（机械设计及理论专业论文）地磁信号检测系统设计及误差补偿研究.pdf

硕士论文地磁信号检测系统设计及误差补偿研究 摘要 川| l l f l f l l l l i | l i i f l i l l i | i | l | | f i i i 0 y 1918 913 地磁场是地球物理场，与地理位置是一一对应的。地磁导航就是利用地磁信号的特 征量，结合一定的匹配算法实现定位的一种导航方式，它作为一种无源自主导航方法， 具有抗干扰能力强、全天候、精度适中的优点，是国内外学者近年来研究的热点。 获得高精度、实时的地磁信号是地磁导航技术成功的前提之一，它关系到后续工作 的成败。为了获得高精度、实时的地磁信号，本文在研究地磁信号的组成及特点的基础 上，构建了基于磁阻传感器和单片机的地磁信号采集系统，并通过串口实现地磁信号采 集系统与上位机之间的通信，在v b 6 0 环境下，利用通信控件m s c o 衄编写数据存储 界面，存储地磁信号。 在m a t i a b 环境下，通过小波分析去除地磁信号中的噪声并重构地磁信号。在此 基础上，本文研究了三轴磁阻传感器的灵敏度误差、非正交误差以及零点漂移误差，并 建立了误差参数模型，根据工程优化设计思想建立误差参数的目标优化函数，应用坐标 变换法获得最优误差补偿参数。 本文利用最优误差补偿参数修正小波分析处理后的地磁信号，使其标准差从 1 2 1 0 审g s 降低至03 7 1 0 珥g s 。 本文的研究表明，通过对实际磁测数据进行误差补偿可以有效提高地磁信号的精度 和稳定性，修正地磁信号，为地磁导航成功实现打下了基础。 关键字：地磁信号，采集，存储，小波分析，误差补偿 a b s 廿a c t 硕士论文 a b s t r a c t e a 劬sg e o m a 印砸cf i e l di sak i 】咂o fg e o p h y s i c a lf i e l 也a n di ti so n e 勘- o n ec 0 鹏s p o n d e n c e 、) l ，i m g e 0 铲a p h i c a lp o s i t i o 也g e o m a 朗e t i cn a v i g a t i o ni s ak i i l do fm v i g 狁m e t l l o dw m c h m a k e su s eo ft h ec h a r a 曲斑s t i cq m 眦i 够o fm a g n e t i cs i 舒融，c o m b i l 血培诵t hac e n a i i i l m t c g a l g o 疵h mt 0 缸m eo r i e n t a l i o 玛a n di ta c t s 鹊ap a s s i v ea u t o n o m o u sn a v i g 撕o n m “h o dh 讹g a d v a r l ：t a g e so fh i g h 枷- 血e r f - e r e n c ea b i l i t y a l l - w e a 也c r 缸dm o d e r a t ea c c u r a c y ， 觚dd o m e s t i c 锄d 缸e m a l i o n a 】s c h o l a rsh a v ed o n em u c hr e s e a r c h0 ni ti nr e c e n ty e a r s a c q u i 血gh i g h p r e c i s i o 玛r e a l “吸l eg e o m a g n e t i cs i 伊a l l i so n eo f 也ep r e r e q u i s i t e sf o r s u c 揽s s 丘l lg e o m a 雩皿e t i c 舶v i g a t i o nt e c h i l o l o g y ，a n di ti sr e l a t e dw i t l lm es u c c e s s0 f 也e f o l l o w - u pm a ：c t e r s i i lo r d e rt 0o b t a j i lh i g h p r e c i s i o 玛r e a l - t i m eg e o m a 霉1 e t i cs i 印越，b 懿e do n m l d y 证g 吐地c o m p o s i t i o na n df e a 白聪so fe a n h sg e o m a 驴e t i cf i e l 也仳s 吐i c s i sb u i l t 距 g e o m a 四面cs i 印a la c q u i s i t i o ns y s t e mb 嬲e d 0 nm a 印e t o r e s i s t i v es e i l s o r 觚dm c u ，a c h i e v c d t 1 1 ec o l 功【n t m i c a t i o nb i i t w e e ng e o m a 印e t i cs i 粤1 a la c q i l i s i t i