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地磁场测量及水下磁定位技术研究

黄玉  
【摘要】:为确保潜艇水下生存能力,发挥突袭效果,潜艇必须具备水下长时间高精度定位和隐蔽航行的手段与能力。惯性导航系统因其自主性及全维导航信息的特点而成为潜艇的核心导航设备,但由于惯性器件的固有漂移和误差,惯导定位误差随时间积累,必须予以重调与校正。地磁场为潜艇提供了隐蔽性好的外部校正信息源,地磁/惯性组合导航系统的研究与应用,可延长潜艇重调周期,提高潜艇的远程导航精度与自主导航能力。本文着重研究基于地磁异常反演的水下载体定位、磁场梯度测量技术及惯性/地磁异常反演测速组合导航方法。 鉴于有效地磁图难以构建,地磁测量值还有无法预知的磁异常等客观事实,将地形匹配方法移植于水下地磁导航还存在不少困难。本文提出基于地磁异常反演的水下定位方法,将地磁异常场看作一个偶极子磁性目标,通过测量目标磁场大小及梯度计算载体相对于目标的位置。详细推导了地磁特征反演的计算公式。针对反演公式中正负号及一元六次方程的多根问题,根据特征反演的实际意义给出了真实根的三个约束条件,对符号及多根进行取舍。提出并描述了基于先验的位置磁矩迭代修正方程系数的方法,建立迭代误差指标函数及迭代公式,并进行了数值仿真实验。 分析了测量磁场梯度张量的必备条件,得出最简测量配置为七单轴磁力计,结合磁场梯度最优测量矩阵,提出了一种安装于立方体顶点的七磁力计配置。分析了磁场量测固有误差与测量基线长间的关系,提出了测量磁场大小及梯度的十单轴和八单轴两种磁力计配置方式,表明十单轴配置优于八单轴配置,根据两种磁力计安装结构,分析了产生这种差异的内在原由。讨论了磁场梯度张量的标量磁力计测量方案可行性。 推导了十单轴磁力计配置下偶极子磁场测量误差同磁力计三轴非正交误差、轴间增益及零点漂移偏差、安装中心错位、对应轴指向偏差间的关系,分析了磁力计三轴不共点带来的额外测量误差,给出并对比了十单轴磁力计的两种放置方式,表明在磁力计组对应轴间距相等的放置方式下误差较小 建立了适用于强噪声下三轴磁力计正交及增益误差模型,给出了误差模型参数辨识算法及不同信噪比条件下校正精度与采样点个数的关系。进一步考虑到磁力计零点漂移及磁场测量系配准误差后,建立了磁场分量梯度计和磁场大小梯度计测量误差模型,提出了一种基于FLANN和最小二乘法的磁场分量梯度计和磁场大小梯度计误差参数辨识及校正算法,实验证明了算法在一定噪声范围内的收敛性与有效性。 为验证异常场梯度反演地磁特征的可行性,设计了地磁梯度测量及定位的地面模拟实验。利用两个分辨力为1nT的三轴磁通门磁力计搭建了磁场梯度测量装置,编写了基于Labview的上位机软件,进行了室外磁场梯度测量及磁性目标定位实验,对实验数据进行处理,表明磁场梯度定位的可行性。 针对地磁背景场下目标磁场大小难以测量的问题,提出了载体潜深辅助磁场梯度水下定位新方法,由两次潜深量测值直接计算载体垂向相对位置,分析了潜深测量误差对定位精度的影响。为避免载体不断垂向移动以测量潜深,提出了基于磁矩的水下地磁异常连续定位方法,并进行了仿真验证。 最后,研究了水下载体姿态变化对目标磁场大小与梯度测量及定位精度的影响,表明磁场梯度随姿态呈周期性变化,而定位距离与姿态无关。根据磁矩与载体姿态角的关系,提出了磁矩辅以一维倾斜仪的姿态变化解算方法。根据目标位置固定及定位距离与姿态无关的特点,提出由两次定位距离差解算地速的绝对测量方法,推导了地速及其分量计算公式。提出将地速作为观测量,构建地磁/惯性组合导航系统,对比分析了卡尔曼与H∞滤波器的滤波效果。


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