УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НА БОРТУ ДВИЖУЩЕГОСЯ ФЕРРОМАГНИТНОГО НОСИТЕЛЯ КОМПОНЕНТ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ И СОСТАВЛЯЮЩИХ ЕГО СОБСТВЕННОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ Российский патент 1997 года по МПК G01V3/16 

Изобретение относится к магнитометрии, а именно к устройствам, работающим на борту движущегося носителя, имеющего произвольное по своим характеристикам собственное магнитное поле. Оно позволяет в заданной системе координат определить все компоненты вектора индукции магнитного поля Земли (МПЗ), а также составляющие собственного магнитного поля носителя (СПН), и может найти применение в экспериментальной физике, геофизике, навигации, геологии.

Известно устройство для определения направления горизонтальной составляющей геомагнитного поля (магнитного курса носителя), в котором применяется магнитный компас, использующий для компенсации СПН магнитомягкие и магнитотвердые ферромагнитные тела, закрепленные на приспособлениях, способных изменять их положение. Их расположение относительно магнитного компаса определяется во время проведения девиационных работ. После их выполнения ферромагнитные тела устанавливают таким образом, чтобы создаваемые ими поля были равны по величине и противоположны по направлению соответствующим составляющим СПН. В дальнейшем при определении магнитного курса компас работает в поле, которое образовано горизонтальной компонентой МПЗ. Однако подобное устройство имеет низкую точность из-за нестабильности составляющих СПН.

Имеется устройство по способу для [1] определения компонент вектора магнитной индукции геомагнитного поля на магнитных носителях, включающее колечную систему, ось которой ориентирована вертикально; магнитометр, магниточувствительный преобразователь (МЧП) которого установлен в центре колечной системы и измеряющий горизонтальную составляющую суммарного магнитного поля (СМП); определитель курса носителя. Магнитометр и определитель курса носителя подключены к вычислительному устройству. Одновременно за бортом измеряют модуль вектора индукции МПЗ. Перед измерениями МПЗ проводят девиационные работы, во время которых разворачивают носитель на 360 градусов, постоянно компенсируя вертикальную составляющую СМП. На магнитных курсах, которые в дальнейшем будут использоваться для осуществления съемки МПЗ проводят измерения модуля вектора индукции горизонтальной составляющей СМП и его направления. При выполнении магнитной съемки носитель движется одним из установленных магнитных курсов. Во время движения на его борту определяют приращение модуля вектора индукции горизонтальной составляющей МПЗ и его направление, а за бортом изменение модуля вектора индукции МПЗ. По этим данным судят о величинах компонент МПЗ вдоль маршpута движения носителя.

За прототип принято устройство для определения модуля вектора индукции МПЗ по способу [2] состоящее из магнитометрического блока, включающего блок МЧП с измерителями трех различных компонент СМП. Имеется также система компенсационных электромагнитных катушек, установленная вблизи блока МЧП и имеющая определенную ориентацию. Устройство содержит систему определения местоположения носителя и блок стабилизации, определяющий продольные и поперечные углы его переориентации. Блок стабилизации установлен вместе с блоком МЧП магнитометрического блока на платформе, жестко связанной с носителем. Измерительные устройства подключены к вычислителю, который по их показаниям определяет величины токов, создающих магнитные поля, компенсирующие индуцированные составляющие СПН.

По данным, полученным в результате выполнения девиационных работ устанавливаются зависимости, определяющие значения токов в катушках компенсации, позволяющие скомпенсировать индуцированное поле носителя при различной его ориентации в пространстве. После осуществления компенсации всех составляющих СПН определяется модуль вектора индукции МПЗ.

Однако для работы данного устройства необходимо знать величину модуля МПЗ, и магнитное наклонение в районе проведения девиационных работ. Проведение девиационных работ по указанной методике возможно только для ограниченного вида носителей (самолета). Для судов всех классов, космических объектов подобная методика не может быть осуществлена. Поэтому недостатком известного решения [3] является ограниченная возможность его использования. Кроме того считается, что составляющие СПН остаются неизменными, что выполняется не на всех видах носителей. Например, на ферромагнитном судне такое условие не соблюдается.

Решаемая техническая задача расширение области использования устройства для определения компонент вектора индукции МПЗ и составляющих СПН.

