Способ углового согласования трехкомпонентных магнитометров на кардановых подвесах

Изобретение относится к электрорадиотехнике, в частности к измерению магнитной индукции несколькими трехкомпонентными магнитометрами, например в составе подводного магнитоизмерительного стенда. Сущность: магнитометры предварительно настраивают на берегу, затем устанавливают по месту и приближенно ориентируют вдоль геомагнитной системы координат (СК). В зоне стенда временно устраняют неоднородные магнитные поля сторонних источников, измеряют магнитное поле Земли всеми магнитометрами, а также местное склонение. По результатам измерений строят матрицы углового согласования каждого магнитометра с опорным, опорного магнитометра с геомагнитной СК и геомагнитной СК с географической. Последующие результаты измерения умножают на эти матрицы, устраняя установочные угловые рассогласования и приводя результаты к любой из трех СК. Техническим результатом изобретения является повышение точности углового согласования трехкомпонентных датчиков. 1 табл., 2 ил.

 

Изобретение относится к области измерения индукции магнитного поля с помощью нескольких (феррозондовых) трехкомпонентных магнитометров на кардановых подвесах.

Примером таких измерений служат измерения магнитных полей кораблей с помощью множества датчиков, размещаемых на дне моря в составе магнитоизмерительного стенда. Специфической особенностью таких измерений является то, что одноименные магниточувствительные оси разных датчиков должны быть выравнены либо вдоль географической системы координат (СК), либо вдоль геомагнитной СК, либо вдоль произвольной, но одинаковой СК для всех датчиков стенда. Процедура углового выравнивания каждого датчика вдоль той или другой заданной СК осуществляется механически и представляет собой тяжелую инженерно-техническую задачу, особенно если датчики располагаются в труднодоступных местах. До 1970 года во всем мире применялись стенды с однокомпонентными датчиками на кардановых подвесах. Такие стенды применялись только потому, что с ними не возникало проблем ориентации датчиков, но однокомпонентные измерения не обеспечивали достаточной надежности контроля намагниченности кораблей. После 1970 г. в мировой практике стали строиться стенды только на трехкомпонентных датчиках на кардановых подвесах, так называемые стенды второго поколения. В работе [Marshall, B.J., Operational Aspects of Magnetic Measurement Ranges (Эксплуатационные вопросы магнитоизмерительных стендов). Naval Forces, 1989, v.10 #2, pp.72-78] отмечается, что капитальные затраты на установку линии датчиков оказываются велики из-за сложного и длительного монтажа и геодезической съемки, а стоимость подводных работ, связанная с установкой/ориентацией трехкомпонентных датчиков составляет значительную часть стоимости затрат за весь срок службы магнитоизмерительного стенда второго поколения. В статье [Matthews, D.C., Contemporary degaussing measuring ranges (Современные магнитоизмерительные стенды для размагничивания). Maritime Defence, 1979, v.4 December #12, pp.499-503] говорится, что наименьшая погрешность, которую можно ожидать при установке водолазами с компасами датчиков транспортируемых стендов, составляет ±5°, тогда как требуемое угловое рассогласование датчика относительно опорной географической СК должно быть не хуже 35’. Вместе с тем в анонимной статье [Improving weapon sensors calls for more care in degaussing (Совершенствование оружия требует большей тщательности дегауссинга). Maritime Defence, 1989, v.14, #2, рр.44-45] утверждается, что современные феррозонды обладают чувствительностью по углу в единицы секунд. Из этих данных следует, что точностные возможности современных трехкомпонентных феррозондов недоиспользуются почти на четыре порядка (5°/2’’) из-за сложностей монтажа/согласования подводных датчиков на магнитоизмерительных стендах.

