УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИНДУКЦИИ ГЕОМАГНИТНОГО ПОЛЯ С ПОДВИЖНОГО ОБЪЕКТА Российский патент 2003 года по МПК G01V3/40 G01R33/02 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в магниторазведке для поиска полезных ископаемых, в области космических исследований для измерения магнитного поля околоземного пространства и магнитного поля планет, в магнитной навигации для определения скорости и местоположения судна и т.д.

Известно устройство для определения магнитной индукции геомагнитного поля с подвижного объекта, содержащее размещенные на подвижном объекте модульный магнитометр, углоизмерительное устройство и устройство обработки информации [1] . При этом выход модульного магнитометра и три выхода углоизмерительного устройства подключены к устройству обработки информации. В известном техническом решении углоизмерительное устройство выполнено из трехкомпонентного феррозондового магнитометра. Известное устройство работает следующим образом.

Измеряют углоизмерительным устройством углы курса, крена, тангажа объекта синхронно с измерением модульным магнитометром значений модулей векторов магнитной индукции. Значения измеряемых углов и модулей векторов магнитной индукции поступают на устройство обработки информации, в которое вводятся также три коэффициента Пуассона, три суммы коэффициентов Пуассона и проекции вектора магнитной индукции объекта на оси системы координат объекта, которая обусловлена жесткой намагниченностью объекта. Три коэффициента Пуассона, три суммы коэффициентов Пуассона и вектор магнитной индукции, обусловленный жесткой намагниченностью объекта, предварительно определяют на специально оборудованном стенде с известным модулем вектора индукции геомагнитного поля при отсутствии объекта по методике, изложенной в работе [2]. По результатам измеренных модулей векторов магнитной индукции, углов курса, крена, тангажа объекта, известных трех коэффициентов Пуассона, трех сумм коэффициентов Пуассона и вектору магнитной индукции от жесткой намагниченности объекта устройство обработки информации определяет модули векторов магнитной индукции геомагнитного поля при различных местоположениях подвижного объекта по методике, изложенной в упомянутой работе [2].

В известном техническом решении [1] погрешность измерения углов курса, крена, тангажа объекта может привести к существенной погрешности определения индукции геомагнитного поля. Кроме того, известное техническое решение создано для реализации алгоритма определения модуля вектора индукции геомагнитного поля, когда магнитная индукция объекта в месте размещения модульного датчика, обусловленная индуктивной и жесткой намагниченностью объекта, существенно меньше индукции геомагнитного поля и составляет десятки нанотеслов [1, 3] . В том случае, когда магнитная индукция объекта в месте размещения модульного датчика, обусловленная индуктивной и жесткой намагниченностью объекта, составляет единицы тысяч нанотеслов, то погрешность определения модуля вектора магнитной индукции известным техническим решением существенно взрастает.

Известно устройство для определения индукции геомагнитного поля с подвижного объекта [4], которое по совокупности существенных признаков наиболее близко предлагаемому и принято за прототип. Известное устройство состоит из размещенных на подвижном объекте трехкомпонентного магнитометрического датчика с взаимно ортогональными осями, трех усилительно-преобразовательных блоков, первые входы которых подключены к выходам упомянутого датчика, генератора переменных напряжений, первый выход которого подключен к входу трехкомпонентного датчика, а второй выход - к вторым входам усилительно-преобразовательных блоков, регистрирующего блока, входы которого подключены к выходам усилительно-преобразовательных блоков, углоизмерительного устройства, выходы которого подключены к трем дополнительным входам регистрирующего блока, выполненного с возможностью регистрации сигналов, пропорциональных значениям проекций векторов магнитной индукции и углов курса, крена, тангажа объекта, устройства обработки информации, подключенного к выходу регистрирующего блока.

Известное устройство работает следующим образом. На вход трехкомпонентного магнитометрического датчика, в частности феррозонда, подается с генератора переменное напряжение, возбуждающее этот датчик. В результате на выходах датчика появляются три ЭДС второй гармоники, каждая из которых пропорциональна проекции вектора магнитной индукции на соответствующую магнитную ось датчика [5, с.66]. Выходные сигналы с датчика усиливаются и детектируются в соответствующих усилительно-преобразовательных блоках. Для детектирования сигналов на вторые входы усилительно-преобразовательных блоков подается переменное напряжение с генератора переменных напряжений. На входы регистрирующего блока поступают сигналы с выходов усилительно-преобразовательных блоков, пропорциональные проекциям векторов магнитной индукции при изменении местоположения объекта, и выходные сигналы с углоизмерительного устройства, пропорциональные углам курса, крена, тангажа объекта. Регистрирующий блок обеспечивает синхронную регистрацию сигналов, пропорциональных значениям проекций векторов магнитной индукции и углов курса, крена, тангажа объекта, и передачу их на устройство обработки информации, при введении в которое всех девяти коэффициентов (параметров) Пуассона и проекций вектора магнитной индукции на оси чувствительности датчика от жесткой намагниченности объекта осуществляется определение проекций индукции геомагнитного поля на оси выбранной опорной системы координат.