Поставленная задача решается путем использования векторных уравнений Пуассона, устанавливающих зависимость между компонентами СМП, измеряемыми на борту произвольно движущегося носителя (любой курс, любые углы переориентации), составляющими СПН и углами, определяющими ориентацию носителя в измеряемом магнитном поле, например в магнитном поле Земли. Для реализации такой возможности должно быть определено как минимум три различных компоненты СМП. Возможна установка произвольного (более трех) числа различно ориентированных компонентных измерителей, что увеличивает помехозащищенность, но требует использования дополнительных измерительных устройств и применения более сложных алгоритмов обработки информации. Указанные измерения выполняются совместно с измерением углов, характеризующих ориентацию носителя в заданной системе координат. В предлагаемом устройстве при выполнении каждого цикла (одновременный и однократный опрос всех МЧП, измеряющих компоненты СМП и углы переориентации носителя) выполняются векторные магнитные измерения СМП. Для полного однократного решения задачи необходимо провести определенное количество циклов (серия измерений). В предлагаемом техническом решении количество циклов в серии должно быть не менее пяти. Полученная информация позволяет перейти к составлению и решению векторных уравнений Пуассона. Для этого в устройство введены блоки управления, хранения информации, коррекции и долговременного хранения информации.

Для повышения помехоустойчивости в блок МЧП магнитометрического блока могут быть введены дополнительные измерители компонент СМП.

На фиг. 1 показана принципиальная схема предлагаемого устройства: 1 - магнитометрический блок, конструктивное исполнение которого предусматривает изготовление отдельного блока МЧП 1.1, устанавливаемого на платформе; 2 блок стабилизации; 3 блок управления; 4 блок хранения информации; 5 блок коррекции; 6 вычислитель; 7 система определения местоположения носителя; 8 блок долговременного хранения информации; 9 жесткая платформа.

На фиг.2 показан вариант структуры команд, вырабатываемых блоком управления 3: 3.1 программа, определяющая методику опроса измерительных блоков; 3.2 команда запроса данных из блока хранения информации; 3.3 - команда передачи данных в вычислитель; 3.4 команда опроса системы определения местоположения носителя; 3.5 команда приема данных из блока коррекции; 3.6 команда на выполнение вычислений; 3.7 команда приема информации о готовности вычислителя; 3.8 команда передачи данных в блок долговременного хранения информации.

На фиг.3 показан вариант структуры команд, вырабатываемых блоком коррекции 5: 5.1 программа исключения ошибок измерений; 5.2 программа преобразования данных для вычислений; 5.3 программа формирования пакета данных для однократного решения задачи; 5.4 команда готовности.

Блоки предлагаемого устройства (фиг. 1) имеют следующие электрические соединения. Первый выход блока управления 3 соединен с входом магнитометрического блока 1, связанного с блоком МЧП 1.1, и входом блока стабилизации 2. Выходы магнитометрического блока 1 и блока стабилизации 2 присоединены к первому и второму входам блока хранения информации 4, соответственно. Второй, третий и четвертый выходы блока управления 3 соответственно соединены с входом системы определения местоположения носителя 7, со вторым входом блока коррекции 5 и с первым входом вычислителя 6. Выход блока хранения информации 4 присоединен к первому входу блока коррекции 5, первый выход которого соединен с первым входом блока управления 3, а второй выход со вторым входом вычислителя 6. Первый выход вычислителя 6 подключен ко второму входу блока управления 3, а второй к первому входу блока долговременного хранения информации 8, второй вход которого соединен с выходом системы определения местоположения носителя 7.

Блок управления 3 в одном из вариантом исполнения может иметь следующие функциональные связи. Программа, определяющая методику опроса измерительных систем 3.1, через выход 1, являющийся первым выходом блока управления 3, управляет работой магнитометрического блока 1 и блока стабилизации 2. Она же через второй и третий выходы управляет командой запроса данных из блока хранения информации 3.2 и командой опроса системы определения местоположения носителя 3.4, соответственно. В свою очередь команда 3.2 через выход 3, а команда 3.4 через выход 2 блока управления 3 управляют работой блока коррекции 5 и системы определения местоположения носителя 7, соответственно. Команда приема данных из блока коррекции 3.5, получая информацию через первый вход блока управления 3, управляет командой передачи данных в вычислитель 3.3. Ее выход является третьим выходом блока управления 3. Команда приема информации о готовности вычислителя 3.7 получает информацию через второй вход блока управления 3. Один вид команд через первый выход управляет командой на выполнение вычислений 3.6, а другой командой передачи данных в блок долговременного хранения информации 3.8. Выработанная команда 3.6 передается через четвертый выход блока управления 3 на вычислитель 6. Команда 3.8, выработанная в соответствующий момент времени, через выходы 4 и 2 блока управления 3 поступает в блоки 6 и 8.

Блок коррекции 5 в одном из вариантов исполнения может иметь следующие функциональные связи. Программа исключения ошибок измерений 5.1 получает информацию через первый вход блока коррекции 5, которая в дальнейшем трансформируется программой преобразования данных для вычислений 5.2. Программа формирования пакета данных для однократного решения задачи 5.3 работает по командам блока управления 3, поступающим на вход 2. Через первый выход, являющийся вторым выходом блока коррекции 5, данные идут в вычислитель 6. Программа 5.3 через второй выход управляет выработкой команды готовности 5.4, которая через выход 1 блока 5 идет на вычислитель 6.

