海洋環境地磁場三分量測量儀的設計與實現

一、項目概述

1.1 項目摘要

提出了一種利用安裝在艦船上的三分量磁傳感器進行地磁場測量的構想，解決了在任意的艦船姿態下，消除測量中艦船磁場干擾的問題。該測試儀采用地磁模塊來測量磁場的三分量值，采用3軸陀螺儀來進行任意的艦船姿態所包含的橫搖，縱搖和航向三種狀態信息，對采集到的數據進行計算，從而得到地磁場的三分量值。同時 該模塊還包含壓力傳感器和溫度傳感器，可以實時檢測海面上的氣壓以及溫度情況。

1.2 項目背景/選題動機

“測地磁消艦磁”是艦載消磁系統所采用的消磁方法，如果能預先測量出艦船航行海域的地磁場值并建立數據庫，那么艦船在航行的過程中就可以根據當地的地磁場值來進行消磁系統的電流調整，從而改善艦載消磁系統的控制方法。

目前，地磁場數據的獲得主要是通過建立地磁模式組的方法。國際地磁學與高空大氣物理協會的一個專門小組每5年公布一次國際地磁參考場，我國則每10年出版一次中國地磁圖。這2種地磁場模型的建立，其數據大多來自陸地上的地磁臺站，而海洋上的特定地點的地球磁場還受當地的地理構造等諸多因素的影響而具特殊性。這就導致了全球地磁場模型和局部地磁場模型都不能及時準確地描述海洋地磁場。因此，用于艦載消磁系統的電流調整時造成的誤差比較大。為了更準確地獲得海洋上特定地點的地磁場值，可以在海洋上進行實地測量。

目前在海洋上進行的磁場測量主要是獲得磁場總量，但在艦載消磁系統進行跨緯度調整等應用中，需要的卻是三分量的地磁場。磁場的三分量值可以利用安裝在艦船桅桿上的6軸地磁模塊進行測量，但這樣測得的磁場值并不是地磁場值，而是一個包含了艦船本身磁場和傳感器自身干擾的復雜的磁場值，并且受艦船姿態的影響，其值也是變化的，因此可以利用3軸陀螺儀來測量艦船的3個姿態角，再通過數學建模的方法，從一個復雜的三分量磁場值中分離出地球磁場。

二、需求分析

2.1 功能要求

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

2， LSM303DLH地磁模塊能夠檢測到艦船所在處地磁場信息輸出。

3， 最終輸出信息還包括經過去除固定干擾之后的地磁場信息。

4， 壓力傳感器和溫度傳感器能夠實時檢測海面上的溫度和氣壓，并輸出。

2.2 性能標準

最后經過軟件計算結果，地磁場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、方案設計

3.1 系統功能實現原理（除圖片外需有文字介紹）

1. 磁傳感數學模型分析

對于裝在測量船上的磁傳感器來說，其接收的磁場值為：

(1)

式中：E為單位矩陣；K為感應磁化系數矩陣； 分別為地磁場水平分量和垂直分量；A為任意姿態下測量船坐標系與地磁坐標系的轉換矩陣；向量 為各種固定干擾量的合成。矩陣A各元素表達式分別為：

為測量船的縱傾角、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，要測量的量`` (實際上要測量的是磁偏角，只是測量出磁航向角 后，就可以與導航設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， 首先應該測量出感應磁化系數矩陣K和固定干擾向量 。