В известном техническом решении [4] для определения индукции геомагнитного поля необходимы сведения не только о параметрах Пуассона объекта, проекциях вектора магнитной индукции от жесткой намагниченности объекта в месте размещения трехкомпонентного датчика, но и сведения об углах курса, крена, тангажа объекта. Погрешности измерения упомянутых углов курса, крена, тангажа объекта могут привести к существенной погрешности определения индукции геомагнитного поля.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка устройства для определения индукции геомагнитного поля с подвижного объекта, существенно ослабляющего влияние погрешности измерения углов курса, крена, тангажа объекта на погрешность определения индукции геомагнитного поля. Поставленная задача решается за счет возможности устройством обработки информации воспроизведения сигналов, пропорциональных проекциям вектора магнитной индукции от намагниченности объекта на оси датчика и применения сумматора, передающего эти сигналы на трехкомпонентный датчик, обеспечивающих компенсацию упомянутых проекций вектора магнитной индукции в месте размещения магниточувствительного элемента трехкомпонентного датчика.

Предлагаемое устройство для определения индукции геомагнитного поля с подвижного объекта, включающее размещенные на объекте трехкомпонентный магнитометрический датчик с взаимно ортогональными осями, три усилительно-преобразовательных блока, первые входы которых подключены к соответствующим выходам трехкомпонентного датчика, генератор переменных напряжений, первый выход которого подключен к первому входу трехкомпонентного датчика, а второй выход - к вторым входам усилительно-преобразовательных блоков, регистрирующий блок, первые три входа которого подключены к соответствующим выходам первого, второго и третьего усилительно-преобразовательных блоков, углоизмерительное устройство, три выхода которого подключены соответственно к четвертому, пятому и шестому входам регистрирующего блока, выполненного с возможностью синхронной регистрации сигналов, пропорциональных значениям проекций векторов магнитной индукции и углов курса, крена, тангажа объекта, и устройство обработки информации, подключенное к выходу регистрирующего блока, снабжено сумматором, у которого первый, второй и третий входы подключены к соответствующим выходам первого, второго и третьего усилительно-преобразовательных блоков, четвертый, пятый и шестой входы подключены соответственно к первому, второму и третьему выходам устройства обработки информации, а три выхода подключены соответственно к второму, третьему и четвертому входам трехкомпонентного датчика, при этом устройство обработки информации выполнено с возможностью определения параметров Пуассона, проекций вектора магнитной индукции от жесткой намагниченности объекта, индукции геомагнитного поля и формирования сигналов, пропорциональных проекциям вектора магнитной индукции от намагниченности объекта.

Применение в предлагаемом техническом решении размещенных на подвижном объекте трехкомпонентного магнитометрического датчика, трех усилительно-преобразовательных блоков, генератора переменных напряжений, углоизмерительного устройства, регистрирующего блока и устройства обработки информации в совокупности с сумматором, включенных между собой определенным образом, обеспечивает определение индукции геомагнитного поля по измеренным проекциям вектора магнитной индукции, известным параметрам Пуассона, проекциям вектора магнитной индукции от жесткой намагниченности объекта при отсутствии сведений об углах курса, крена, тангажа объекта, что существенно снижает погрешность определения индукции геомагнитного поля от погрешности измерения упомянутых углов. Кроме того, предлагаемое техническое решение обеспечивает компенсацию проекций вектора магнитной индукции от намагниченности объекта в месте размещения трехкомпонентного датчика, что снижает погрешность определения индукции геомагнитного поля.