Так как различные команды блоков 3 и 5, идущие и выходящие из одних и тех же блоков устройства, вырабатываются в разные моменты времени и имеют различные отличительные признаки, то представляется возможным передавать их по одной линии связи.

Блок МЧП 1.1 магнитометрического блока и блок стабилизации 2 закреплены на платформе 9, жестко связанной с носителем. При установке платформы на носитель ее необходимо ориентировать таким образом, чтобы материализовать систему координат, в которой будут проводиться измерения. В частности, если в качестве угловых компонент МПЗ определяются магнитный курс носителя и магнитное наклонение, то две оси, относительно которых измеряют углы переориентации носителя, должны быть направлены вдоль продольной и поперечной его осей. До начала измерений в блок управления 3, вводится все программы, необходимые для управления устройством. В блок коррекции 5 вводится программа предварительной обработки результатов измерений, а в вычислитель 6 - программа, реализующая алгоритм определения искомых параметров.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Все измерения осуществляются при произвольной переориентации носителя как минимум в двух взаимно ортогональных плоскостях. До начала измерений включается блок стабилизации 2, который строит системы координат, в которых определяются угловые компоненты МПЗ, составляющие СПН и углы переориентации носителя. Сбор информации осуществляется циклами, выполняемыми по команде, подаваемой с блока управления 3. Каждый цикл предполагает одновременный опрос магнитометрического блока 1 и блока стабилизации 2. Измеряются все компоненты СПМ и углы переориентации носителя I, J, K, вокруг продольной, поперечной и вертикальной осей построенной систем координат. Количество циклов, необходимое для однократного решения задачи (серия измерений) и частота их выполнения задаются программой, определяющей методику опроса измерительных блоков. Полученные данные запоминаются в блоке хранения информации 4. В момент времени, определяемый в соответствии с программой, блок 3 посылает команду в систему определения местоположения носителя 7. В этом блоке запоминаются координаты носителя, что позволяет осуществить привязку компонент МПЗ к местности. Результаты измерений, выполненные в каждом цикле, запоминаются в блоке хранения информации 4. После выполнения одной серии блок управления 3 вырабатывает команду, по которой блок коррекции 5 запрашивает полученные данные, хранящиеся в блоке 4, и, получив их, по программам предварительной обработки результатов измерений (программы 5.1, 5.2, 5.3) осуществляет подготовку данных для проведения вычислений. После ее окончания из блока 5 передается команда в блок 3 о готовности информации. Получив ее, блок 3 вырабатвает команду, по которой блок 5 передает данные в вычислитель 6, где определяют составляющие СПН и угловые компоненты МПЗ. После завершения вычислений, блок 6 передает команду об этом в блок управления 3, который вырабатывает команду, подаваемую в блоки 6 и 7. По ней результаты вычислений из блока 6 и координаты места проведения измерений из блока 7 передаются в блок долговременного хранения информации 8, где сопоставляются и запоминаются. Блок 8 сохраняет всю информацию, полученную во время проведения работ. В дальнейшем она может использоваться в различных целях. В частности, при построении карт элементов МПЗ.

В предлагаемом решении магнитометрический блок 1 измеряет как минимум три различные компоненты СМП. В качестве такого прибора можно использовать, например, практически любой трехкомпонентный феррозондовый магнитометр, обеспечивающий необходимые диапазон и частоту измерений. Блок стабилизации 2, включает устройства, способные на борту движущегося носителя построить систему координат, в которой проводятся измерения, и определить в ней углы переориентации носителя с учетом характера его движения. Он может быть построен на базе использования гироскопической системы, лазерного гироскопа с различными способами коррекции результатов измерений и при совместном использовании различных систем стабилизации. В качестве платформы 9 целесообразно использовать жесткую конструкцию удобную для закрепления в выбранном месте носителя блока МЧП 1.1 и системы стабилизации 2. Блоки 3, 4, 5, 6 могут быть реализованы путем использования одной или двух ПЭВМ, имеющих необходимое быстродействие и соответствующий объем оперативной и постоянной памяти. Блок 7 может быть построен на базе применения имеющихся навигационных систем, позволяющих с требуемой точностью определить координаты движущегося объекта ("Брас", "Magnovox" и т.д.). Блок долговременного хранения информации 8 должен обеспечивать сохранение полученных данных и возможность их использования для решения различных задач как в текущем масштабе времени, так и во время последующего использования, например при построении геомагнитных карт. В качестве данной системы наиболее удобно использовать долговременных хранители информации, входящие в ПЭВМ, например жесткий диск, дискеты различного вида и т.д.

