海洋環(huán)境地磁場(chǎng)三分量測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) - 全文

　　一、項(xiàng)目概述

　　1.1 項(xiàng)目摘要

　　提出了一種利用安裝在艦船上的三分量磁傳感器進(jìn)行地磁場(chǎng)測(cè)量的構(gòu)想，解決了在任意的艦船姿態(tài)下，消除測(cè)量中艦船磁場(chǎng)干擾的問題。該測(cè)試儀采用地磁模塊來測(cè)量磁場(chǎng)的三分量值，采用3軸陀螺儀來進(jìn)行任意的艦船姿態(tài)所包含的橫搖，縱搖和航向三種狀態(tài)信息，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，從而得到地磁場(chǎng)的三分量值。同時(shí) 該模塊還包含壓力傳感器和溫度傳感器，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)海面上的氣壓以及溫度情況。

　　1.2 項(xiàng)目背景/選題動(dòng)機(jī)

　　“測(cè)地磁消艦磁”是艦載消磁系統(tǒng)所采用的消磁方法，如果能預(yù)先測(cè)量出艦船航行海域的地磁場(chǎng)值并建立數(shù)據(jù)庫，那么艦船在航行的過程中就可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡卮艌?chǎng)值來進(jìn)行消磁系統(tǒng)的電流調(diào)整，從而改善艦載消磁系統(tǒng)的控制方法。

　　目前，地磁場(chǎng)數(shù)據(jù)的獲得主要是通過建立地磁模式組的方法。國際地磁學(xué)與高空大氣物理協(xié)會(huì)的一個(gè)專門小組每5年公布一次國際地磁參考場(chǎng)，我國則每10年出版一次中國地磁圖。這2種地磁場(chǎng)模型的建立，其數(shù)據(jù)大多來自陸地上的地磁臺(tái)站，而海洋上的特定地點(diǎn)的地球磁場(chǎng)還受當(dāng)?shù)氐牡乩順?gòu)造等諸多因素的影響而具特殊性。這就導(dǎo)致了全球地磁場(chǎng)模型和局部地磁場(chǎng)模型都不能及時(shí)準(zhǔn)確地描述海洋地磁場(chǎng)。因此，用于艦載消磁系統(tǒng)的電流調(diào)整時(shí)造成的誤差比較大。為了更準(zhǔn)確地獲得海洋上特定地點(diǎn)的地磁場(chǎng)值，可以在海洋上進(jìn)行實(shí)地測(cè)量。

　　目前在海洋上進(jìn)行的磁場(chǎng)測(cè)量主要是獲得磁場(chǎng)總量，但在艦載消磁系統(tǒng)進(jìn)行跨緯度調(diào)整等應(yīng)用中，需要的卻是三分量的地磁場(chǎng)。磁場(chǎng)的三分量值可以利用安裝在艦船桅桿上的6軸地磁模塊進(jìn)行測(cè)量，但這樣測(cè)得的磁場(chǎng)值并不是地磁場(chǎng)值，而是一個(gè)包含了艦船本身磁場(chǎng)和傳感器自身干擾的復(fù)雜的磁場(chǎng)值，并且受艦船姿態(tài)的影響，其值也是變化的，因此可以利用3軸陀螺儀來測(cè)量艦船的3個(gè)姿態(tài)角，再通過數(shù)學(xué)建模的方法，從一個(gè)復(fù)雜的三分量磁場(chǎng)值中分離出地球磁場(chǎng)。

　　二、需求分析

　　2.1 功能要求

　　1， LPR430AL軸陀螺儀（橫滾，俯仰）能夠檢測(cè)艦船橫搖，縱搖信息并輸出，LY330ALH陀螺儀（偏航）能夠檢測(cè)艦船航向角度并輸出。

　　2， LSM303DLH地磁模塊能夠檢測(cè)到艦船所在處地磁場(chǎng)信息輸出。

　　3， 最終輸出信息還包括經(jīng)過去除固定干擾之后的地磁場(chǎng)信息。

　　4， 壓力傳感器和溫度傳感器能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)海面上的溫度和氣壓，并輸出。

　　2.2 性能標(biāo)準(zhǔn)

　　最后經(jīng)過軟件計(jì)算結(jié)果，地磁場(chǎng)的水平分量和垂直分量的誤差不超過50nT，磁偏角誤差不超過0.3°。

　　三、方案設(shè)計(jì)

　　3.1 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)原理（除圖片外需有文字介紹）

　　磁傳感數(shù)學(xué)模型分析

　　對(duì)于裝在測(cè)量船上的磁傳感器來說，其接收的磁場(chǎng)值為：

　　 （1）

　　式中：E為單位矩陣；K為感應(yīng)磁化系數(shù)矩陣； 分別為地磁場(chǎng)水平分量和垂直分量；A為任意姿態(tài)下測(cè)量船坐標(biāo)系與地磁坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣；向量 為各種固定干擾量的合成。矩陣A各元素表達(dá)式分別為：