o ns y s t 锄戳l dm eh o s tc o m p u t e r 也r o l l g h 吐l es e r i a lp o r ta n dw r o t ea 纰咖r a g e 证t e r f 配eo n 血eh 0 s tc o m p m e rt os t o 她 g e o m a g n 砸cs i 弘a l sma ：k i n gl l s eo fc o 衄戚c 撕o nc 0 曲的lm s c o i 姗i n 也ee n v i r o 姗e n to f v b 6 o 一 1 1 1t l l ee n v h d n m e n to fm a r l a b ，r e m o v e dn o i s ei i l 廿1 eg e o m a g n e t i cs i 鲫m sm r o u 曲w a v e l e t a n a l y s i sa i l dr e c o n s t r u c t e dg e o m 姆l e t i cs i 孕1 a l s o n 也i sb a s i s ，t h i st h e s i s 删e ds e i l s i t i v 时 e 盯i d r ，n o n 吣r c l l o g 伽m 如0 ra n dz e r o 拙r e r r 0 i ra b o u t 廿l 】嗽：- a x i sm a g n 咖r e s i s t i v es e i l s o r ，b u i l t a ne 仃o rp 戤l i n e t e rm o d e l ，砒na no b j e c t i v eo p t i 血z a l i o n 缸：1 嘶o n sa b o u te 玎o rp 娥眦e t e r0 n t h eb a s i so fe n 咖e e 血l go p t i 功娩a t i o nd e s i 乒i d e aa n da c q u i r e dt h e0 p t i m a l 咖rc o m p e n s a t i o n p a r a m e t e r s 也r o u 曲c 0 0 r d 抽a t e 咖f o r m a t i o nm e t l l o d t h i s 也e s i sr e 、r i s e dg e o m 姆1 e t i cs i 盟a l sp 】的c e s s e db yw a v e l e ta i l a l l y s i sm 蚰培u s eo f 也e o p t 删e 盯o rc o m p e n s a t i o np 龇锄e t e r s ，北d u c i i l gs t a n 埘d e v i a t i o no fg c o m a 印砸cs i 弘a l s 筋m1 2 1 0 3 g st 03 7 1 0 4 岱 ：r e s e a r c hi i l 也i s 也e s i ss h o w st h a td o i n ge n o rc o r n p e n s a t i o nf o r 也ea 阻lm a g n e t i cd a t ai s a b l et o e 丘e c t i v e l yr a i s em ep c i s i o na n ds t a b i l i 锣o f 答的m a 毛乒l e t i cs i 伊l a j s 戤1 dr e 、，i s e g e o 勰印曲cs i 印a l s ，l a y i n gaf o 喇o nf 0 r 也es u c c e s s 烈a c l l i e v e m e n to fg e o ma _ 酣i c n a v i g a i t i o n k e yw b 啊s ：c 论i o m a 驴舐cs i g 嘣， a c q u i s i t i o 坞s t o r a g e ，w 打e l c t 加1 a l y s i s ，e 玎0 r c o m p e n s a t i o n 硕士论文地磁信号检测系统设计及误差补偿研究 l 绪论 1 1 选题背景及意义 2 1 世纪是知识经济时代，知识是经济发展的强大动力和推动力量，2 1 世纪也是信 息时代，以信息技术为中心的高新技术在各个领域得到广泛应用。世界多极化和经济全 球化成为世界的主要格局，和平与发展成为时代发展的主题，即便如此，影响世界和平 发展的不确定因素仍然长期存在。 世界多极化发展使全球大规模战争不再成为可能，但区域性和小规模战争从未停 息，世界历史遗留问题并没有得到实质性进展。国际形势风云变幻，因此作为对未知风 险的准备，高新技术武器的发展是很有必要的。未来战争将以信息化战争为主要形式， 战场向地面、空中、海洋等多维空间发展。精确打击是未来武器发展方向，配有导航系 统的武器装备便成为各个国家竞相发展的首个选择，导航武器能够提高武器装备的机动 性能、精确度和杀伤力。 所谓导航，指导航系统通过某一种导航方式不断测定某一种设备与目标设备之间的 相对位置关系，并根据相对位置信息发出控制信号，使设备按照一定的轨道到达目标设 备。