Таким образом, технический результат предлагаемого устройства для определения индукции геомагнитного поля с подвижного объекта выражается в возможности определения индукции геомагнитного поля по измеренным проекциям вектора магнитной индукции, известным параметрам Пуассона, проекциям вектора магнитной индукции от жесткой намагниченности объекта при отсутствии сведений об углах курса, крена, тангажа объекта и компенсации проекций вектора магнитной индукции от намагниченности объекта в месте размещения трехкомпонентного датчика, что повышает точность определения индукции геомагнитного поля.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется следующими графическими материалами.

На чертеже изображена структурная схема устройства для определения индукции геомагнитного поля с подвижного объекта.

Предлагаемое устройство для определения индукции геомагнитного поля с подвижного объекта состоит (чертеж) из трехкомпонентного магнитометрического датчика 1 с взаимно ортогональными осями ОХ, ОУ, ОZ декартовой системы координат ОХУZ, трех усилительно-преобразовательных блоков 2-4, генератора переменных напряжений 5, регистрирующего блока 6, углоизмерительного устройства 7, устройства обработки информации 8, подвижного объекта 9 и сумматора 10. Первые входы блоков 2-4 подключены к соответствующим выходам датчика 1, а выходы этих блоков - соответственно к первому, второму, третьему входам блока 6 и к первому, второму, третьему входам сумматора 10. Первый выход генератора 5 подключен к первому входу датчика 1, а второй выход - к вторым входам блоков 2-4. Четвертый, пятый и шестой входы сумматора 10 подключены соответственно к первому, второму и третьему выходам устройства 8, а три выхода сумматора 10 подключены соответственно к второму, третьему и четвертому входам датчика 1. Выход блока 6 подключен к входу устройства 8, три выхода углоизмерительного устройства 7 подключены соответственно к четвертому, пятому и шестому входам блока 6. Датчик 1, блоки 2-4, генератор 5, блок 6, устройства 7, 8 и сумматор 10 размещены на объекте 9.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. На первый вход датчика 1 (чертеж) подается с генератора 5 переменное напряжение, перемагничивающее магниточувствительный элемент датчика 1, например феррозондового датчика. В результате этого на выходах датчика 1 появляются три ЭДС второй гармоники, каждая из которых пропорциональна проекции вектора магнитной индукции внешнего поля на соответствующую магнитную ось датчика 1 [5]. Выходные сигналы с датчика 1 усиливаются и детектируются в соответствующих блоках 2-4. Для детектирования сигналов на вторые входы блоков 2-4 подается переменное напряжение с генератора 5. На второй, третий и четвертый входы датчика 1 подаются продетектированные сигналы с выходов соответствующих блоков 2-4 через сумматор 10, обеспечивающие отрицательную обратную связь по измеряемым сигналам [5]. На входы блока 6 поступают сигналы с выходов блоков 2-4, пропорциональные проекциям векторов магнитной индукции, и выходные сигналы с устройства 7, пропорциональные углам курса, крена, тангажа объекта 9. Блок 6 обеспечивает синхронную регистрацию сигналов, пропорциональных значениям проекций векторов магнитной индукции и углов курса, крена, тангажа объекта 9, и передачу их на устройство 8. Изменяя угловое положение объекта 9, измеряют проекции векторов магнитной индукции В_xi, В_yi, В_zi на оси 1синхронно с измерением углов курса ϕ_i, крена θ_i, тангажа Ψ_i объекта 9, по крайней мере, для десяти угловых положений объекта 9, отличающихся друг от друга. По измеренным В_xi, В_yi, В_zi, ϕ_i, θ_i, Ψ_i и известному модулю вектора индукции геомагнитного поля в месте размещения объекта 9 определяют проекции вектора магнитной индукции от жесткой намагниченности объекта 9 и параметры Пуассона, характеризующие индуктивную (мягкую) намагниченность объекта 9, по алгоритму, изложенному в работах [4, 6]. Затем, по известным параметрам Пуассона, проекциям вектора магнитной индукции от жесткой намагниченности объекта 9 и измеренным проекциям вектора магнитной индукции на оси датчика 1 определяют индукцию геомагнитного поля при отсутствии сведений об углах курса, крена, тангажа объекта 9 следующим образом.