Указанная цель изобретения достигается тем, что при поведении векторных измерений СМП на борту ферромагнитного носителя по результатам выполнения одного цикла измерений появляется возможность составить систему, состоящую из векторных уравнений Пуассона:

где суммарное магнитное поле носителя;
единичная матрица;
матрица параметров Пуассона;
произведение матриц, определяющее ориентацию носителя в заданной системе координат,
где


Устойчивость системы векторных уравнений значительно вше, чем скалярных [4] Кроме того, время сбора информации сокращается почти в два раза.

В результате решения векторного уравнения Пуассона вычисляются угловые компоненты МПЗ (магнитное наклонение и магнитный курс носителя), а также все элементы произведения

т.е. составляющие СПН.

При проведении экспериментальных работ на ферромагнитном судне было установлено, что предлагаемое устройство позволяет определять составляющие СПН и угловые компоненты СПЗ при переориентации носителя на углы от +/- 0,5 угл. град. и выше. Практически характер движения любого носителя, движущегося под водой, на водной поверхности, в атмосфере и космическом пространстве дает возможность решать данную задачу. К настоящему времени выполнены лабораторные исследования, а также проведены многократные натурные работы на ферромагнитном судне. В результате построены геомагнитные карты компонент МПЗ ряда полигонов, расположенных на акватории Финского залива.

Предлагаемое устройство позволяет проводить векторные измерения МПЗ на борту движущихся носителей, имеющих собственное магнитное поле без использования выносных измерительных систем. В настоящее время практически не имеется измерителей (кроме специально созданных немагнитных носителей), способных решать подобную задачу.

Изобретение может использоваться практически на любых носителях, которые при своем движении могут переориентироваться в пространстве. К ним относятся объекты, движущиеся под водой, на водной поверхности, в атмосфере и космическом пространстве.

Проведенные исследования по отработке конструкции устройства и его использования на ферромагнитном носителе позволяют приступить к изготовлению промышленного образца.

Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Нечаев П.А. Григорьев В.В. Магнитно-компасное дело. М, "Транспорт", 1969, 247.

2. Бледнов В.А. Способ измерения компонент вектора мгнитной индукции геомагнитного поля на магнитных носителях. А.с. N 789931, G 01 R 33/02, бюллетень N 47, 1980 г.

3. Лысенко А.П. Теория и методы компенсации магнитных помех.- "Геофизическое приборостроение". 1960, вып. 7, сю 44 58 (прототип).

Использование: магнитометрия, а именно, устройства, работающие на борту движущегося носителя, имеющего произвольное по своим характеристикам собственное магнитное поле. Сущность: используется блок магниточувствительных преобразователей, состоящий из компонентных измерителей, позволяющих, определять как минимум три различные компоненты суммарного магнитного поля. Возможна установка произвольного числа произвольно ориентированных компонентных измерителей, что увеличивает помехозащищенность, но требует использования дополнительных измерительных устройств и применения более сложных алгоритмов обработки информации. Указанные измерения выполняются совместно с измерением углов, характеризующих ориентацию носителя в заданной системе координат, что составляет один цикл. После проведения серии измерений, состоящей из нескольких циклов, составляется система векторных уравнений Пуассона, решение которой позволяет определить искомые величины. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для определения на борту движущегося ферромагнитного носителя компонент магнитного поля Земли и составляющих его собственного магнитного поля, содержащее магнитометрический блок, блок магниточувствительных преобразователей (МЧП) с измерителями трех различных компонент суммарного магнитного поля (СМП) которого установлен вместе с блоком стабилизации на платформе, жестко связанной с носителем, а также систему определения местоположения носителя и вычислитель, отличающееся тем, что в него дополнительно введены блок управления, блок хранения информации, блок коррекции и блок долговременного хранения информации, причем первый выход блока управления соединен с входами магнитометрического блока, соединенного с блоком МЧП, и блока стабилизации, а второй, третий и четвертый выходы этого блока управления соответственно соединены с входом системы определения местоположения носителя, с вторым входом блока коррекции, с первым входом вычислителя, а выходы магнитометрического блока и блока стабилизации присоединены соответственно к первому и второму входам блока хранения информации, выход которого соединен с первым входом блока коррекции, первый выход которого присоединен к первому входу блока управления, а второй к второму входу вычислителя, у которого первый и второй выходы соответственно присоединены к второму входу блока управления и к первому входу блока долговременого хранения информации, второй вход этого блока соединен с выходом системы определения местоположения носителя. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в блок МЧП магнитометрического блока введены дополнительные измерители компонент СМП.