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(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(tǒng)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(shù)據(jù)庫，那么艦船在航行的過程中就可以根據(jù)當?shù)氐牡卮艌鲋祦磉M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?shù)氐牡乩順嬙斓戎T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(tǒng)的電流調(diào)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(tǒng)進行跨緯度調(diào)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(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(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 性能標準

　　最后經(jīng)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(tǒng)功能實現(xiàn)原理（除圖片外需有文字介紹）

　　磁傳感數(shù)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(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(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）式右側各參數(shù)都是已知的，不妨設 ，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點處的實際地磁場信息。

　　3.3系統(tǒng)軟件架構

　　軟件架構圖

　　上圖即為軟件構架圖。首先要進行系統(tǒng)的初始化，在每次斷電后重新啟動或者復位后進行。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行模數(shù)轉換，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)學模型進行實時分析處理。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)，進行第2次計算。上圖為程序運行流程圖。