Измеряют одновременно три проекции вектора магнитной индукции В_xi, В_yi, В_zi на оси датчика 1 (чертеж), где i=1, 2, 3, 4,... - номер измерения проекций вектора магнитной индукции. По измеренным В_xi, В_yi, В_zi, например, для i= 1, которые являются функциями измеренных параметров Пуассона, проекций вектора магнитной индукции от жесткой намагниченности объекта 9 B_xp, В_yp, В_zp и неизвестных проекций вектора индукции геомагнитного поля В'_хт,В'_ут, В'_zт на оси датчика 1, в устройстве 8 осуществляется решение системы трех уравнений относительно неизвестных В'_хт, В'_ут, В'_zт. Эти уравнения можно представить в следующем виде:
В_хi-B_xp=(1+a)B'_хт+bB'_ут+cВ'_zт;
В_yi-B_yp=dB'_хт+(1+e)B'_ут+fB'_zт;
В_zi-B_zp=qB'_хт+hВ'_ут+(1+k)В'_zт,
где а, b, c, d, e, f, q, h, k - параметры Пуассона объекта в месте размещения датчика 1.

Определив В'_хт, В'_ут, В'_zт, находят модуль вектора индукции геомагнитного поля В_т, и проекции вектора магнитной индукции В_хнi, В_унi, B_zнi на оси датчика 1 от индуктивной и жесткой намагниченности объекта 9 из следующих выражений:
В_т=[(В'_хт)²+(В'_ут)²+(В'_zт)²]^1/2;
B_хнi=аВ'_хт+bВ'_ут+cВ'_zт+В_хр;
В_унi=dВ'_хт+еВ'_ут+fВ'_zт+В_ур;
В_zнi=qВ'_хт+hВ'_ут+kВ'_zт+В_zp.

Устройство 8 создает напряжения, пропорциональные В_хнi, В_унi, В_zнi, с помощью которых в месте размещения датчика 1 воспроизводятся проекции вектора магнитной индукции на оси датчика 1, равные по величине и противоположные по направлению соответствующим проекциям вектора магнитной индукции В_хнi, В_унi, В_zнi, обеспечивая тем самым отрицательную обратную связь по магнитному полю от индуктивной и жесткой намагниченности объекта 9. Для этого напряжения пропорциональные В_хнi, В_унi, В_zнi с выходов устройства 8 подаются через сумматор 10 на входы датчика 1. По каждому последующему измерению (i= 2, 3,...) проекций вектора магнитной индукции, известным параметрам Пуассона и проекциям вектора магнитной индукции от жесткой намагниченности объекта 9 с учетом действия предшествующей отрицательной обратной связи по магнитному полю от намагниченности объекта 9 осуществляется корректировка отрицательной обратной связи по магнитному полю устройством 8 от изменившихся проекций вектора индукции геомагнитного поля, обусловленных, например, изменением углового положения объекта 9 и изменением вектора индукции геомагнитного поля. Отрицательная обратная связь по магнитной индукции от намагниченности объекта 9 (от индуктивной и жесткой намагниченности объекта) обеспечивает расширение динамического диапазона измерения индукции геомагнитного поля, линейность, стабильность коэффициентов передачи блоков и устройств предлагаемого технического решения, а также возможность уточнять определяемые значения параметров Пуассона и проекций вектора магнитной индукции от жесткой намагниченности объекта при их определении.

Таким образом, в предлагаемом техническом решении по сравнению с аналогом и прототипом для определения модуля вектора индукции геомагнитного поля не требуется информация об углах курса, крена, тангажа объекта, что по сравнению с известными техническими решениями исключает погрешность определения индукции геомагнитного поля, обусловленную погрешностью измерения углов курса, крена, тангажа объекта при наличии сведений о параметрах Пуассона и проекциях вектора магнитной индукции от жесткой намагниченности объекта. В предлагаемом техническом решении сведения об углах курса, крена, тангажа объекта нужны только для определения параметров Пуассона, проекций вектора магнитной индукции от жесткой намагниченности объекта и корректировки параметров Пуассона. Компенсация же проекций вектора магнитной индукции от намагниченности объекта, осуществляемая отрицательной обратной связью, обеспечивает повышение точности определения индукции геомагнитного поля. Кроме того, предлагаемое техническое решение по сравнению с известными обеспечивает возможность осуществлять корректировку параметров Пуассона при отсутствии сведений об индукции геомагнитного поля, например, в акватории проведения магнитной съемки, что существенно уменьшает погрешность определения индукции геомагнитного поля от нестабильности намагниченности объекта.

