地磁導航原理

前言

　　地磁場是地球系統(tǒng)的基本物理場，其為天然的矢量場，為船舶的定位定向及姿態(tài)控制航海提供了優(yōu)良的天然坐標系。利用地磁進行導航，在技術上具有無源、無輻射、全天時、全天候、全地域、體積小、功耗低、性能可靠、抗干擾強的特點，一直是不可缺少的基本導航定位手段。現(xiàn)代地磁傳感器研制技術的進步，使精確測量船舶航向和姿態(tài)成為現(xiàn)實，當已知船舶航行的速度、起始坐標和航行時間，就可以實時計算出其位置，并引導其準確到達目的地。　　指南針是我國古代四大發(fā)明之一。遠在2600多年之前，我國祖先就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了天然磁鐵的物理性質(zhì)并加以應用。在11世紀末把指南針運用到航海上，隨后傳入阿拉伯，再由阿拉伯傳入歐洲，為人類歷史的發(fā)展做出了巨大的貢獻?！　‰S著科學技術和航海事業(yè)的發(fā)展，地磁導航技術也走過了漫長的發(fā)展道路。由以磁、機結(jié)構一體的普通羅經(jīng)，經(jīng)磁、機、光結(jié)構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、電結(jié)構一體的且以電子結(jié)構為主的磁通門羅經(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顯示發(fā)展到數(shù)字顯示。　　傳感器技術的發(fā)展使得利用磁場傳感器直接敏感地磁獲得導航信息成為了現(xiàn)實，其導航信息的精度和實時性得到了極大的提高。在利用直感式地磁場傳感器構成導磁導航系統(tǒng)中，為獲得高精度導航信息，就必須對由于船磁引起的自差進行校正。由此引出校正自差的方法與羅盤式地磁導航系統(tǒng)的不同，對此，在本書中做了較為詳盡的分析。

內(nèi)容概要

　　《地磁導航原理》全面介紹了涉及地磁導航的基本理論和與之相關的自差校正理論，全書共分為五章。第1章闡述了與地球磁場和船磁有關的基礎理論、基本計算方法和船磁理論，為后續(xù)的自差理論的研究奠定基礎；第2章介紹了當前用于敏感磁場的基本方法，主要包括磁羅盤技術和磁場傳感器技術；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章分別對地磁導航系統(tǒng)的自差校正方法進行了描述，具有很強的實踐指導意義；第5章就當前與地磁導航相關的課題進行了簡要的敘述；第6章就在地磁導航信息處理中用到的數(shù)學方法進行簡要概述，對提高現(xiàn)代地磁導航中信息處理的能力提供一些幫助?！　　兜卮艑Ш皆怼房勺鳛榇皩Ш綄I(yè)師生和相關工程技術人員的教科書和技術參考書。

書籍目錄

第1章 地球磁場1.1 地磁學研究與地磁導航1.2 地磁場的分布1.2.1 地磁要素1.2.2 地磁圖1.3 地磁場的組成及起源1.3.1 地磁場的組成1.3.2 地磁場各組成部分的特點及其成因1.4 地磁場的解析模式1.4.1 地磁場的一級近似表示1.4.2 地磁場的球諧模式1.4.3 地磁場的偶極子模式1.4.4 地區(qū)性地磁場模式1.5 地磁極漂移1.5.1 相關分析法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2.1.1 磁羅經(jīng)的分類2.1.2 磁羅經(jīng)的結(jié)構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)技術指標的檢測方法2.2 磁通門技術2.2.1 磁通門原理2.2.2 磁通門傳感器2.3 固態(tài)器件技術2.3.1 霍耳器件2.3.2 磁阻器件2.4 直感式地磁導航系統(tǒng)的一般結(jié)構第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)的計算4.2 磁羅經(jīng)的剩余自差測定和計算4.2.1 測定剩余自差的方法4.2.2 剩余白差表的計算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 測定剩余自差4.4 直感式地磁導航系統(tǒng)的自差校正4.4.1 多航向比對法自差校正4.4.2 旋回法自差校正4.5 一次自差校正后的適應范圍第5章 地磁組合與匹配導航技術5.1 GPS／地磁組合導航技術5.1.1 構成方式5.1.2 系統(tǒng)組合濾波算法5.2 水下地磁匹配導航技術5.2.1 水下地磁匹配導航相關技術分析5.2.2 影響水下地磁匹配導航的因素5.2.3 實現(xiàn)水下地磁匹配導航的一般方法5.2.4 地磁匹配算法第6章 導航信息估計與濾波常用方法6.1 幾種線性估計的方法6.1.1 最小二乘估計6.1.2 最小方差估計6.1.3 極大驗后估計6.1.4 極大似然估計6.1.5 幾種估計的比較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 初始條件對卡爾曼濾波精度的影響6.2.4 噪聲協(xié)方差陣對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∞控制的標準設計問題求解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 自適應濾波6.4.2 其他幾種方法非線性濾波參考文獻

章節(jié)摘錄

　　第1章 地球磁場　　1.1 地磁學研究與地磁導航　　地球周圍的空間存在的磁場稱為地磁場。中國人最早發(fā)現(xiàn)并應用了地磁現(xiàn)象。早在戰(zhàn)國時代就應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?！镀贾菘烧劇返任墨I中，則記載了中國人將指南針最早應用于航海的事例。直到12世紀，磁的知識才由中國傳至歐洲。從此歐洲人對磁性與地磁場的認識及研究逐步進入了領先的階段?！　?492年，哥倫布由歐洲航行到新大陸的途中，不僅證實了地磁偏角的存在，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)，大大推動了對地球磁場的研究，從此地磁學開始蓬勃地發(fā)展。1819年，漢斯廷（Hansteen）編寫出第一個地磁水平分量和世界總強度分布圖，這是世界地磁圖誕生的開端。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。1879年，泰良（R.Thalen）總結(jié)了19世紀以來利用地磁場在局部地區(qū)的變化現(xiàn)象來尋找磁鐵礦的經(jīng)驗，寫出了“用磁測量對鐵礦床的考察”一文，推動了地磁學研究成果的應用?！　‰S著科學技術的迅猛發(fā)展，地磁學的研究也進入了更加活躍的階段。觀測儀器，從單一的機械式磁力儀發(fā)展到以現(xiàn)代磁學理論為基礎的磁通門磁力儀和建立在原子結(jié)構、量子力學等理論基礎上的質(zhì)子旋進磁力儀，光泵磁力儀及超導磁力儀等，提高了測磁的精度和效率，并使磁觀測從靜磁場觀測到大地變化磁場的觀測。

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