舰船磁场测量的误差因素分析

庄志，蒋雪根

（91656部队，上海 200439）

0 引言

舰船磁场测量是舰船消磁勤务的第一步工作，磁场数据的准确性对舰船消磁质量至关重要。但由于测磁方法、测磁仪器、测磁环境和测磁人员等因素都会引起测量误差，若控制不当，会直接导致磁场数据不准确，从而影响舰船消磁质量。本文从目前实际消磁勤务中采用的几种测磁方法入手，参照物理量测量误差的原因和性质分类，对舰船磁场测量中的误差因素进行了分析，并针对性地提出了减小测量误差的措施。

1 舰船磁场的测量方法

目前，在舰船实际消磁勤务中，舰船磁场测量都是在舰船系泊在指定位置后利用以下三种测磁方法之一进行的：

1）便携式测磁仪测量法

将便携式测磁仪的磁探头（即测磁筒）按测量深度要求布放在舰船指定位置的龙骨下方或左（右）舷下方，可从测磁仪面板显示直接人工读数，或测磁仪数据输出口与便携计算机连接进行磁场数据采样测量。

2）测磁行车测量法

将测磁探头安装在双码头之间的行车升降横梁上，根据行车与舰船的距离、测量点数、测量点距离、行车位置等参数，预置好磁场采样控制器，调整升降横梁高度使测磁探头位于标准测量深度，开动行车连续进行测量，测量结束后将磁场数据传输至计算机分析处理。

3）大平面磁探头阵列测量法

在消磁场地水域底部安放磁探头阵列，由岸上的测磁计算机通过控制机柜进行控制采样，测磁数据输入至测磁计算机和中心计算机进行分析处理。

2 舰船磁场测量误差的原因

2.1 物理量测量误差种类

按物理量测量误差产生的原因和性质可以将误差分为三大类：

1）系统误差

系统误差是指那些在相同条件下多次测量同一被测量时，误差的绝对值与符号保持恒定，或在条件改变时按某种确定规律变化的误差。

系统误差是由测量原理的近似、测量方法的不完善、所用仪器精度的限制、环境条件不符合要求以及观测人员的习惯等因素产生的。测量方案一经确定，系统误差就有一个客观的确定值。条件一旦变化，系统误差也按一定规律变化。具体可将系统误差分为以下两类：

（1）定值系统误差

其特点是在整个测量过程中，该误差的大小和符号固定不变。

（2）变值系统误差

其特点是在测量过程中，当测量的条件变化时，误差的大小和符号按一定规律变化，其中又分为线性变化的系统误差和周期性变化的系统误差。

2）随机误差

随机误差是指在相同的测量条件下多次测量同一被测量时，误差的绝对值与符号以不可预定方式变化的误差。它是必然发生的，只能设法减小，而不能彻底消除。

随机误差对某一单一测量来说是没有规律性的，其大小和方向都是不可预知的，但对同一物理量进行多次反复测量时，则发现随机误差的出现服从正太分布统计规律。随机误差有如下特点：

（1）单峰性

绝对值小的误差比绝对值大的误差出现的几率大，非常大的误差出现的几率趋于零。

（2）对称性

绝对值相等的正和负的误差出现的几率相等。

（3）有界性

在一定测量条件下，误差的绝对值不超过一定限度。

（4）抵偿性

随着测量次数的增加，随机误差的代数和趋于零，即随机误差的算术平均值将趋于零。因此，可用多次测量的算术平均值作为直接测量的近似真值。在一定条件下，增加测量次数可以减小随机误差。

3）粗大误差

由于不正确的操作仪器、观察有误、读错数、记错值等，使测量结果明显地被歪曲，由于这种错误引起的误差称为粗大误差（或叫过失误差）。

上述各类误差之间在一定条件下可以相互转化。掌握误差转化的特点，可以将随机误差转化为系统误差，用修正方法减小其影响。

2.2 舰船磁场测量误差因素分析

2.2.1 舰船磁场测量方法引起的误差

1）舰船停泊位置的偏差

按目前实际消磁工作要求，消磁时被消磁舰船的航向误差不得超过±5°（其中测定航向差和进行综合消磁时被消磁舰船的航向误差不得超过±3°）；舰船在磁场测量时，横倾不得超过±1°。即便舰船按照上述要求停泊，但由于舰船位置与设定停泊轴线或多或少会存在一些偏差，从而带来一定的磁场测量误差。

2）便携式测磁仪磁探头布放位置的偏差

将便携式测磁仪的磁探头（即测磁筒）按测量深度要求布放在舰船指定位置的龙骨下方或左（右）舷下方时，都会存在或左或右、或前或后、或上或下的偏差，从而带来磁场测量的误差。

