海域环境下铁磁性载体地磁场矢量差分检测方法研究

海域环境下铁磁性载体地磁场矢量差分检测方法研究

  ,孙晓东

海阳千里岩岛海洋生态系统省级自然保护区管理服务中心

海阳千里岩岛海洋生态系统省级自然保护区管理服务中心 山东 烟台265200

摘要：在海洋环境尤其是在水下环境下工作的航空器，目前主要使用的是惯导系统，虽然它在短期内具有很高的准确率，但是随着时间的推移，它的误差会随着时间的推移而逐渐积累，需要经常到海面上使用其它导航手段如卫星定位来校正方向，从而影响了它的安全和隐蔽性。近几年来，地球磁场定位技术已经成为惯性导航系统中的一种重要辅助技术。但是，要实现地磁辅助导航，首先要有对地磁场的探测能力，而在海洋环境中，地磁场的探测主要依赖于舰船、潜航器等载体。本项目将重点解决铁磁载体与地磁场的分离问题，并在此基础上，提出一种新型的地磁矢量差分探测模式，以减小地磁矢量差分探测对海洋环境探测的影响。关键词：铁磁性载体，磁矢量检测，感应磁场，固定磁场

引言

当前，受海底电磁波传播距离限制，多采用惯导方式，虽然短时间内定位精度很高，但误差累积，而磁力辅助导航能有效改善这一问题。地球自然磁场的强度和方向随空间坐标而变化，若能对地磁场中的多个元素进行精确测量，并形成实时地磁图，再与已有的地磁数据库中的地磁图相匹配，就能确定载体目前的位置。随着地磁要素信息的丰富和倾斜度的增大，其匹配定位的准确性也随之提高，因而地磁导航技术已成为海洋环境下多种载体联合航行模式中不可缺少的一种辅助导航方法，对产业的发展具有重要意义。

1、模拟系统的函数

地球磁场向量探测模拟系统应该包括以下几个部分：

(1)载具几何造型：可在海洋环境中实现对不同尺寸载具的造型，并以3D图像显示的方式，将载具的总体轮廓及感应器的安装点等，以清晰直观的方式了解载具的外形及感应器的放置对地磁场探测的影响。

(2)舰船外磁场环境仿真：舰船的外磁场环境主要有：舰船自身的磁场，舰船本身的磁场，以及舰船外的其它磁源所引起的磁场。地磁场可以采用两种方法进行仿真，一种是采用球冠谐波模型，另一种是采用内插的方法进行数值仿真。二是利用地球磁场的短暂恒定特性，参照 IGRF数据，在本底空间生成含时向量场。前者的工作量是相当大的，它需要在时间和空间上很好地设定地磁场，在背景中的每个坐标位置都要输入不同的数据，因此，它的编程过程非常复杂，而且开发周期也比较长。

(3)运载器的磁化磁场分析与计算：模拟运载器在地面上被磁化后所形成的磁化磁场，并在不同的坐标、不同的材质、不同的运载器尺寸等条件下，模拟运载器的磁场强度与空间分布。

(4)磁场数字显示：模拟计算载体周围的磁场，得到点、线、面在各种姿势、各种位置的数据值，包括全部的域及各部分，并可以从空间任意点上获取磁场向量的变化信息。

(5)向量探测法验证：在模型中，利用内嵌的微分探测法程序，根据传感器在模型中的不同位置，对扰动磁场进行直接补偿，从而求出实际的地磁数据。

2.模拟系统的体系架构

地磁场向量探测模拟系统由界面层、工作层和数据层三个部分构成，以箭头代表数据流动方向。界面层被用来为用户提供一个操作的人机交互界面，它可以输入操作参数、命令、建模的尺寸、形状、载体所处的姿态等信息，并且可以对数据处理的结果进行实时观察，如果发现与预期的不一致，还可以在第一时间对参数进行修正等。工作层一共有四个部分，它的主要作用是：按照界面层中输入的参数及命令，对几何模型展开相应的预处理和剖分，之后对载体模型进行磁场的求解与计算。在求解器中，已经设置好了边界条件和电磁场求解方程组，这样就可以方便快捷的对网格剖分后的模型进行计算，从而得到空间各点位置的磁场矢量，并将计算结果保存在内存中，等待用户调用显示或用于地磁场的差分解算。

