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(jìn)行地磁場測量的構(gòu)想，解決了在任意的艦船姿態(tài)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(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，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)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(jī)

　　“測地磁消艦磁”是艦載消磁系統(tǒng)所采用的消磁方法，如果能預(yù)先測量出艦船航行海域的地磁場值并建立數(shù)據(jù)庫，那么艦船在航行的過程中就可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡卮艌鲋祦磉M(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(shù)據(jù)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(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)致了全球地磁場模型和局部地磁場模型都不能及時準(zhǔn)確地描述海洋地磁場。因此，用于艦載消磁系統(tǒng)的電流調(diào)整時造成的誤差比較大。為了更準(zhǔn)確地獲得海洋上特定地點的地磁場值，可以在海洋上進(jìn)行實地測量。

　　目前在海洋上進(jìn)行的磁場測量主要是獲得磁場總量，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。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(jìn)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(fù)雜的磁場值，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軸陀螺儀來測量艦船的3個姿態(tài)角，再通過數(shù)學(xué)建模的方法，從一個復(fù)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(jīng)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?qū)崟r檢測海面上的溫度和氣壓，并輸出。

　　2.2 性能標(biāo)準(zhǔn)

　　最后經(jīng)過軟件計算結(jié)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(shè)計

　　3.1 系統(tǒng)功能實現(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(yīng)磁化系數(shù)矩陣； 分別為地磁場水平分量和垂直分量；A為任意姿態(tài)下測量船坐標(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(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`` 的求解

　　3.A矩陣的變換形式

　　對于任意的艦船姿態(tài)，都同時包含了艦船的橫搖、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)的時刻，順序經(jīng)歷了航向、縱搖和橫搖改變的3個獨立階段后形成的。亦即艦船在第一時刻只發(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個矩陣 相乘的形式，即 ，其中：

　　4.磁場3分量獲得

　　對于任意航向上、任意測量船姿態(tài)下，磁傳感器處獲得的磁場值為：

　　 （2）

　　對于具體某一條測量船來說，其K矩陣和固定干擾 一旦測出就是一個不變量，而磁場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、任意航向下地磁場在艦船坐標(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，并計算得出需要的結(jié)果。該系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成：微處理器模塊、傳感器模塊、電源模塊和檢測量輸出模塊，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個陀螺儀，一個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)艦船在海上實地測量時，隨著艦船姿態(tài)的改變，陀螺儀實時檢測到姿態(tài)角的信息，同時艦船所在坐標(biāo)點的三分量磁場被地磁模塊實時檢測到，信息經(jīng)過處理器，最終可以得到該坐標(biāo)點處的實際地磁場信息。

　　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或者復(fù)位后進(jìn)行。傳感器模塊感知外部信息量，其中對陀螺儀檢測到的信號還要進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，隨之將采集到的兩組數(shù)據(jù)存儲于處理器內(nèi)，根據(jù)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行實時分析處理。最后將各感知的初始信號與經(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，程序再次運行至采集引腳輸出數(shù)據(jù)，進(jìn)行第2次計算。上圖為程序運行流程圖。