地磁场是地球的基本物理场，直接影响着该系统中一切运动的带电物体或带磁物体 的运动学特性【l 】。地磁导航是众多导航方式中的一种，它是一种无源自主导航方法，具 有抗干扰能力强，全天候的优点和精度适中的特点，是国内外近年来研究的热点。 地球磁场是地球天然场，是地理位置的函数，和地球经纬度是一一对应的，因此， 严格来讲，通过地球磁场，可以实现任意位置的定位。地磁导航技术需要解决以下问题： 高精度地磁模型和地磁图以及地磁导航匹配算法。 地磁模型是地磁场的数学描述，是地磁研究的重要课题【2 】。地磁模型主要有全球地 磁场模型和区域地磁场模型【3 j ，全球地磁场模型是对全球地磁场的描述，全球地磁场模 型是在高斯将球谐分析方法引进地磁学之后建立的【4 】。区域地磁场模型，主要针对一个 地区或国家的地磁模型，区域地磁场模型研究方法主要有泰勒多项式模型、矩谐模型、 冠谐模型和曲面样条函数模型【5 】，这些模型现在仍然在发展，国际上并没有给出统一的 标准。 如何获得高精度的地磁图同样是提高地磁导航匹配精度的关键技术之一网。和地磁 模型相对应，地磁图也分为基于全球磁场的地磁图以及基于区域磁场的地磁图。区域地 磁图主要是利用测量数据和区域地磁场模型制作的。由于瞬时磁场的存在、边界效应的 影响以及地磁台站分布不合理，现在地磁图精度普遍不是很高，制约了地磁导航技术的 发展。 地磁信号小波分析，通过小波分析去除地磁信号高频噪声信号，还原真实的地磁信 1 1 绪论硕士论文 号。小波分析是目前国际上公认的最新时域和频域分析方法，与傅立叶变换、窗口傅里 叶变换不同，小波变换是对时间域和频率域的局部变换，能详细显示信号变化特点，能 够有效的从信号中提取有用信息，并通过伸缩和平移等运算功能对函数或信号进行多尺 度细化分析，被称为“数学显微镜 1 7 j 。 地磁导航另外一个重要问题是实时地磁信号的误差补偿和处理。分析了常见的三轴 磁阻传感器测量地磁信号误差来源及补偿方式。理想情况下，三轴磁阻传感器是严格正 交的，但是由于受加工工艺和安装工艺水平的限制，实际使用中的三轴磁阻传感器的三 个测量轴并不是严格正交的【8 j ；三个轴的灵敏度及其电气性能也不可能完全相同；此外， 零点漂移的存在，内部剩磁影响，使三轴磁阻传感器实际输出值与真实值之间存在一定 误差，而且测量过程中不可避免会引入其他噪声信号，最终制约了地磁导航精度的提高。 地磁信号误差可以通过一定的算法加以补偿，也可以通过小波分析方法进行相应的处 理。 随着地磁理论逐渐完善，地磁传感器逐步发展，微处理器、匹配导航算法以及信号 处理技术的日趋成熟，不久的将来，地磁导航将会取得更大的成功。 1 2 国外地磁导航的发展概述 随着对全球导航卫星系统( g n s s ) 可靠性要求越来越高，一些学者积极寻求新的 导航方式，各国学者开始更多关注地磁导航。地磁导航定位技术与地形导航定位技术基 本相同，主要依靠不同位置具有不同的磁场强度，理论上说，只要已知某个位置的磁场 信息，就可以实现任意位置的定位。 1 2 1 动物远行地磁导航雏形 国外地磁导航是从研究动物( 鸟类、海龟、鸽子等) 长途远行并且可以准确返回出 发地点的现象开始【9 】。这些动物可以运动到完全不熟悉地方并成功返回，而且返回过程 中并不参照熟悉标志物、目的地散发出的特殊气味和运动过程方位信息【l o 】。 呦e r 证明无论是航海、航空或航行都需要两个条件【1 1 】：一是测量方向装置，用 来确定方向；另一个是测量位置装置，用来确定位置。随后研究表明有脊椎( 禽兽、鱼 类等) 动物就拥有“罗盘指向装置”【1 2 1 ，鸟类自身的自由基对充当“罗盘指向装置作 用【1 3 】。但在黑夜里，鸟类飞行却不是依靠自由基对而是利用一种铁磁性物质( f e 2 0 3 ) 【1 4 1 ， 正是通过这种物质获得地磁信号的。hm o 证t s e n 综合以上两种观点，得出结论【l5 j ：鸟 类实现地磁信息导航具有两种方式：一，依靠自由基对；二，依靠铁磁性物质，通过这 两种方式获得地磁信号，进而实现目标位置的定位。hm o 面t s e n 还证明了自由基对主 要出现在鸟类的眼睛里，铁磁性物质主要出现在鸟类的嘴和头里。 2 硕士论文 地磁信号检测系统设计及误差补偿研究 ph c l l i 等对海龟远游1 1 6 】现象做了研究，都证明了动物可以利用地磁信息进行导航。 一些学者甚至发现地磁场瞬时变化、地表不规则可以使鸽子在利用磁场梯度确定归途位 置时出现较大误差，最终使鸽子无法顺利归途旧。r o d d a 还发现动物年龄对地磁导航也 有影响，幼年短吻鳄( a l l 逸a t o r ) 更多的需要依靠行动路线返巢，而成年短吻鳄却可以 在行动路线被破坏的情况下返巢，成年短吻鳄能够更好利用地磁信息【l 引。而且成年短吻 鳄能够感受磁倾角或磁场强度垂直分量变化，但幼年短吻鳄却无法识别。 鸟类通过自由基对获得地磁信号，而自由基对主要来自鸟的眼睛，也就是说地磁信 号可以影响鸟的视觉系统【1 9 1 ，f r a n zt h o s s 据此研究地磁信号对人类视觉系统的影响，发 现地磁场通过影响光线敏感度，进而影响人类的视觉系统l 2 0 j 。 