图1：三层结构的地球磁场向量探测模拟系统

3、模拟系统的建设计划

针对向量探测模拟系统在功能上的要求，选用了一种比较成熟的模拟软件，并结合 MATLAB强大的数据处理能力，对向量探测模拟系统进行了研究。Comsol Multiphysics （试用版）是一款建立在多物理场混合基础上的仿真软件，它可以在不同的情况下，利用数学模型来对物理现象进行同时验证，它具备了几何建模、模型剖分、边界条件设定以及多种求解器选择等比较成熟的功能。此外， COMSOL公司曾经为 MATLAB开发过一个工具箱，因此这两款软件之间存在着良好的界面，这就使得检测仿真系统的开发周期大大缩短，在数据流和命令流传输过程中出现的错误率也大大降低。图2显示了特定的系统构成。

图2：地球磁场向量探测模拟系统的结构方块图

在一个统一的语言环境中，开发多个特定的指令码档案要比在一个已被广泛使用的软体中进行的工作要复杂得多。所以，在第一种思路中，所牵涉到的连接的软件数量相对较多。在这一过程中，需要按照不同的任务计划需求，来编写不同的脚本代码，并进行相应的数据转换。在这过程中，要用到大量的逻辑判断、循环语句、字符串和文件输入输出等，还需要花费大量的时间和精力去学习各种语言的代码，其工作量可想而知。在此基础上，利用 MATLAB图形界面控件 COMSOL Multiphysics实现了一个完整的计算机模拟系统。

4、系统程序的设计和功能的实现

在海洋环境中，利用 COMSOL Multiphysics软件对铁磁性载体的磁场进行模拟，它是基于有限元法，通过数学公式来说明现实中的物理现象，而利用 Matlab脚本文件来实现人机交互界面和差分分解算的求解。在此基础上，利用 MATLAB开发了一套完整的完整的模拟系统，并将其与 COMSOL软件相结合，实现了对地磁场探测方法的模拟与验证。

COMSOL Multiphysics拥有出色的多物理场仿真功能，此外该软件可以和其他主流仿真、绘图和计算类软件拥有很好的接口，可以方便模型的导入、导出、修改和数据的后处理等功能。值得注意的是， COMSOL软件与 MATLAB软件在后台运行的脚本文件是不一样的，因此，需要在 MATLAB语言代码的基础上，加入 COMSOL脚本的规则函数，才能实现二者之间数据流和命令流的相互传递和控制，这也很大程度上增加了二次开发的难度。

您可以输入帮助多物理的命令来获取 COMSOL函数的列表。所以，整个地磁场向量检测仿真系统的搭建平台是以 Windows环境为基础，要求计算机上同时安装 COMSOL和 MATLAB软件并建立连接，然后启动 COMSOL With MATLAB才能运行。

5、结束语

本文将地磁场矢量探测法的理论依据与数学模型的特征相结合，并借鉴各种软件对模拟分析与计算的处理能力，构建了一套地磁场矢量探测仿真系统。本系统可实现对模型模拟数据的实时处理，避免了由单个模拟软件输出和输入到数据处理软件的繁杂流程，在减少数据丢失的前提下，提高了计算效率。

参考文献：

[1]崔峰. 基于量测差分与模型重构和补偿的地磁导航方法研究[D].中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心),2021.

[2]蔡建平,廖佳华,陈洁等.海洋地磁场矢量测量仪支撑装置结构设计与有限元分析[J].机械设计,2020,37(07):124-131.

[3]赵塔. 海域环境下铁磁性载体地磁场矢量差分检测方法研究[D].吉林大学,2016.

作者简介：孙晓东（1985.10-），男，汉族，山东省烟台市海阳人，职称：助理工程师；学历：大专；工作单位：海阳千里岩岛海洋生态系统省级自然保护区管理服务中心；研究方向：海域和海岛监测