基于动态学习策略多群体粒子...站水下磁传感器位置校正方法_王玉芬 (1).pdf

第 44 卷第 2 期2 0 2 3 年 2 月兵工学报ACTA AMAMENTAIIVol 44 No 2Feb2023DOI:10 12382/bgxb 2021 0740基于动态学习策略多群体粒子群的消磁站水下磁传感器位置校正方法王玉芬，周国华，吴轲娜，李林锋(海军工程大学 电气工程学院，湖北 武汉 430000)摘要:消磁站海底敷设磁传感器是舰艇磁场测量的主要形式之一，水下磁传感器的位置偏差直接影响着舰艇磁场的测量精度和防护能力评估。针对现有方法难以准确定位消磁站水下磁传感器的问题，提出一种基于动态学习策略多群体粒子群的消磁站水下磁传感器位置校正方法。该方法首先将通电载流线圈等效成磁偶极子磁源，再通过线性多重计量方法改变磁源与磁传感器的相对位置以获取多组磁传感器磁场测量数据，据此建立水下磁传感器位置校正模型，并采用动态学习策略多群体粒子群优化算法优化求得位置偏差矢量，从而实现水下磁传感器位置的高精度校正。在综合分析磁偶极子等效误差等主要影响因素的基础上，设计了数值模拟实验和物理缩比模型实验，结果表明:该方法可有效解决消磁站水下磁传感器的位置校正问题，校正后 x 轴、y 轴和 z 轴三个方向的位置误差均小于 0.1 m。经过校正后的消磁站磁场测量精度可以满足舰艇磁场测量要求，该方法可以对消磁站位置安装偏差不大于 0.3 m 的水下磁传感器完成校正工作，具有较好的实用价值。关键词:水下磁传感器;位置校正;磁偶极子;多群体粒子群中图分类号:P229文献标志码:A文章编号:1000-1093(2023)02-0526-08收稿日期:2022-06-11基金项目:国家自然科学基金项目(51107145、51377165);海军工程大学自助立项科研项目(2022504070)Underwater Magnetic Sensor Position Correction Method Based onMulti-Population Particle Swarm Optimization UsingDynamic Learning StrategiesWANG Yufen，ZHOU Guohua，WU Kena，LI Linfeng(School of Electrical Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430000，Hubei，China)Abstract:Laying magnetic sensors on the seabed of the magnetic deperming facility is one of the mainways to measure shipsmagnetic field The position deviation of underwater magnetic sensors directlyaffects the measurement accuracy and evaluation of protection ability of shipsmagnetic field To addressthe problem that the existing methods are difficult to accurately locate the underwater magnetic sensors ofthe deperming station，a position correction method of underwater magnetic sensors of the depermingstation based on multi-population particle swarm optimization(PSO)using dynamic learning strategies isproposed Firstly，the energized current-carrying coil is equivalent to a magnetic dipole magnetic source，and then the relative position between the magnetic source and the magnetic sensor is changed by the第 2 期基于动态学习策略多群体粒子群的消磁站水下磁传感器位置校正方法linear multi-measurement method to obtain the magnetic field measurement data of the multiple groups ofmagnetic sensorsBased on this，the position correction model of underwater magnetic sensors isestablished，and the position deviation vector is optimized by the multi-population PSO algorithm usingdynamic learning strategies，thus realizing the high-precision correction of the position of the underwatermagnetic sensors Based on the comprehensive analysis of the main influencing factors such as theequivalent error of the magnetic dipole，the numerical simulation and physical scale model experiment aredesigned