对动物远航的研究，促进了地磁导航的发展，一些学者开始提出导航地图的猜想， 并提出了自然气味、地磁场、地球重力场等作为导航资源的假设。 总的来说，在动物学家对动物远航机制的探索过程中，引起了其他方面的学者对地 磁导航的研究兴趣，他们开始寻求将地磁导航应用到其他方面的途径。动物远行为地磁 导航产生和发展起到了促进作用，这里将动物远行作为地磁导航的雏形。 1 2 2 地磁图和地磁场模型 地磁图和地磁模型是描述或逼近地球磁场的主要手段。地磁场是全球性的、三维空 间场，定义在地球内部和近地空间中每一点上。提出全球地磁场模型一个组织是国际地 磁与超高层大气物理学协会【2 1 1 ( 队g a ) ，1 9 6 5 年，卡安等人利用实测地磁场数据，推算 出了第一代国际地磁场参考模型( i g i u ) ，该模型于1 9 6 8 年被队g a 采纳。以后，队g a 每5 年对i g r f 模型做一次修正，最新的是i g i 强1 0 田】。国际上另一个重要的主磁场模 型由英国地质调查局( b g s ) 和美国地质调查局s g s ) 联合制作的世界地磁场模型 ( w m m ) ，该模型也是每5 年修正一次，目前最新的模型是w m m 2 0 0 5 团j 。其中，i g i 强 是队g a 和其他一些同类机构所用参考模型，而叭n 压则是美国和英国军事和民用导航 系统的标准模型。 地磁图是依据获得的磁场变化数据制作而成，具有预测性。地磁数据主要包括两方 面：卫星磁测和地面观测站磁测。这两方面数据互相补充，卫星数据提供了一个良好的 空间覆盖面，但在时间跨度上数据少；地面观测站可以大量连续获得数据，但位置上受 到限制。全球地磁图表主要体现低频( 长波) 谐波部分，并不适合定位，因为丢失了高 频细节部分，正是这些高频细节部分体现位置独一性。除了全球地磁场模型和地磁图之 外，各个国家也积极研究适合自己本国的地磁场模型以及绘制本国的地磁图，1 9 7 4 1 9 7 6 年，俄国设计公司r a m e i l s k o y e 的m a q 妊t 项目试验成功，针对莫斯科西南部大约长 3 0 0 千米宽5 0 千米长的区域绘制地磁图，包括库尔斯克地磁异常场，并计算海拔8 千米 3 1 绪论 硕士论文 处地磁场强度。 1 2 3 地磁信号小波分析 地磁信号通常是非平稳信号，不仅含有瞬变信号，如磁暴和脉动，同时可能含有平 稳白噪声。这些瞬变信号以及平稳白噪声通常都表现为高频形式，高频信号除了含有噪 声无用成分外，还含有一些重要的信息。小波分析是近年来最新的时频分析方法，它具 有良好的时频局部化性质和多分辨率分析特性，小波分析有连续小波变换、离散小波 分析和小波包分析三种，针对小波分析优势和地磁信号特点，通过小波分析对地磁信号 处理可以得到更多有用信息。o 幽咀m e n d e sj r 应用离散小波变换，分析了美国的地磁场 数据，成功地发现在洛马普普里埃塔地震发生前2 天5 小时，出现了持续大概1 0 分钟 的地磁脉动现象【2 4 1 。o d 妇m e n d e sj r 等还对五个地磁台站的数据运用d a u b e c l l i e s 小波三 层分解，发现了地磁场水平分量出现不连续的现象，后经确定发生了磁暴干扰。d a i l i e lo t r a d 提出用小波分析方法对大地电磁信号分析，与传统的单点法和远程参考法相比，没 有任何限制，通过奇异值分析，发现了信号中的缺陷点【2 5 】。小波分析主要通过对信号多 尺度分解，同时显示时域信息和频域信息，实现特征信号的定位，进而对含有噪声的地 磁信号进行处理，去除或降低噪声，通过信号重构还原真实信号，提高信号的信噪比。 1 2 4 地磁导航具体应用状况 g o l d e n b e r gf 分析了各种导航的优缺点网：地图匹配导航限制了飞行器飞行高度， 而且对海洋和森林非常敏感。惯性导航存在以下缺点：导航所依赖的定位信息是通过积 分获得的，随着时间的增加，定位误差会越来越大；初始对准时间较长，机动性较差。 无线电导航装置( 基于地面和基于空间) 要保证无线电波发射装置始终对准目标，很容 易遭到敌方反辐射导弹攻击，制约了无线电导航技术的发展。1 9 9 3 年，美国发明g p s ， 利用g p s 导航能够在飞行过程中连续更新目标位置信息，降低了对惯性传感器的要求， 使得复合导航系统的应用得以实现。 2 0 世纪6 0 年代，美国海军利用1 0 c k h e e dp 3 设备在测试海域获得地磁异常值【2 7 】， 验证了地磁信号应用于水中导航( m a g c o m ) 的可能性。2 0 世纪8 0 年代，瑞典开始 对地磁导航技术进行研究，l u n d 技术学院利用地磁异常场以及自相关算法对海上目标 进行测速定位，并进行了试验【2 酊。1 9 9 6 年德国m a t 衄a l s w i e g a n d 【2 9 】针对b r e m - s a t 卫 星的磁测数据，同时考虑系统知识、动态测量、噪声误差以及初始条件，利用扩展卡尔 曼滤波算法，估计低轨道卫星的位置姿态，仿真实验结果表明满足低轨道卫星精度需求。 