地磁導(dǎo)航原理

前言

　　地磁場(chǎng)是地球系統(tǒng)的基本物理場(chǎng)，其為天然的矢量場(chǎng)，為船舶的定位定向及姿態(tài)控制航海提供了優(yōu)良的天然坐標(biāo)系。利用地磁進(jìn)行導(dǎo)航，在技術(shù)上具有無(wú)源、無(wú)輻射、全天時(shí)、全天候、全地域、體積小、功耗低、性能可靠、抗干擾強(qiáng)的特點(diǎn)，一直是不可缺少的基本導(dǎo)航定位手段。現(xiàn)代地磁傳感器研制技術(shù)的進(jìn)步，使精確測(cè)量船舶航向和姿態(tài)成為現(xiàn)實(shí)，當(dāng)已知船舶航行的速度、起始坐標(biāo)和航行時(shí)間，就可以實(shí)時(shí)計(jì)算出其位置，并引導(dǎo)其準(zhǔn)確到達(dá)目的地?！　≈改厢樖俏覈?guó)古代四大發(fā)明之一。遠(yuǎn)在2600多年之前，我國(guó)祖先就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了天然磁鐵的物理性質(zhì)并加以應(yīng)用。在11世紀(jì)末把指南針運(yùn)用到航海上，隨后傳入阿拉伯，再由阿拉伯傳入歐洲，為人類(lèi)歷史的發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)?！　‰S著科學(xué)技術(shù)和航海事業(yè)的發(fā)展，地磁導(dǎo)航技術(shù)也走過(guò)了漫長(zhǎng)的發(fā)展道路。由以磁、機(jī)結(jié)構(gòu)一體的普通羅經(jīng)，經(jīng)磁、機(jī)、光結(jié)構(gòu)一體的反射式磁羅經(jīng)或投影式磁羅經(jīng)，發(fā)展到今天磁、機(jī)、電結(jié)構(gòu)一體的且以電子結(jié)構(gòu)為主的磁通門(mén)羅經(jīng)。羅經(jīng)所顯示的航向由只能在羅盆處讀取，到可在羅盆處和光電反射盤(pán)上兩處讀取，發(fā)展到今天除在主羅經(jīng)上讀取外，還可在需要航向的地方讀取。顯示的形式也由度盤(pán)顯示發(fā)展到數(shù)字顯示?！　鞲衅骷夹g(shù)的發(fā)展使得利用磁場(chǎng)傳感器直接敏感地磁獲得導(dǎo)航信息成為了現(xiàn)實(shí)，其導(dǎo)航信息的精度和實(shí)時(shí)性得到了極大的提高。在利用直感式地磁場(chǎng)傳感器構(gòu)成導(dǎo)磁導(dǎo)航系統(tǒng)中，為獲得高精度導(dǎo)航信息，就必須對(duì)由于船磁引起的自差進(jìn)行校正。由此引出校正自差的方法與羅盤(pán)式地磁導(dǎo)航系統(tǒng)的不同，對(duì)此，在本書(shū)中做了較為詳盡的分析。

內(nèi)容概要

　　《地磁導(dǎo)航原理》全面介紹了涉及地磁導(dǎo)航的基本理論和與之相關(guān)的自差校正理論，全書(shū)共分為五章。第1章闡述了與地球磁場(chǎng)和船磁有關(guān)的基礎(chǔ)理論、基本計(jì)算方法和船磁理論，為后續(xù)的自差理論的研究奠定基礎(chǔ)；第2章介紹了當(dāng)前用于敏感磁場(chǎng)的基本方法，主要包括磁羅盤(pán)技術(shù)和磁場(chǎng)傳感器技術(shù)；第3章介紹了船磁引起的自差分析方法和自差校正理論；第4章分別對(duì)地磁導(dǎo)航系統(tǒng)的自差校正方法進(jìn)行了描述，具有很強(qiáng)的實(shí)踐指導(dǎo)意義；第5章就當(dāng)前與地磁導(dǎo)航相關(guān)的課題進(jìn)行了簡(jiǎn)要的敘述；第6章就在地磁導(dǎo)航信息處理中用到的數(shù)學(xué)方法進(jìn)行簡(jiǎn)要概述，對(duì)提高現(xiàn)代地磁導(dǎo)航中信息處理的能力提供一些幫助?！　　兜卮艑?dǎo)航原理》可作為船舶導(dǎo)航專(zhuān)業(yè)師生和相關(guān)工程技術(shù)人員的教科書(shū)和技術(shù)參考書(shū)。