The results show that:this method can effectively solve the problem of position correction ofunderwater magnetic sensors in the deperming station;after correction，the position errors in x，y and zdirections are less than 0.1 m;the magnetic field measurement accuracy of the deperming station aftercorrection can meet the requirements of shipsmagnetic field measurement This method can completethe correction of the underwater magnetic sensors with a position deviation of no more than 0.3 m，andhas good practical valueKeywords:underwater magnetic sensors;position correction;magnetic dipole;multi-population particleswarm optimization0引言消磁是保证舰艇航行安全及战斗力的必要措施，准确测量舰艇磁场是实施消磁的重要前提1 2。目前一般通过消磁站海底敷设的磁传感器测量舰艇磁场。在消磁站水下磁传感器安装过程中，由于海洋复杂环境与水下安装工作困难等因素影响，实际工程中磁传感器安装位置与理想位置存在一定的偏差。考虑到水下磁传感器的现有安装工艺水平，位置偏差幅值约 0.3 m，一定程度上给舰艇磁场测量带来了误差。为提高舰艇磁场测量精度，必须对消磁站水下磁传感器的位置进行校正。目前最常见的方法是通过声波或光波等介质对传感器进行定位，但是消磁站半封闭式的环境和浑浊的水质给声波和光波定位的实施带来了困难3。相比而言，利用已知位置的磁源，通过磁传感器的磁场测量值来反推磁传感器的位置，给水下磁传感器定位提供了一种可行的技术思路4 6。文献 7 研究了根据三轴磁力计和已知磁偶极子的船只定位水下传感器网络。文献 8 研究了在某些磁传感器上加装辅助螺线管线圈对动态检测站的磁传感器进行定位。文献 9 研究了采用海面通电线圈作为磁偶极子磁源，使用深度传感器，将三维问题简化为二维问题，再求解位置矢量。文献 10 研究了利用磁偶极子完备性得到的位置矢量解析表达式对动态检测站临时布防的磁传感器进行快速定位。文献 11研究了基于模值的标量定位方式解决背景地磁异常对磁传感器的影响。文献 12介绍了基于振荡磁场的水下定位方法。这些方法为消磁站水下磁传感器定位提供了一定参考意义，但由于应用背景的条件差异，上述方法直接应用于消磁站水下磁传感器位置误差校正难以达到厘米级定位要求。本文提出一种利用岸上已知位置的载流线圈作为磁源，以消磁站水下磁传感器理想安装位置为初始输入，通过磁传感器测量数据优化反演其位置矢量偏差，再确定水下磁传感器实际位置的定位方法，为消除位置偏差对舰艇磁场测量的影响奠定了基础。1磁传感器位置偏差对磁场测量精度的量化关系研究为定量分析水下磁传感器位置偏差给舰艇磁场测量带来的影响，采用 COMSOL 有限元仿真软件建立潜艇垂向感应磁场 Ziz数值仿真模型。按图 1 所示建立坐标系 Oxyz，Pm表示磁传感器的实际位置，P(x，y，z)表示磁传感器的理想位置。设置垂向背景场为35 000 nT，龙骨下11 个感应磁场计算点坐标取为:x 取 25 25 m、间距 5 m，y 取 0 m，z 取 15 m。为模拟不同幅值的位置偏差对磁传感器磁场测量的影响，选取一个磁场计算点随机耦合幅值为 0.1 0.4 m 的位置偏差，并开展 100 次数值仿真实验。图 2 给出了龙骨下 11 个计算点位置误差水平为 0.3 m 时的感应磁场 Ziz与理想情况下的对比图。表 1 给出了计算点 P(15 m，0 m，15 m)在不同位725兵工学报第 44 卷图 1潜艇物理模型几何示意图Fig 1Geometric diagram of a submarine s physical model置偏差幅值下的磁场测量误差。图 2龙骨下磁场对比Fig 2Comparison of magnetic field under the keel表 1磁传感器位置偏差仿真结果Table 1Simulation results of sensor position deviation序号位置偏差幅值/m最大绝对误差/nT10.14320.25930.38740.4100表 1 的结果表明，随着位置偏差的增大，磁场测量误差越来越大;实际工程中磁传感器 0.3 m 的安装偏差可带来上百纳特的误差，直接降低了舰艇磁场测量精度，进而影响了舰艇磁性防护能力评估;当磁传感器位置偏差为 0.1 m 时，舰艇磁场测量误差可控制在 50 nT 以内，满足舰艇磁场测量要求。2磁传感器位置校正模型2.1位置校正模型如图 3 所示，ri(xi，yi，zi)(i=1，2，s，s 为测量位置的个数)表示理想位置 P(x，y，z)相对于磁源的位置矢径，rm表示实际位置 Pm相对于磁源的位置矢径，r(x，y，z)表示磁传感器的位置偏差，磁源从 C1不连续移动到 Cs。由于消磁站多采用单轴(z 轴)磁传感器采集舰艇磁场数据，并考虑到借助万向平衡机构，磁传感器可准确获取磁场垂向分量Bz，采用 Bz开展磁传感器的位置校正工作。图 3位置校正原理示意图Fig 3Schematic diagram of position correction磁传感器位置校正的基本原理为:磁源沿预设轨迹不连续移动，同时磁传感器测量并记录磁场垂向分量 Bz，根据磁传感器