1 9 9 9 年美国m a r kl p s i 凼利用磁强计和太阳敏感器测量数据，通过一组滤波器构成低 4 硕士论文地磁信号检测系统设计及误差补偿研究 成本、中等精度卫星定轨系统【3 0 】，该系统通过最小化磁场矢量、太阳矢量夹角余弦以及 磁场强度测得值和估计值之间的平方差，在给定磁强计和太阳敏感器精度情况下可以获 得5 0 0 m 的定位精度。美国生产的波音飞机上配备了地磁匹配导航系统，在飞机起飞降 落时使用【3 。2 0 0 4 年俄罗斯试射s s 1 9 导弹，该导弹在大气层中不按照抛物线飞行，具 有更高的攻击能力【3 2 】。军事专家评论，该导弹可能就是利用地磁等高线完成导航。除了 军事的研究，还有关于地磁场和气候之间联系的研究【3 3 】以及惯性导航与地磁导航组合用 于水下航行器的研究t 列。 地磁导航是最新发展起来的导航定位技术，从国外地磁导航报道来看，即使在发达 国家，地磁导航只能达到中等定位精度，而且在军事上并没有正规报道。一方面，定位 精度限制了地磁导航的大规模应用；另一方面，地磁导航并没有突破性进展，说明地磁 导航具有重大研究意义。 1 3 国内地磁导航的发展概述 地磁导航在中国了得到最早的应用，战国时代应用天然磁铁磨成指南针，吉时称为 “司南 ，后来司南被应用到中国古代的航海上，使中国古代的航海技术一直处于世界 领先地位。宋代沈括在梦溪笔谈中谈到了磁倾角，而后来哥伦布远航发现新大陆的 过程，则证实了地磁偏角的存在。 1 3 1 区域地磁场模型和地磁图 全球地磁场模型通常采用球谐分析方法，而针对一个国家的区域地磁场模型，球谐 分析方法便不再适用，而更多的采用区域地磁场模型。区域地磁场模型主要有泰勒多项 式模型、矩谐模型、冠谐模型、曲面样条模型等【3 5 1 。 泰勒多项式模型【3 6 】得到了最广泛应用。泰勒多项式【3 7 】具有如下的数学模型： 万 f = 如( a 日。) ( 九一九) ( 1 1 ) 玎= o m = 0 式中，地磁测点的测量值( 代表地磁要素任意量) 么嗍为泰勒多项式系数，为泰 勒多项式的截断阶数；p 和a 分别为地磁测点的纬度和经度，单位为弧度；岛和知分别 为泰勒多项式展开原点的纬度和经度，单位为弧度。泰勒多项式系数总共是( + 1 ) ( + 2 ) 2 。实际应用中，通常是根据地磁测量数据运用最小二乘法求解泰勒多项式系别3 8 1 。 泰勒多项式拟合法优点简便易行，但不满足位势理论【3 叼要求。 曲面样条模型【4 0 】： 嗽力= + q x + 哕+ 露2 地2 + 0 f - l ( 】2 ) 1 绪论 硕士论文 式中：附表示坐标( 训) 处的地磁场，：2 = ( x 2 一# ) + 0 2 一费) ，为控制曲面 变化率的小量，口o 、口l 、口2 、e 为待定系数。 球冠谐方法更多的用来分析地磁异常场，地磁异常场定义为地磁观测值减去i g r f 中对应值，所剩余的磁场【4 1 1 。球冠谐模型：在球冠坐标系下，地磁异常场( 饯e 啕可 以表示为： 崩= 喜寥岬簖o o s 础+ 彬血，枷竽七= o 胙= 0 ， “v 世= 专艺魄+ 蛙) 嚷雠o o s 袱+ 馏s i n 州嵫嘲o ) k = q 昨由 z = 争争芒) 傀饼啷从+ 馏血删璺竺堕竺 等= 荟蓼) 傀簖0 0 s 从+ 馏血删墨铲 3 ) 七= o ，卸， v ，1 、 式中么和a 分别是球冠坐标系中的经度和纬度，口是地球的参考半径，是离开地 心径向距离，尸卿) ( c o s 回是非整数阶以聊) 和整数次聊的s c h i n i d t 缔合l e g e r 妣函数。 舣代表冠谐分析中最大截断阶数。矿和舻是冠谐系数，由国际地磁和高空物理协会 ( 认g a ) 发布，发布周期5 年一次。球冠分析法优点是满足位势理论，但计算量很大， 容易出现错误。 如何选择区域地磁场模型计算方法，安振昌提出了选择计算方法六点判据、解决区 域地磁场边界效应的两条途径以及确定区域地磁场模型截断阶数的两条判据【4 2 】，为更好 选择区域地磁场模型计算方法和获得更高精度区域地磁模型提供了依据。 对于地磁场模型的边界效应问题，采用边界插值约束的t a 姐0 r 多项式拟合法，与 传统补充国际地磁参考场值相比，精度更高，能有效改善区域地磁场建模中的边界效应 问题【4 3 1 。 区域地磁场模型主要问题是精度问题，误差主要有以下一些方面：边界效应、截断 阶数、模型自身误差和测量数据误差。 1 3 2 地磁信号小波分析 地磁信号小波分析，主要是消噪处理，去除地磁信号含有的噪声信号，再通过多分 辨率分析获得其他相关的更重要的信息。 胡海滨等利用地磁扰动信号三个正交分量之间的相关性，通过小波分析，实现了地 磁扰动背景场下弱磁目标信号的提取】，通过仿真，取得了较好的效果。但是地磁场三 个正交分量之间的相关性在扰动干扰下是否可靠以及原因，作者并没有给出严格说明。 刘向红等对某一段含噪地磁场信号分别使用小波变换和傅里叶变换消噪处理，结果显示 6 硕士论文地磁信号检测系统设计及误差补偿研究 小波变换效果明显优于傅里叶变换【4 5 】，主要是因为小波分析具有局部化思想，可以去除 高频噪声的同时保留高频有用信号，保持信号完整性。 小波分析，简单的说，就是把信号分解在不同的时频段，从而获得信号的详细的特 征信息，既含有时域里的信息，同时也含有频域离得信号。