書(shū)籍目錄

第1章 地球磁場(chǎng)1.1 地磁學(xué)研究與地磁導(dǎo)航1.2 地磁場(chǎng)的分布1.2.1 地磁要素1.2.2 地磁圖1.3 地磁場(chǎng)的組成及起源1.3.1 地磁場(chǎng)的組成1.3.2 地磁場(chǎng)各組成部分的特點(diǎn)及其成因1.4 地磁場(chǎng)的解析模式1.4.1 地磁場(chǎng)的一級(jí)近似表示1.4.2 地磁場(chǎng)的球諧模式1.4.3 地磁場(chǎng)的偶極子模式1.4.4 地區(qū)性地磁場(chǎng)模式1.5 地磁極漂移1.5.1 相關(guān)分析法1.5.2 球諧分析方法第2章 敏感地磁的方法2.1 磁羅經(jīng)技術(shù)2.1.1 磁羅經(jīng)的分類(lèi)2.1.2 磁羅經(jīng)的結(jié)構(gòu)2.1.3 在艦船上安裝羅經(jīng)2.1.4 磁羅經(jīng)的檢查2.1.5 磁羅經(jīng)技術(shù)指標(biāo)的檢測(cè)方法2.2 磁通門(mén)技術(shù)2.2.1 磁通門(mén)原理2.2.2 磁通門(mén)傳感器2.3 固態(tài)器件技術(shù)2.3.1 霍耳器件2.3.2 磁阻器件2.4 直感式地磁導(dǎo)航系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)第3章 船磁引起的自差3.1 磁化與船磁模型3.1.1 船磁的基本描述3.1.2 船磁產(chǎn)生的力與自差3.2 船磁力與自差3.2.1 指北力和自差力3.2.2 自差公式3.2.3 傾斜自差3.3 直感式地磁導(dǎo)航系統(tǒng)的自差分析3.3.1 船舶的磁航向3.3.2 船舶的姿態(tài)3.3.3 船磁引起的自差3.4 自差隨磁緯度的變化第4章 自差校正方法4.1 磁羅經(jīng)的自差校正方法4.1.1 半圓自差的校正原理4.1.2 象限自差的校正原理4.1.3 傾斜自差的校正原理4.1.4 自差系數(shù)的計(jì)算4.2 磁羅經(jīng)的剩余自差測(cè)定和計(jì)算4.2.1 測(cè)定剩余自差的方法4.2.2 剩余白差表的計(jì)算4.3 磁羅經(jīng)自差消除的具體步驟4.3.1 校正傾斜自差4.3.2 校正半圓自差4.3.3 校正象限自差4.3.4 消除固定自差4.3.5 測(cè)定剩余自差4.4 直感式地磁導(dǎo)航系統(tǒng)的自差校正4.4.1 多航向比對(duì)法自差校正4.4.2 旋回法自差校正4.5 一次自差校正后的適應(yīng)范圍第5章 地磁組合與匹配導(dǎo)航技術(shù)5.1 GPS／地磁組合導(dǎo)航技術(shù)5.1.1 構(gòu)成方式5.1.2 系統(tǒng)組合濾波算法5.2 水下地磁匹配導(dǎo)航技術(shù)5.2.1 水下地磁匹配導(dǎo)航相關(guān)技術(shù)分析5.2.2 影響水下地磁匹配導(dǎo)航的因素5.2.3 實(shí)現(xiàn)水下地磁匹配導(dǎo)航的一般方法5.2.4 地磁匹配算法第6章 導(dǎo)航信息估計(jì)與濾波常用方法6.1 幾種線性估計(jì)的方法6.1.1 最小二乘估計(jì)6.1.2 最小方差估計(jì)6.1.3 極大驗(yàn)后估計(jì)6.1.4 極大似然估計(jì)6.1.5 幾種估計(jì)的比較6.2 卡爾曼濾波6.2.1 基本卡爾曼濾波6.2.2 卡爾曼濾波精度分析6.2.3 初始條件對(duì)卡爾曼濾波精度的影響6.2.4 噪聲協(xié)方差陣對(duì)卡爾曼濾波精度的影響6.3 