3）测磁行车磁场数据采样位置的偏差

目前测磁行车主要采用定距离对磁场进行采样，行车采样时的停车位置及测量架的放置深度与标准测量点和标准测量深度都存在一定的偏差，从而引起测量存在误差。

4）大平面磁探头阵列测量换算的误差

从大平面测磁探头阵列测得的磁场值需建模换算成舰船标准测量点下标准测量深度的磁场值，一方面建立的数学模型存在一定的换算误差；另一方面建好的统一模型，对不同长短、宽窄的舰船，及同一舰船在不同停泊位置和航向时，换算的精度都有不同，从而导致磁场数据存在误差。

2.2.2 舰船磁场测量仪器引起的误差

1）仪器测量精度

测磁仪自身存在的对磁信号进行采样、处理和转换时的系统误差。

2）零点稳定性

在外磁场不变的环境中，长时间连续工作时会发生系统零点漂移。

3）磁探头转向误差

磁探头垂直旋转360°，仪器测量值有微小变化。

4）磁探头配套误差

在同样的环境和工作条件下，各磁探头所对应的各测磁通道上的磁场显示值之间存在偏差以及磁探头在外强磁场作用后，仪器测量值发生变化。

5）地磁补偿误差

无论是地磁补偿不足，或是过量，都将被叠加在被测磁场中，造成读数误差。同时由于地磁场比舰船磁场要大得多，即使很小的补偿偏差，也会使仪器读数大大超差。

2.2.3 舰船磁场测量环境引起的误差

舰船磁场测量时，风、流、浪的影响可使被消磁舰船发生摇摆，以致影响测量的准确性。

2.2.4 舰船磁场测量人员引起的误差

测量人员的误读数和误操作会直接导致测量出现粗大误差。另外，在用便携式测磁仪测量时，操作人员的分辨能力、反应速度及固有习惯等都会引起测量的主观性系统误差。

2.2.5 舰船磁场测量过程中不确定干扰因素引起的误差

如环境温度的起伏、电源电压的波动、空间电磁场的干扰、地磁场的微小变化等在测量过程中存在的难以控制的不确定干扰因素会引起测量的随机误差。

3 减小舰船磁场测量误差的措施

根据不同种类误差，消除和减小的方法也不相同。对于系统误差，只有找出产生该误差的原因，才能有针对性地采取相应措施，消除产生系统误差的根源或限制实际问题的产生。对于随机误差，可用多次测量的算术平均值作为直接测量的近似真值。对于粗大误差，若采取适当措施是完全可以避免的。笔者根据前面分析出的各种舰船磁场测量误差的产生原因和性质，提出以下几项减小舰船磁场测量误差的综合措施：

1）舰船尽可能在安装有固定测磁系统的消磁站进行测消磁

显而易见，行车测磁方法和大平面磁探头阵列测磁方法比便携式测磁仪测磁法要准确许多。这两种测磁系统一经建成，每次测量由测磁行车磁场数据采样位置偏差或大平面磁探头阵列测量换算精度引起的系统误差便基本不变，日后可用修正的方法减小系统误差，提高精确度。

2）使用便携式测磁仪时最好采用多探头测磁方法

对于消磁船或无固定测磁系统的消磁站，必须用便携式测磁仪测量磁场时，可采取多探头测量方法。即在舰船龙骨下各测量点都布放一个测磁筒（有条件的话，还可在有舷下测量点的位置左右舷各布放一个测磁筒），这样可以减小由于测磁仪探头经常移动导致布放位置偏差而带来的测量误差。

3）在舰船艏艉安放DGPS定位设备

为减小由于舰船停泊位置偏差带来的测量误差，可在舰船艏艉安放DGPS定位设备，获取准确的舰船方位信息，从而可以在磁场计算时加以修正，减小误差。

4）重要磁场参数需在良好天气和海况条件下多次测量

对于如航向差等重要磁场参数的测量确定，应选择风平浪静的良好天气和海况条件下进行，对各航向上的磁场数据要多次测量（一般5～10次）取算术平均值，以减小测量过程中不确定干扰因素造成的随机误差。

5）测磁探头及通道必须定期检定校验

测磁探头及通道使用一定时间后（建议通常为1年），必须检定校验测量误差。若误差超出设计指标，则必须进行调试或修理。其中，固定式测磁探头及通道的检定校验可在现场进行；便携式测磁仪可送至具有专门测试设备的消磁仪器检修室进行检拭。同时为了保证测磁筒转向误差不超标，应每半年对平衡装置进行检查调整，经调整仍不符合要求的应及时更换。

6）及时升级大平面磁场测量换算模型

由于大平面磁场测量换算模型是在消磁站建成使用前根据1～2种舰船模型建模设计而成的，对消磁站实际保障的多种型号舰船磁场数据换算针对性和适应性不足，需在使用一定时间（建议通常每3～5年）后，根据实际消磁舰船对象情况，及时对换算软件进行升级。

[1] 张金. 电子系统设计基础[M]. 北京: 电子工业出版社, 2011.

[2] 吴乌明. 舰艇消磁技术与设备.海军广州保障基地,2006.

[3] CCY-2型测磁仪检测维修规程. 海军工程大学,2012.