本文主要利用m a u a b 小波工 具箱分析地磁数据，去除环境噪声，重构地磁信号。 1 3 3 三轴磁阻传感器误差补偿 本文选择磁阻传感器作为地磁敏感器件，由霍尼韦尔公司产品蹦c 1 0 2 l 和 阳c 1 0 2 2 组合构成三轴磁阻传感器敏感地磁场三个正交分量。三轴磁阻传感器测量误 差将对区域地磁场模型和地磁图产生影响，进而影响导航匹配精度，因此对本文相关的 三轴磁阻传感器作误差分析，寻求磁阻传感器误差补偿方法便十分重要。三轴磁阻传感 器本身的误差来源主要有三轴磁阻传感器灵敏度系数不一致引起的误差，三个轴相互不 严格正交引起的误差以及零点漂移引起的误差。林雪原等针对磁传感器测量航向中存在 罗差，提出了七参数八位置m 】误差补偿方法，实验验证误差维持在士0 5 。之内，而采取 的磁航向误差补偿算法，误差却高达1 5 。，远远达不到使用要求。从中可以看出该误差 补偿方法大大提高了测量精度，但计算过程中，存在参数多，计算复杂的缺点。 针对三轴磁阻传感器并不严格正交引起测量误差，胡海滨等提出了一种共轭次梯度 法【4 。7 】的修正算法，仿真结果精度高于o 1 。，当三轴偏差不是很大时，进一步改进算法， 不但大大减少了计算量，而且对测量精度并没有太大影响。林春生等综合考虑了三轴磁 阻传感器三个轴不正交、三个轴的灵敏度不一致以及零点漂移【4 8 】三方面对测量结果的影 响，但在实验时，仅仅是对某一个实际传感器进行验证，并没有普遍应用意义，而且在 计算过程中，做了过多的假设，实际上等于并没有综合考虑三个方面的影响。朱昀和董 大华综合考虑了三轴磁阻传感器三轴不正交、放大倍数不等、零点漂移的影响，并给出 了详细推算过程；考虑零点漂移影响提出的双自适应l m s 算法是一次成功的尝试，取 得比较好仿真效果，并对实测数据验证，匹配效果良好【4 9 j 。 综合起来可以看出，三轴磁阻传感器在实际测量过程中，误差不可避免。误差主要 来自于以下方面：三轴磁阻传感器的三个轴不正交、三个轴的灵敏度系数不一致、零点 漂移、载体晃动以及外界噪声带来的误差。实际操作中可以对误差均一化处理，抓住主 要误差源，进行假设和简化，使问题更易解决。 1 3 4 地磁导航具体应用状况 地磁导航在国内研究主要是用于近地卫星定轨【5 0 1 。近地卫星是指轨道半径小于1o o o 千米运行的卫星【5 1 1 ，在这样的位置可以利用地壳磁场获得定位信息，定位精度满足自主 导航要求。国内对地磁导航另一个研究熟点是地磁匹配制导以及相关匹配算法研究，匹 配精度受地磁场模型精度、地磁图精度、地磁信号传感器测量精度、匹配算法精度等的 7 l 绪论硕士论文 i 影响。 1 4 本文主要研究内容 地磁导航涉及很多关键问题，本文仅仅是地磁导航技术很小的一部分，首先是地磁 信号的获取和存储，然后就获得的地磁信号小波分析，去除地磁干扰，进而对地磁信号 进行误差补偿，还原真实地磁信号。全文共分为七章，每一章主要内容及解决主要问题 如下： 第一章绪论 从总体论述了地磁导航研究现状以及前人研究成果。从课题选题背景入手，简要论 述了地磁导航系统相关技术：地磁图、地磁模型、地磁信号小波分析以及地磁信号误差 补偿，国外地磁导航的发展从动物远行地磁导航雏形、地磁图和地磁场模型、地磁信 号小波分析以及地磁导航具体应用状况四个方面作了相关介绍；国内地磁导航的发展从 区域地磁图和地磁场模型、地磁信号小波分析、三轴磁阻传感器误差补偿以及地磁导航 具体应用状况四个方面作了相关介绍；并从整体上介绍了本文章节安排、本文整体结构 安排以及对绪论的总结。 第二章地磁场基本知识 这一章主要介绍地球磁场的基础知识，从地磁磁场及其特点、地磁场组成及其形成 原因以及地磁场解析模式三个方面展开。地球磁场及其特点介绍地磁要素以及地磁要素 之间的关系，地磁场组成及形成原因介绍地磁场各部分组成及其特点以及形成原因，地 磁场解析模式介绍了地磁场近似表示方法，国际地磁参考场模型以及偶极子模型，给出 了他们的函数表达式。 第三章地磁信号检测系统设计 地磁检测系统是获取地磁信号的硬件电路。本文设计了基于磁阻传感器州c 1 0 2 l 和瑚c 1 0 2 2 和单片机c 8 0 5 l f 4 1 0 的地磁检测系统。地磁检测系统的响应速度以及检测 精度的高低是地磁匹配导航定位技术成功的前提，因而研究高精度地磁检测系统意义重 大。在这部分内容中主要从总体设计入手，设计地磁信号采集系统总体框图，然后按照 此框图按部就班的选择器件，绘制各部分硬件电路，制作p c b 板，并实现硬件电路调 试，除此之外还要编写下位机的软件程序。 第四章数据采集软件设计 本文并不是从整体上介绍地磁导航系统知识，只是对地磁导航系统中如何获得高精 度地磁信号作研究，主要工作是地磁信号采集以及信号处理，因此信号处理通过p c 机 实现，据此设计了基于v b 6 o 的数据采集界面。本文利用响d o w s 通信控件m s c o m m 结合v b 6 0 ，设计了一个简单的数据接收存储界面，实现地磁信号检测系统与p c 机通 信，由p c 机存储地磁信号，方便对信号作进一步处理。 2 硕士论文 地磁信号检测系统设计及误差补偿研究 第五章地磁信号小波分析 地磁信号是微弱信号，很容易受到外部环境的干扰。