H∞濾波與聯(lián)邦濾波6.3.1 H∞濾波基本理論6.3.2 H∞控制的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)問(wèn)題求解6.3.3 聯(lián)邦卡爾曼濾波6.3.4 廣義聯(lián)邦濾波6.4 非線性濾波方法6.4.1 自適應(yīng)濾波6.4.2 其他幾種方法非線性濾波參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　第1章 地球磁場(chǎng)　　1.1 地磁學(xué)研究與地磁導(dǎo)航　　地球周?chē)目臻g存在的磁場(chǎng)稱為地磁場(chǎng)。中國(guó)人最早發(fā)現(xiàn)并應(yīng)用了地磁現(xiàn)象。早在戰(zhàn)國(guó)時(shí)代就應(yīng)用天然磁鐵磨成指南針，稱為“司南”，宋代發(fā)現(xiàn)了地磁偏角的存在。《萍州可談》等文獻(xiàn)中，則記載了中國(guó)人將指南針最早應(yīng)用于航海的事例。直到12世紀(jì)，磁的知識(shí)才由中國(guó)傳至歐洲。從此歐洲人對(duì)磁性與地磁場(chǎng)的認(rèn)識(shí)及研究逐步進(jìn)入了領(lǐng)先的階段。　　1492年，哥倫布由歐洲航行到新大陸的途中，不僅證實(shí)了地磁偏角的存在，而且還發(fā)現(xiàn)了地磁偏角是因地而異的。1544年，哈爾曼（G.Hat·tmann）發(fā)現(xiàn)了磁傾角。最早在海上系統(tǒng)調(diào)查磁偏角的是16世紀(jì)的若奧·德·卡斯特羅（Joao de Castro）。大約1700年，埃德蒙·哈利（Edmond Halley）編制了最早的等偏角線圖，但該等偏角線圖僅限于大西洋。磁偏角，尤其是磁偏角的因地而異以及磁傾角的發(fā)現(xiàn)，大大推動(dòng)了對(duì)地球磁場(chǎng)的研究，從此地磁學(xué)開(kāi)始蓬勃地發(fā)展。1819年，漢斯廷（Hansteen）編寫(xiě)出第一個(gè)地磁水平分量和世界總強(qiáng)度分布圖，這是世界地磁圖誕生的開(kāi)端。1840年，高斯（C.F.Gauss）與韋伯（Webb）共同做出了更完整的世界地磁圖，發(fā)表了《地磁概論》一書(shū)。1879年，泰良（R.Thalen）總結(jié)了19世紀(jì)以來(lái)利用地磁場(chǎng)在局部地區(qū)的變化現(xiàn)象來(lái)尋找磁鐵礦的經(jīng)驗(yàn)，寫(xiě)出了“用磁測(cè)量對(duì)鐵礦床的考察”一文，推動(dòng)了地磁學(xué)研究成果的應(yīng)用?！　‰S著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，地磁學(xué)的研究也進(jìn)入了更加活躍的階段。觀測(cè)儀器，從單一的機(jī)械式磁力儀發(fā)展到以現(xiàn)代磁學(xué)理論為基礎(chǔ)的磁通門(mén)磁力儀和建立在原子結(jié)構(gòu)、量子力學(xué)等理論基礎(chǔ)上的質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀，光泵磁力儀及超導(dǎo)磁力儀等，提高了測(cè)磁的精度和效率，并使磁觀測(cè)從靜磁場(chǎng)觀測(cè)到大地變化磁場(chǎng)的觀測(cè)。

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