В предлагаемом техническом решении датчик 1 (чертеж), генератор 5, блоки 2-4 выполнены аналогично известному устройству для измерения параметров магнитного поля [5]. Углоизмерительным устройством 7 может быть гиростабилизированная платформа (ГСП), обеспечивающая измерение трех углов вращения объекта с погрешностью около 0,5 угловых минут за счет трехосной гироскопической стабилизации ГСП относительно опорной системы координат [7]. Регистрирующий блок 6 и устройство обработки информации 8 могут быть реализованы преобразователем измерительным многоканальным (ПИМ-1, сертификат 15660, Госстандарт России), разработанным АО "АТИС" (г. С.-Петербург). Сумматор 10 может быть выполнен по схеме масштабного усилителя, приведенной в работе [8] .

Литература
1. Резник Э.Е., Канторович В.А. Некоторые вопросы компенсаци магнитных полей самолета// Геофизическая аппаратура. Л.: "Недра", 1964. Вып.18. С. 26-38.

2. Лысенко А.П. Теория и методы компенсации магнитных помех// Геофизическое приборостроение. Л. : Изд-во Мингеологии и охраны недр СССР. ОКБ. 1960. Вып.7. С.44-58.

3. Вацуро А.Э., Цирель B.C. Измерение и компенсация магнитных помех самолета АН-2// Геофизическая аппаратура. Л.: "Недра", 1979. Вып.69. С.73-100.

4. Пат. 2096818 РФ. Способ определения коэффициентов Пуассона подвижного объекта и устройство для его осуществления/ Б.М.Смирнов// Бюл. изобрет.-1997. 32.

5. Афанасьев Ю. В. Феррозондовые приборы. Л.: "Энергоатомиздат", 1986, 188 с.

6. Смирнов Б.М. Решение задачи магнитной совместимости датчика тесламетра с подвижным объектом// Измерительная техника. 1997. 9. С.44-46.

7. Теория и конструкция гироскопических приборов и систем// И.В. Одинова, Г.Д.Блюмин и др. М.: Высшая школа, 1971, 508 с.

8. Гутников B.C. Применение операционных усилителей в измерительной технике. Л.: Энергия, 1975, 120 с.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в магниторазведке для поиска полезных ископаемых, в области космических исследований для измерения магнитного поля околоземного пространства и магнитного поля планет, в магнитной навигации для определения скорости и местоположения судна и т.д. Сущность: устройство содержит размещенные на объекте трехкомпонентный магнитометрический датчик, три усилительно-преобразовательных блока, генератор переменных напряжений, углоизмерительное устройство, регистрирующий блок, устройство обработки информации сумматором, включенные между собой определенным образом. Устройство обеспечивает определение индукции геомагнитного поля по измеренным проекциям вектора магнитной индукции, известным параметрам Пуассона, проекциям вектора магнитной индукции от жесткой намагниченности объекта при отсутствии сведений об углах курса, крена, тангажа объекта и компенсацию проекций вектора магнитной индукции от намагниченности объекта в месте размещения трехкомпонентного датчика. Технический результат: снижение погрешности определения индукции геомагнитного поля. 1 ил.

Устройство для определения индукции геомагнитного поля с подвижного объекта, включающее размещенные на объекте трехкомпонентный магнитометрический датчик с взаимно ортогональными осями, три усилительно-преобразовательных блока, первые входы которых подключены к соответствующим выходам трехкомпонентного датчика, генератор переменных напряжений, первый выход которого подключен к первому входу трехкомпонентного датчика, а второй выход - к вторым входам усилительно-преобразовательных блоков, регистрирующий блок, первые три входа которого подключены к соответствующим выходам первого, второго и третьего усилительно-преобразовательных блоков, углоизмерительное устройство, три выхода которого подключены соответственно к четвертому, пятому и шестому входам регистрирующего блока, выполненного с возможностью синхронной регистрации сигналов, пропорциональных значениям проекций векторов магнитной индукции и углов курса, крена, тангажа объекта, и устройство обработки информации, подключенное к выходу регистрирующего блока, отличающееся тем, что оно снабжено сумматором, у которого первый, второй и третий входы подключены к соответствующим выходам первого, второго и третьего усилительно-преобразовательных блоков, четвертый, пятый и шестой входы подключены соответственно к первому, второму и третьему выходам устройства обработки информации, а три выхода подключены соответственно к второму, третьему и четвертому входам трехкомпонентного датчика, при этом устройство обработки информации выполнено с возможностью определения параметров Пуассона, проекций вектора магнитной индукции от жесткой намагниченности объекта, индукции геомагнитного поля и формирования сигналов, пропорциональных проекциям вектора магнитной индукции от намагниченности объекта.