小波分析是最新的时频分析方 法，本文就对第四章所接收的地磁信号作小波分析，通过命令行格式对地磁信号初步去 噪，并与m a t la b 可视化模块分析的结果作比较，m a t i a b 可视化模块效果更好，更 直观，更方便。 第六章地磁信号误差补偿 地磁信号是通过卸c 1 0 2 1 和h m c l 0 2 2 构成的三轴磁阻传感器获得，地磁信号三 分量是严格正交的，但是实际三轴磁阻传感器由于工艺水平限制，造成三个轴的灵敏度 不一致；安装和焊接变形造成三个轴并不是严格正交：还有磁阻传感器内部剩磁和周围 环境影响造成零点漂移。本文在分析误差原因的基础上，建立误差参数模型，并通过坐 标轮换法获得最优参数，进而小波分析后的信号作误差补偿，降低了地磁信号的标准差。 第七章总结与展望 总结了本文的主要内容以及取得的成果和结论：展望了本文的不足以及未来的改进 方式。 本文总体结构如图1 1 所示。 引出研究内容： 第一章绪论 研究内容基础知识： 第二章地磁场基础知识 信号采集：第三耄地磁 信号检测系统设计 信号存储：第四章数据 采集界面设计 初步去噪第五章地磁 信号小波分析 进一步误差补偿第六耄 地磁信号误差补偿 总结第七章 总结与展望 图1 1 文章整体结构 9 1 绪论硕士论文 1 5 本章小结 本章是本文的绪论部分，是全文内容的简要介绍，从选题背景出发，分析了该课题 在科学上的研究意义。并通过搜集国内外相关文献，了解该课题在国内外的研究现状， 并在此基础上提出本文的研究内容，主要包括四部分内容，地磁信号检测系统设计、地 磁信号存储、地磁信号小波分析以及地磁信号误差补偿这四部分内容是承上启下，相辅 相成。 1 0 硕士论文地磁信号检测系统设计及误差补偿研究 2 地磁场基本知识 2 1 地球磁场及其特点 地球磁场是矢量场，描述地磁场可以通过地球磁场总强度、磁偏角以及磁倾角来表 示。如图2 1 所示： yt 东) 在观测点建立直角坐标系伽，观测点在d 点，与原点处总磁场强度r 所垂直的 面为磁子午面，x 轴沿地理子午线方向，北向为正；】，轴沿纬度方向，东向为正；z 轴 垂直地面，向下为正。总磁场强度r 分别向三个坐标轴投影，x 轴上的投影x 称为北向 强度；r 轴上的投影y 称为东向强度；z 轴上的投影z 称为垂直强度。总磁场强度丁向 肋y 平面投影胁称为水平分量。磁子午面和地理子午面之间的夹角d ，称为磁偏角， 并规定日向东偏，磁偏角为正，向西偏，磁偏角为负。总磁场强度丁与水平面阳】，的 夹角厶称为磁倾角，在北半球，r 指向水平面之下，为正，在南半球，r 指向水平面 之上，为负。以上七个量八从 d 、x 、y 、z 统称为地磁要素，均可以看作矢量【5 2 】。 他们之间具有以下的关系： f 竺= 减。 1 ，= 删吾) ，d = 咖毕) i 爿x p 2 = 日2 + d 2 = x 2 + y 2 + z 2 ( 2 1 ) 从以上关系式也可以看出，知道其中3 个量( 并不是任意3 个量) ，可以求出其他 的量。 地球磁场的各个要素是随着时间不断缓慢变化的，为了解地磁场各个要素随时间变 化的规律及特点，可以在地球表面设立地磁观测站【5 3 1 ，测量地磁要素，绘制地磁要素分 2 地磁场基本知识 硕士论文 布图或时间变化图。这是地磁研究的一个最基本的方法，而且地磁要素图的准确性亦是 地磁导航成功的关键技术。 2 2 地磁场组成及形成原因 2 2 1 地磁场组成 地磁场可以划分为性质不同的两部分：稳定磁场和变化磁场。稳定磁场是地球磁场 的主要组成部分，最大强度大约在5 0 0 0 0 7 0 0 0 0 n t ，可分成起源于地球内部的内源磁场 乃，约占稳定磁场的9 4 ，地球外部的外源磁场兀，约占稳定磁场6 。稳定磁场是地 磁导航应用的主要部分，稳定磁场变化缓慢，适合地磁匹配导航定位【4 1 1 。变化磁场是起 源于地球外部而叠加在地球稳定磁场上的各种短期变化的磁场，约占地磁场的2 q ， 强度5 5 0 0 n t ，也分为内部变化磁场乃，约占变化磁场的1 3 ，地球外部变化磁场疋， 约占变化磁场的2 3 。乃又可以分为偶极子磁场研，大陆磁场和异常磁场死。根据 以上描述，地磁场各组成部分具有以下关系式 5 3 j ： f 丁= 瓦+ 2 i 瓦= 互+ 互 l 丁= z + 【互= + 乙+ 瓦 ( 2 2 ) 表2 1 列出了地球磁场主要成分的基本特点阴。 表2 1 地磁场主要成分及其特点 地磁场 分类 磁场成分场源位置 最大强度( n d 形态特征时间变化特征 千年周期的长期遍变 l 主磁场地球外核 5 0 0 0 一7 0 0 0 偶极子场为主化以及百万年周期的 内 反转 源2局部场 居里点以上的 1 0 0 一1 0 0 0 0很不规则 无 地壳 场 地壳、上地幔 约占外源场的 具有全球性 3感应场质，但许多地 与外源场变化规律大 以及海洋一半致相同。 