Известен способ согласования трехкомпонентных датчиков магнитоизмерительного стенда, разработанный фирмой Dowty Defence&Air Systems [An improved method of placing harbour ranges (Улучшенный метод монтажа стендов в портах), Maritime Defence 1989, v.14, #2, рр.42-43]. Способ основан на встроенном устройстве ориентации по азимуту, позволяющем водолазу ориентировать датчик без помощи с берега. Кардановый подвес отрабатывает начальные рассогласования по вертикали до ±20°. Более никаких данных по результатам ориентации датчиков, либо по встроенному устройству для ориентации в статье [An improved... 1989] не приводится.

Известный способ включает предварительную настройку каждого датчика на ортогональность и вертикальность, помещение датчиков в пластмассовые формы, заполнение их бетоном и сцепление форм друг с другом, образуя “матрас”, к которому крепятся надувные мешки для придания “матрасу” плавучести, стаскивание сборки со стапеля, буксировку ее на место установки и опускание на дно, ориентацию водолазом каждого датчика в “матрасе” на месте установки с помощью встроенного устройства ориентации датчика по азимуту без помощи с берега.

Причиной, препятствующей достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, является наличие множества механических операций малых последовательных поворотов датчиков до “нуля” в условиях, когда этот “нуль” трудно достичь и практически невозможно проконтролировать его достижение, кроме того, этот “нуль”, связанный с геомагнитной системой координат (СК), нестабилен, поскольку нестабильна сама геомагнитная СК.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение точности углового согласования трехкомпонентных датчиков.

Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, состоит в том, что в заявляемом способе последовательные механические повороты датчиков не нужны, процесс углового согласования автоматизирован и осуществляется быстро, так что нестабильность геомагнитной СК не успевает сказаться на результате, представляемом в любой из двух стабильных СК (местной опорной и географической). Вместе с тем заявляемый способ не исключает возможности работы и в геомагнитной СК.

Указанный технический результат достигается тем, что в заявляемом способе углового согласования трехкомпонентных магнитометров на кардановых подвесах, включающем предварительную калибровку, коррекцию уходов нулей от включения питания, настройку магнитометров на ортогональность и вертикальность, последующую установку и приближенную ориентацию их на штатных местах вдоль геомагнитной системы координат (СК), в отличие от известного способа, в условиях временного отсутствия или компенсации источников неоднородного магнитного поля измеряют на суше склонение d для местности расположения магнитометров, при этом одновременно всеми магнитометрами измеряют компоненты магнитного поля Земли, фиксируя результаты измерения каждого и произвольно выбранного опорного , после чего определяют синус угла рассогласования между опорным и каждым магнитометром по формуле и синус угла рассогласования между геомагнитной СК и опорным магнитометром по формуле , затем по найденным синусам углов и измеренному склонению строят следующие матрицы:

где n_i - матрица углового согласования каждого i-того магнитометра с опорным;

n_оп - матрица углового согласования опорного магнитометра с геомагнитной СК;

n_d - матрица углового согласования географической и геомагнитной СК, умножением на которые последующие результаты измерения B_i, приводят сначала к СК опорного магнитометра n_iB_i, потом к геомагнитной СК n_опn_iB_i, а затем и к географической СК n_dn_опn_iB_i.

На фиг.1 изображена упрощенная схема расположения магнитометров для реализации заявляемого способа углового согласования трехкомпонентных магнитометров на кардановых подвесах.

На фиг.2 изображена диаграмма, поясняющая угловые соотношения между направлениями на географический и магнитный Север и соответствующей осью опорного датчика.

Схема включает приборное помещение 1, в котором расположены измерительно-преобразовательная часть магнитометров, компьютер для обработки результатов измерения и средства измерения склонения d - горизонтального угла между плоскостями географического и магнитного меридианов в данной местности или угла между направлениями на географический Север Nг и на магнитный Север nм, как поясняется на фиг.2. Измерительно-преобразовательная часть, расположенная в помещении 1, через кабели 2 связана с трехкомпонентными датчиками 3, расположенными на дне моря. Число датчиков может быть различным от двух единиц до нескольких сотен. На некоторых стендах с небольшим числом датчиков кабельная связь берега с датчиками заменена бескабельной, т.е. радиосвязью. На фиг.1 датчики 3 изображены условно без защитных корпусов и подводящих кабелей, с обнаженными трехкомпонентными первичными измерительными преобразователями. На рисунке показаны шесть датчиков: №1-6, один из которых произвольно выбран опорным. Оси 3 всех датчиков расположены более-менее строго по вертикали за счет кардановых подвесов и предварительной настройки на вертикальность, но между одноименными горизонтальными осями 1 (или между осями 2) датчиков могут быть значительные несовпадения по углу.

