捷联式地磁矢量测量技术

庞鸿锋，航天工程大学副教授，主要从事预警探测、磁信息获取与应用、雷达数据处理等方面的教学科研工作。主持及参与国家重大专项、国家自然科学基金、173计划重点项目等科研项目十余项。近年来以第一作者/通信作者发表SCI论文二十余篇，以第一发明人授权国家发明专利4项。曾获全国优秀博士学位论文、全军优秀博士学位论文、全军优秀硕士学位论文。长期担任IEEE Transactions on Industrial Electronics，IEEE Transactions on Industrial Informatics等13个SCI期刊审稿人，担任国家自然科学基金评议专家。

前言

　　地磁场是矢量场，单纯进行总量测量难以获取丰富的磁信息。地磁矢量测量能有效克服标量测量的不足，在地磁导航、磁目标探测、矿物勘探、地质结构分析、地球物理等方面，能提供更丰富的信息，是磁测量技术的发展趋势。

　　目前，在地磁矢量测量研究领域，美国、日本、英国、德国、澳大利亚等发达国家已经走在世界前列，并将该技术成功应用于航空地质勘探、海洋地质结构分析等领域。在国内，地磁矢量测量技术尚处于起步阶段，影响地磁矢量测量技术的推广。

　　笔者对其多年从事地磁矢量测量的研究工作进行了系统的总结，整理撰写成书，可为地磁导航、航空测磁、磁目标探测、地球物理研究、矿产勘探、地质结构分析等应用中的地磁矢量测量，提供理论和方法支持。

　　本书内容安排如下： 第1章介绍地磁矢量测量技术的优势、发展现状，以及相关校正补偿技术研究现状。第2章介绍捷联式地磁矢量测量系统设计与误差机理分析。第3章介绍三轴磁传感器校正方法优化研究。第4章介绍惯导与磁传感器坐标系非对准误差校正。第5章介绍磁干扰分量补偿技术。第6章介绍捷联式地磁矢量测量系统的测试与应用。第7章介绍地磁矢量拓展应用及相关校正补偿研究。第8章对相关内容进行总结与展望。

　　本书对致力于磁信息获取与应用的工程技术人员及研究学者具有较高的参考价值，同时可作为测控技术及仪器、预警探测、地球物理、地质勘探、导航工程等专业领域本科生及研究生的参考书，对从事相关领域工作的科技人员也有较大的参考价值。

　　感谢国防科技大学潘孟春、陈棣湘、张琦、罗诗途、万成彪、李季、朱学军、陈谨飞等磁测量领域的专家与研究者，对笔者多年以来的指导与帮带。

　　感谢航天工程大学曲卫教授、朱卫纲教授等的关怀与帮助，使得本书得以与广大读者见面。

　　感谢军事科学院王沙飞院士，航天科技集团江帆主任、袁仕耿总设计师、孟执中院士，对本书的建议与支持。

　　由于笔者知识储备与水平有限，书中难免存在错误与不足之处，殷切希望广大读者批评指正。

庞鸿锋

2023年1月

目录

第1章绪论

1.1地磁矢量测量的优势与制约因素

1.1.1地磁矢量测量能有效提升武器装备的地磁导航能力

1.1.2地磁矢量测量有望提升磁性目标快速探测能力

1.1.3地磁矢量测量有利于磁异常真值测量

1.1.4地磁矢量测量有利于磁异常信息反演解释

1.1.5捷联式地磁矢量测量系统优势明显

1.1.6校正补偿技术至关重要

1.2地磁矢量测量技术研究现状

1.2.1航空地磁矢量测量技术研究现状

1.2.2陆地地磁矢量测量技术研究现状

1.2.3海洋地磁矢量测量技术研究现状

1.3矢量测量中的误差校正补偿技术研究现状

1.3.1三轴磁传感器误差校正技术研究现状

1.3.2磁干扰补偿技术研究现状

1.3.3非对准误差校正技术研究现状

1.3.4温度误差补偿技术研究现状

1.4本书研究内容及安排

第2章捷联式地磁矢量测量系统误差机理分析

2.1系统结构设计

2.1.1地磁要素及相互关系

2.1.2系统构成

2.1.3测量原理

2.2系统误差机理及数值分析

2.2.1磁传感器误差影响

2.2.2惯导误差影响

2.2.3非对准误差影响

2.2.4惯导干扰影响

2.2.5误差影响规律分析

第3章三轴磁传感器校正方法优化研究

3.1三轴磁传感器校正算法

3.1.1传感器误差模型

3.1.2Levenberg Marquardt校正算法

3.1.3算法性能比较

3.2数据采样策略影响

3.2.1采样策略设计

3.2.2实验分析

3.3磁传感器非线性的一体化校正

3.3.1传统误差模型

3.3.2非线性一体化校正模型

3.3.3非线性一体化校正实验分析

3.4基于最小二乘支持向量机的温度误差补偿

3.4.1补偿原理

3.4.2温度误差补偿仿真分析

3.4.3温度误差补偿实验分析

第4章惯导与磁传感器坐标系非对准误差校正

4.1基于磁场/重力在固定坐标系投影不变原理校正法

4.1.1校正原理

4.1.2固定坐标系投影不变原理校正法实验分析

4.2基于磁场/重力在平面垂向投影不变原理校正法

4.2.1校正原理

4.2.2平面垂向投影不变原理校正法实验分析

4.3两种非对准校正法效果对比

4.4重力扰动分析

4.4.1重力扰动引入的惯导测量误差

4.4.2重力扰动引入的非对准误差

4.5加速度计固定误差分析

4.5.1加速度计误差引入的惯导测量误差

4.5.2加速度计误差引入的非对准误差

4.6加速度计校正

4.6.1基于模量法的加速度计校正原理

4.6.2加速度计校正仿真分析

第5章磁干扰分量补偿技术

5.1总量补偿法失效性分析

5.1.1理论分析

5.1.2总量补偿法失效性仿真分析

5.1.3总量补偿法失效性实验分析

5.2基于直角台的分量补偿方法

5.2.1基于直角台的分量补偿原理

5.2.2基于直角台的分量补偿法仿真分析

5.2.3基于直角台的分量补偿法实验分析

5.3基于相对姿态信息的分量补偿方法

5.3.1相对姿态补偿法原理

5.3.2基于相对姿态信息的分量补偿法实验分析

5.4基于基准地磁信息的分量补偿方法

5.4.1基于地磁信息的干扰模型

5.4.2补偿原理

5.4.3基于基准地磁信息的分量补偿法仿真分析

5.4.4基于基准地磁信息的分量补偿法实验分析

5.5几种分量补偿方法对比分析

5.6载体运动下的涡流磁干扰一体化补偿研究

5.6.1涡流补偿模型

5.6.2涡流一体化补偿仿真分析

5.6.3涡流一体化补偿实验分析

第6章捷联式地磁矢量测量系统的测试与应用

6.1捷联式地磁矢量测量系统测试

6.1.1系统构建

6.1.2实验设计与测试

6.2基于地磁矢量系统的区域磁异图绘制

6.2.1磁异测量仿真

6.2.2磁异测量实验

第7章地磁矢量拓展应用及相关校正补偿研究

7.1主动式磁目标定位系统设计及其工作原理

7.2基于无磁转台法的磁传感器阵列校正

7.2.1阵列校正原理

7.2.2校正实验设计

7.2.3校正与定位实验结果

7.3磁传感器阵列干扰综合补偿

7.3.1综合分量补偿与定位理论

7.3.2定位实验设计

7.3.3定位实验结果

第8章总结与展望

8.1主要研究成果及结论

8.2工作展望

参考文献