方变化不规则 近似均匀的外周期4 l o 小时，2 3 4 规则的磁暴磁层 1 5 0 v 5 0 0 场天恢复 外 5 不规则磁暴 电离层和磁层 1 0 m v 2 0 0 全球场，极光 周期5 一1 0 0 分钟 源和亚磁暴带最强 场6 太阳日变化电离层 5 0 2 0 0 全球场 2 4 ，1 2 ，8 小时 近似全球场， 7 脉动 磁层 1 0 1 0 0 准周期，l 3 0 0 秒 极光带最强 1 2 堡主丝壅苎型堡鎏堕塑塑塑坠墅兰墅墨童生堂里型 2 3 地磁场解析模式 2 3 1 地磁场近似表示 将地磁场看成均匀磁化球体如图2 2 所示： 则球面任一点磁位5 2 】为： 图2 2 均匀磁化球体模型 p = 警s 证卢 ( 2 3 ) 式中：夕为磁纬度；，_ 为地球半径；m 为地球磁场磁矩；肋为真空磁导率。 磁场强度为磁位的负梯度，故p 点的磁场强度表示为 丁= 一g r 耐 ( 2 4 ) y 一一塑一一望z ：一丝 弘一言一亩一西 ( 2 5 ) 锻哕 ( 25 ) 按照出：厂咖，咖= r c o s 以，出= 办的关系，其中a 为p 点经度。所以由式( 2 5 ) 可得 卜吾嚣= 器c o s 卢l，却4 石耳 。 卜詈2 等血卢他6 ， l 丹 4 石尼 r ，黼 由式( 2 4 ) 可得磁场总强度为 r ：归而= 研究表明，除个别地方有较大差异外， ( 2 7 ) 上述近似公式变化规律基本与实际相符【5 8 1 ， 1 3 2 地磁场基本知识 硕士论文 因此均匀磁化球体磁场可以作为地磁场的一级近似表述。 2 3 2 国际地磁参考场模型 式( 2 6 ) 和式( 2 7 ) 仅仅是地磁场近似表示，将高斯理论引入地磁场之后便得到 地磁场球谐模型【5 2 】： y = 口) ”1 ( 簖c o s ，z 允+ 砰s i n 献城s 们 一l lm o ， ( 2 8 ) 式中：口为参考球体半径，通常取口= 6 3 7 1 2 k m ；，为参考球体中心至磁场计算点的 距离；曰为自北极算起的余纬度，且0 0 9 ，为磁纬度；a 为自格林尼治向东算起的 经度；矿和 为高斯系数；p ，( c o s 回为刀次脚阶l e 印e d r e 函数。 施密特准归一化聆次所阶l e 鲈e d r e 函数定义为： 力( c o s 9 ) = 南 卜 浆暑 根据位场转换理论，地磁场三正交分量为： d ”+ 朋( c o s 2p 一1 ) 一 d c 0 s 口” ( 2 9 ) 刀，卵o 工= 吾鼍= 喜熹9 神饼c o s 砌+ 贸s 迹蜊和c c o s y = 志鼍= 喜熹9 2 刍) c g 】：| c o s 肌九一醇s 协聊九脯s p ， z = 警皇善薹哆广2 ( 一刀- 1 ) ( 簖c o s m + 砑s i n 砌脯( c o s 们 ( 2 1 0 ) 式( 2 1 0 ) 就是国际地磁场参考模型i g r f ，它是国际地磁和高空物理协会推荐的全球 地磁场模型。 地磁场总强度可以用下式表示 丁= z 2 + y 2 + z 2 ( 2 1 1 ) 式中的球谐系数扩和矿由i g r f 每隔五年发布一次。国际地磁参考场模型是根据 全球磁测资料计算获得的，反映全球地磁场变化情况，不适宜处理区域磁场变化情况。 在分析区域磁场变化情况时，可以将国际地磁场参考模型计算获得的数值作为参考。 2 3 3 偶极子模型 偶极子模型也称径向偶极子模型【5 2 1 ，用一个放置于地球中心并与地轴斜交的中心偶 极子和到中心距离相等的径向偶极子联合表示地磁场分布。偶极子模型为： 矿= 巧r s 缈一乏群 ( 2 1 2 ) 硕士论文地磁信号检测系统设计及误差补偿研究 式中舻嗨p ，皿觚；场为偶极子到地心的距离；够偶极子磁矩；d 为偶极子 到磁场测量点距离声妖r 驴，五) ，驴为测量点所对应的角度；匙地球参考半径。 设邱= ：椰e ，易偶极子余纬度，知偶极子经度。根据式( 2 1 2 ) 可得地磁场三正交分量 为： f 分半岫阳h 咖啦w 】 蚱= 扣竿岫啪w 乃2 每咖一塑学， 泣 以上是一个偶极子产生的磁场，地面上任一点的磁场可以看成多个偶极子产生磁场 叠加，由于偶极子均位于地核界面的里面，这与地磁场主要产生于地球内部的说法吻合， 故偶极子模型能更好说明地磁场的起源，这正是偶极子模型比球谐模型优越的地方【5 2 1 。 假设某一点的观测值为柳、弦、乃，则忍个偶极子在该点叠加，在该点总的磁场为 式( 2 1 4 ) 中的缸f 、蛳、心f 代表每一个分量的理论值与实测值之差。用泰勒级数 将式( 2 1 4 ) 进行展开，并线性化后，有 值。 然后按照图2 3 步骤，得到某一点磁场分量值，按照相同步骤得到更多的磁场分量 4 乞 肼 饼 膨 + + + m 乞 = = = 蚱 乃 圭州圭纠羔一 2( 和 即 和 ，蹦p蹦尸蹦 + + + 而 弗 乙 = = = ， p p 矾 鹏 鹏 笠吗钆一晖一鸭 + + + p p ， 巳 巳 巳 笠鸭啡一哆笠鸭 啄 崛 晦 笠饥一晖笠晖 圭州兰川童一 2 地磁场基本知识硕士论文 2 4 本章小结 给定髟、如和 凡，迭代次数以 上 计挈揣尹 土 计算屿、岛、 眈和凡 手1 l r l ，尸肘- l 公 图2 3 磁场分量计算步骤 本章主要介绍地磁场基本知识，这部分内容是地磁导航技术的前提，主要包括地磁 场各部分组成以及基本特点，并详细介绍了地磁场模型数学表达式，地磁场模型数学表 达式能够近似体现地磁场的分布特征，通过地磁场数学模型可以检验地磁图的大致走 势。 1 6 由 硕士论文 3 地磁信号检测系