Заявляемый способ углового согласования трехкомпонентных магнитометров на кардановых подвесах осуществляется следующим образом.

Предварительно на берегу трехкомпонентные датчики на кардановых подвесах 3 по очереди настраивают на ортогональность и вертикальность, корректируют их уходы нулей от включения питания и калибруют. После чего настроенные, откорректированные и откалиброванные датчики 3 устанавливают на своих штатных местах (на стенде) на морском дне и приблизительно ориентируют вдоль геомагнитной СК (осью 3 вниз по вертикали, осью 1 на магнитный Север, осью 2 на Восток) с помощью водолаза, снабженного компасом, либо средством двусторонней связи (телефоном) с оператором приборного помещения 1. Затем временно обесточивают линии питания постоянным током электротранспорта, если они находятся на расстоянии менее 8 км от стенда, а также близлежащие линии питания сигнальных устройств на постоянном токе (например, сирены), т.е. устраняют все сторонние источники медленно изменяющегося неоднородного магнитного поля. После устранения источников неоднородного магнитного поля на специально оборудованном пункте на берегу либо в помещении 1, либо вблизи от него измеряют магнитное склонение d, а также измеряют однородное поле (поле Земли) одновременно всеми компонентами всех датчиков магнитометров 3, фиксируя результаты измерения, при этом один из магнитометров (№1-№6) произвольно выбирают опорным и обозначают его результаты как , остальные магнитометры различают по номеру i=1,2,3,4,5,6... и обозначают их результаты измерения как . После чего определяют синус угла рассогласования между опорным и каждым магнитометром по формуле

и синус угла рассогласования между геомагнитной СК и опорным магнитометром по формуле

Затем по найденным синусам углов и измеренному склонению строят следующие матрицы

где n_i - матрица углового согласования i-того магнитометра с опорным;

n_оп - матрица углового согласования опорного магнитометра с геомагнитной СК;

n_d - матрица углового согласования географической и геомагнитной СК.

Последующие результаты измерения каждым магнитометром умножением на соответствующую матрицу приводят сначала к СК опорного магнитометра затем к геомагнитной СК и, наконец, к географической СК

Тем самым устраняют механические угловые рассогласования датчиков, возникшие при монтаже датчиков на стенде, и обеспечивают возможность точной и стабильной работы магнитометров в местной опорной СК или в нестабильной геомагнитной СК или в универсальной и стабильной географической СК. Для повышения стабильности при работе в нестабильной геомагнитной СК достаточно эпизодическое обновление только матрицы n_on. Произведение одновременно определенных матриц n_d и n_on, как будет показано ниже, не зависит от вариаций магнитного меридиана, в то время как сами матрицы сомножители зависят. Этим объясняется возможность длительной стабильной работы магнитных датчиков по заявляемому способу в географической СК.

Для проверки и иллюстрации заявляемого способа с помощью системы автоматизации расчетов MatLab рассчитаны контрольные примеры. Результаты расчета сведены в таблицу.

