一种应用于多重干扰领域新型定位方法

徐 杰

(海军驻桂林地区军事代表室，广西 桂林 541002)

0 引言

以前的论文［1－2］讨论了磁定位方法的发展。在没有舰载定位系统的情况下，需要精确收集舰船磁场信号。该方法主要应用于布置在港口的磁传感器阵列，目的是监控进出港口舰船的磁场梯度信号。但该方法的问题在于，当比较不同情形下的测量数据时，磁场信号的变化严重依赖于潮汐深度、舰船和传感器阵列的相对位置。因此，为了获得精确结果，本文将潮汐变化、舰船和传感器阵列的相对位置2个重要影响因素纳入到舰船磁场信号模拟模型中。

如果磁性定位方法能解决上述问题，该方法便能广泛应用于众多领域，如检测、深水、声音和多重干扰、安全监控系统以及屏蔽信号收集等。

1 信号模拟的优点

假如磁场测量数据有效，信号模拟方法更能精确的定位舰船踪迹。为了说明这一点，分析图1和图2。图1显示舰船航行于阵列中1个传感器的上方及测量数据。图2显示舰船航行于阵列中2个传感器之间的上方及测量数据。比较图1和图2，可以看出测量信号严重依赖于舰船与阵列的相对位置。另外，一个严重影响测量信号的因素——潮汐深度，也能得出相同结论。

磁场模拟方法依据测量数据建立舰船模型，通过模型推算出任何区域的信号。最有效的阵列方式是在相应舰船类别的目标深度下，舰船直接通过传感器阵列的中心。换言之，假设舰船通过的阵列如图2所示，则模拟信号如图1所示。因此，为了获得精确的结果，必须考虑到潮汐变化和舰船与阵列的相对位置。

2 磁性定位方法

为了计算磁场踪迹，给出2种基本假设:一是舰船航迹为1条直线，二是舰船航速恒定。虽然这些条件不是在每种情形之下都能实现，但是大部分情况舰船是在给定方向按照给定的速度航行的，因为通常只有1条通向港口的适于航行的通道，所以上述条件能得到有效的执行。磁性探测方法能应用于变化的传感器系统，至少需要2个传感器。一个典型的测量装置包括3～5个三轴向磁性传感器，传感器的位置精确度为±7 cm。舰船必须从2个传感器之间通过(如图3所示)。为了精确测量舰船磁场，一个典型的港口通常包括大量传感器。图4为布置于狭窄航道的5个传感器示意图。为了充分确保测量信号的精确性，关键在于传感器的间隔距离小于水深以及适当的信噪比。

通常在港口中，舰船航向和实际航向相差少于1°，舰船与传感器阵列相对位置在1 m以内，舰船航行速度小于30 cm/s。模拟信号的最大误差小于3%，最小误差小于0.1%。图5显示的轨迹采用磁性定位运算法则，航行速度5 m/s，舰船与阵列中心相距7.3 m，航向25°。图5中交叉点代表传感器，线条代表舰船轨迹。实际测量信号和采用磁性定位推算的信号如图6所示。3条点线代表相同方式下的推算信号，2种信号间的最大误差为1.3%。由此可见，考虑到潮汐变化和舰船与阵列的相对位置2个重要因素，模型既具有真实性，又具有精确性和稳定性，满足工程实际需求。

2.1 信号收集系统

磁性定位方法尤其适合于监视舰船进出海港或者港口。这个方法的优点在于不需要在每艘舰船上安装相应的舰载定位装置，便能精确定位舰船踪迹。当操作非合作舰船时，这个方法尤其重要。例如，过去常常采用携带视频照相机进行大范围操作，才能识别舰船类型，而现在，磁性定位方法基于测量信号便能完全反映舰船类型。

在港口中，1个适当的传感器阵列结构包括足够的覆盖航道宽度的三轴向传感器，并且传感器之间的距离必须小于水深(如图3所示)，港口和检测装置通常包括3～16个传感器。

图6 舰船实际轨迹与定位轨迹Fig.6 The actual signature and the signature predicted using a Magnetically tracked signature

2.2 多重干扰领域

除了应用在单一干扰领域外，磁定位能模拟许多外界干扰信号，包括交变磁场、静态磁场、交变电场和声信号，只需要给定3～5个静态磁传感器，便能定位，并且可以通过给定位置的联合式或者分布式传感器模拟出外界的干扰信号。

当港口与传感器之间的距离为典型距离(比如20～30 m)的时候，磁场干扰信号(CRM)很小。决定CRM的一个精确方法是模拟电场信号和预测CRM信号，该方法避免了分离小CRM信号与大磁场信号的复杂问题。

3 结语

如果舰船具有强大的磁场信号，当没有其他定位方法的时候，磁定位是1个有效的定位方法。该方法最大的优点在于能模拟合作目标与非合作目标。磁定位方法同样有效检测合作舰船。此外，不同于GPS，IR和激光定位方法，磁定位不需要独立的舰船定位系统，便能定位深水潜艇。

［1］DAVIDSON S J，et al.Trackerless Signature Modelling［C］.UDT Conference Proceedings，1997.214 －218.

［2］DAVIDSON S J，WEBB G J.Positioning techniques in the transmag degaussing system［C］. UDT Conference Proceedings，1996.421 －424.

［3］PARKER S F H，et al.Preisach modelling of magnetisation changes in steel［J］.J.Magn.Magn.Mater，1995，25:51 －56.

［4］宋立智.磁性目标定位探测方法研究［J］.青岛大学学报，1998，(4):33 －36.

［5］蒋敏志，林春生.船舶水下被动磁性定位研究［J］.武汉理工大学学报，2003，(6):168 －170，187.

［6］林春生.舰船磁场信号检测与磁性目标定位［D］.武汉:海军工程大学，1996.

［7］BEATTIE G A，HUBBARD J C.A novel means of nonacoustic detection［C］.UDT Conference Proceedings，1996.398 －403.

［8］WEBB GJ，DAVIDSON SJ，HOUGHTON M A.Enhancement of magnetic range performance by compensation of the corrosion related magnetic field［C］.UDT Conference Proceedings，1997.443 －446.