意义

无论是在科学研究中，还是在商业以及军事领域中，水下自主航行器（AUV）发挥着越来越大的作用。在军事领域中，AUV作战用途广泛，有较高的智能化，较好隐蔽性，同时具有较强的机动性能，性价比很高，这使得AUV已经成为了未来重要的作战装备之一。AUV的定位导航系统目前发展依然是以隐蔽性好的惯导系统为主，但不可避免的结果就是其导航误差会随运行时间、运行距离的增加而累加。组合导航是解决AUV导航时自主导航精度问题的最主要的途径，“与多普勒测速相结合”是目前常用的导航手段之一，但由于其存在成本高、体积大、精度不是很高等问题，使得其发展受限。而另一种较为普遍的“与卫星定位相结合”的方法，其精度基本可以满足要求，但其必须要靠近海平面以接收卫星信号，这就大大降低了AUV隐蔽性强的优势。目前世界各国由于战略需求，在研制更加精密的惯性元件、惯性导航系统的同时，也开始利用地形、地磁场、重力场等地球物理场信息实现辅助导航，以进一步提高潜器的导航精度及隐蔽性，地磁辅助惯性导航系统是潜器导航领域的研究热点。

地磁场是所测得磁场的主要组成部分。其具备以下两大特点：其主要来源是地球表面存在着的电流，是一个弱磁场；地磁场是一个非单一的复杂磁场，其组成部分除了地球表面外，还有地球内部活动、人类活动产生的磁场以及异常磁场等。地磁场的特征量的大小与测量点的经纬度以及高度等位置因素密切相关，虽然其并非时不变系统，但是其随着时间变化这一物理过程，是具有全球性质的。如果只考虑其中的稳定磁场的话，在很长的可预见期（5-10年），可以认为这些特征量只与坐标位置有关，而时间对其影响可以忽略不计。而地磁场的特征量与空间位置密切相关的特点，满足了导航测量数据的基础需求。除此之外，地磁场包含有丰富的磁场信息，具有无源、全天候、全地域、精度较高等优秀的特征。由此看出，加强对地磁场的分析研究以及建模是具有重大的意义的^[1][2] 。

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