№ магнитометра (i)	1	2	3	4	5	6
Начальные углы рассогласования при монтаже датчиков относительно геомагнитной СК	-7,52°	-3,16°	9,17°	-2,47°	5,43°	-4,91°
Исходные результаты измерения i-тым магнитометром (в1в2B3)i,(нТ)	18140	18270	18070	18280	18220	18230
	2390	1010	-2920	790	-1730	1570
	-48800	-48800	-48800	-48800	-48800	-48800
sin αi, опорный датчик -№4	0,0880	0,0120	-0,2017	0	-0,1374	0,0426
Результаты, приведенные к СК опорного магнитометра	18280	18280	18280	18280	18280	18280
	790	790	790	790	790	790
	-48800	-48800	-48800	-48800	-48800	-48800
sinαon	-	-	-	0,0431	-	-
Результаты, приведенные к геомагнитной СК	18300	18300	18300	18300	18300	18300
	0	0	0	0	0	0
	-48800	-48800	-48800	-48800	-48800	-48800
Результаты, приведенные к географической СК при склонении d=+7.05°	18250	18250	18250	18250	18250	18250
	-1340	-1340	-1340	-1340	-1340	-1340
	-48800	-48800	-48800	-48800	-48800	-48800

Как видно из данных таблицы, заявляемый способ полностью устраняет влияние начальных угловых рассогласований, в т.ч. и очень больших рассогласований (-7,5°÷+9,2°) и преобразует результаты измерения в любую из трех СК: СК опорного магнитометра, в геомагнитную СК и в географическую СК.

Для сравнения отметим, что механический способ устранения угловых рассогласований датчиков, используемый прототипом, очень критичен к точностным требованиям. При малейшем повышении требований к точности углового согласования датчиков механический способ согласования становится дорогим [Marshall, B.J., Operational Aspects of Magnetic Measurement Ranges (Эксплуатационные вопросы магнитоизмерительных стендов). Naval Forces, 1989, v.10 #2, рр.72-78], а при умеренном повышении требований и вовсе нереализуемым, т.е. невозможным. Заявляемый способ удовлетворяет самым высоким требованиям к точности углового согласования датчиков, так как не содержит настроечных механических операций поворота датчиков, кроме начальных установочных операций со свободным допуском. Роль механических операций поворота повышенной точности в заявляемом способе выполняют матрицы углового согласования. Практически, точность углового согласования по заявляемому способу определяется точностью устранения влияния неоднородных полей на этапе определения матриц углового согласования и точностью определения склонения. Погрешность определения склонения в условиях магнитной обсерватории еще в начале 60-х годов оценивалась на уровне ±6 угловых секунд (Б.М. Яновский. Земной магнетизм ч.1, 1964 г., Изд-во Ленинградского университета, с.81).

Проиллюстрируем независимость произведения матриц n_d и n_on от угловых вариаций направления на магнитный Север nм (см. фиг.2). Непосредственное перемножение дает

Как видно из диаграммы на фиг.2, сумма углов d+α_on равна углу между направлением на географический Север Nг и осью 1 опорного датчика, т.е. остается постоянной при вариациях nм, поэтому и произведение матриц не зависит от изменений Nм, хотя сами матрицы-сомножители зависят от вариаций Nm.

Способ углового согласования трехкомпонентных магнитометров на кардановых подвесах, включающий предварительную калибровку, коррекцию уходов нулей от включения питания, настройку магнитометров на ортогональность и вертикальность, последующую установку и приближенную ориентацию их на штатных местах вдоль геомагнитной системы координат (СК), отличающийся тем, что в условиях временного отсутствия или компенсации источников неоднородного магнитного поля измеряют на суше склонение d для местности расположения магнитометров, при этом одновременно всеми магнитометрами измеряют компоненты магнитного поля Земли, фиксируя результаты измерения каждого и произвольно выбранного опорного , после чего определяют синус угла рассогласования между опорным и каждым магнитометром по формуле и синус угла рассогласования между геомагнитной СК и опорным магнитометром по формуле , затем по найденным синусам углов и измеренному склонению строят следующие матрицы:

где n_i - матрица углового согласования каждого i-того магнитометра с опорным;

n_оп - матрица углового согласования опорного магнитометра с геомагнитной СК;

n_d - матрица углового согласования географической и геомагнитной СК,

умножением на которые последующие результаты измерения В_i приводят сначала к СК опорного магнитометра n_iВ_i, потом к геомагнитной СК n_опn_iB_i, а затем и к географической СК n_dn_опn_iB_i.