　　為測(cè)量船的縱傾角、橫搖角和磁偏向角。矩陣K可以具體表示為：

　　分析（1）式可以知道，要測(cè)量的量`` （實(shí)際上要測(cè)量的是磁偏角，只是測(cè)量出磁航向角 后，就可以與導(dǎo)航設(shè)備提供的航向角做差求出磁偏角），向量h是可以從磁傳感器中直接讀出的， 首先應(yīng)該測(cè)量出感應(yīng)磁化系數(shù)矩陣K和固定干擾向量 。

　　2.海上任意地點(diǎn)`` 的求解

　　3.A矩陣的變換形式

　　對(duì)于任意的艦船姿態(tài)，都同時(shí)包含了艦船的橫搖、縱搖和航向3種狀態(tài)信息，但是為了分析問題的方便，可以把這種姿態(tài)看作是艦船沒有縱搖和橫搖角，并且處于正北磁航向狀態(tài)的時(shí)刻，順序經(jīng)歷了航向、縱搖和橫搖改變的3個(gè)獨(dú)立階段后形成的。亦即艦船在第一時(shí)刻只發(fā)生航向的改變，產(chǎn)生磁航向角 （見圖1（a））；然后在經(jīng)歷一次縱向搖擺，產(chǎn)生橫搖角 （見圖1（c））。經(jīng)歷這三個(gè)狀態(tài)以后，艦船的姿態(tài)就確定了。

　　因此，可以將A矩陣寫成3個(gè)矩陣 相乘的形式，即 ，其中：

　　4.磁場(chǎng)3分量獲得

　　對(duì)于任意航向上、任意測(cè)量船姿態(tài)下，磁傳感器處獲得的磁場(chǎng)值為：

　　 （2）

　　對(duì)于具體某一條測(cè)量船來說，其K矩陣和固定干擾 一旦測(cè)出就是一個(gè)不變量，而磁場(chǎng)h值又是可以從三分量磁傳感器直接讀得的，因此在這里只有`` 是未知量。故將（2）式作如下變形：

　　 （3）

　　很容易看出（3）式右側(cè)各參數(shù)都是已知的，不妨設(shè) ，其中向量T的物理意義是艦船不存在縱橫搖時(shí)、任意航向下地磁場(chǎng)在艦船坐標(biāo)系上的投影。這樣可以將（3）式寫成：

　　從而分別得到

　　3.2 硬件資源配置

　　硬件配置圖

　　該系統(tǒng)主要完成海平面上各種信息量的采集，并計(jì)算得出需要的結(jié)果。該系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分組成：微處理器模塊、傳感器模塊、電源模塊和檢測(cè)量輸出模塊，原理圖如上。

　　處理器選擇ST公司的基于ARM的低功耗高性能32位微控制器，采用2個(gè)陀螺儀，一個(gè)6軸地磁模塊，壓力傳感器和溫度傳感器，將系統(tǒng)安裝于艦船桅桿上，接外部電源。當(dāng)艦船在海上實(shí)地測(cè)量時(shí)，隨著艦船姿態(tài)的改變，陀螺儀實(shí)時(shí)檢測(cè)到姿態(tài)角的信息，同時(shí)艦船所在坐標(biāo)點(diǎn)的三分量磁場(chǎng)被地磁模塊實(shí)時(shí)檢測(cè)到，信息經(jīng)過處理器，最終可以得到該坐標(biāo)點(diǎn)處的實(shí)際地磁場(chǎng)信息。

　　3.3系統(tǒng)軟件架構(gòu)

　　軟件架構(gòu)圖

　　上圖即為軟件構(gòu)架圖。首先要進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，在每次斷電后重新啟動(dòng)或者復(fù)位后進(jìn)行。傳感器模塊感知外部信息量，其中對(duì)陀螺儀檢測(cè)到的信號(hào)還要進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，隨之將采集到的兩組數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于處理器內(nèi)，根據(jù)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行實(shí)時(shí)分析處理。最后將各感知的初始信號(hào)與經(jīng)過處理之后的結(jié)果串口輸出。

　　3.4 系統(tǒng)軟件流程

　　程序運(yùn)行流程圖

　　由于數(shù)據(jù)處理是不間斷工作的，因此在一次數(shù)據(jù)處理完成并且輸出之后，程序再次運(yùn)行至采集引腳輸出數(shù)據(jù)，進(jìn)行第2次計(jì)算。上圖為程序運(yùn)行流程圖。