地磁测量误差补偿试验装置的制作方法

本发明涉及测量设备技术领域，尤其涉及一种地磁测量误差补偿试验装置。

背景技术：

高精度导航定位是潜艇、飞机、卫星导航和导弹制导的关键技术之一，是世界各国研究的热点。目前，常用的导航定位方式有惯性导航、卫星导航和岸基无线电导航等。这些导航方式都有各自的不足，比如：惯性导航技术存在误差积累的缺点，gps信号容易受到干扰，岸基无线电导航方式又容易暴露位置等。所以国内外学者一直在探索一种具有精度高、隐蔽性好等优点的导航方式。

地磁场是地球固有的物理场，所以利用地磁场进行导航具有被动接收、隐蔽性好，误差不随时间积累等优点；可以提供全天时、全天候、全地域的导航定位及姿态信息，而且地磁传感器体积小，价格便宜，能耗低，易于集成。基于此，利用地磁与其他导航方式相结合的组合导航方式备受人们的关注。

地磁向量场信息的实时准确获取是实现高精度地磁导航控制的基础。但是，安装地磁测量传感器的运载体多由铁磁物质等材料制成，这些铁磁物质在地磁场的作用下，容易产生感应磁场，所以地磁场的测量会受到地磁传感器周围铁磁物质的干扰。传感器实时测量的是其周围的磁场信息，该磁场既包括基本的地磁场，也包括传感器周围的铁磁材料和导线圈产生的干扰磁场。若在地磁测量中忽视载体等干扰磁场的信息，则会引起很大的地磁测量噪声，大大减小磁测数据的信噪比，降低地磁导航的精度。因此，必须对地磁测量中的载体磁场进行补偿，以提高地磁导航的精度。

设真空中的地磁场为，由于磁介质发生磁化而产生的附加磁场为，则磁介质周围的总磁场为。而不同的磁介质对磁场产生的影响也不同，就磁性而言，磁介质材料可以分为三类：

（1）顺磁材料：这类物质在外磁场中呈现十分微弱的磁性，并且磁化后的附加磁场与方向相同。如锰、铬、铂等；

（2）抗磁材料：与顺磁物质同属于弱磁性物质，但是，他们它们的附加磁场与方向相反。比如：氢、铜、金、银等；

（3）铁磁材料：这类物质在外磁场作用下会产生很大的附加磁场，且与原磁场方向相同。比如：铁、钴、镍及其合金等。

铁磁材料按照其矫顽力的大小又可以分为硬磁材料和软磁材料。硬磁材料是指磁化后不易退磁而能长期保留磁性的一种铁氧体材料，也称为永磁材料或者恒磁材料。它的磁场强度可以认为是不变的，不会随着载体姿态或位置的变化而变化。由于磁传感器的体积很小，因而可以认为存在于磁传感器周围的硬磁材料产生的附加磁场在传感器周围是均匀分布的。这时，传感器测得的磁场数据既包含地磁场分量，也包含硬磁材料产生的附加磁场。因为硬磁物质与传感器相对位置不变，所以载体任意位置下的附加磁场在传感器三轴上的分量不变，因而相对容易补偿。

软磁材料指具有较低的矫顽力和高磁导率的磁性材料。软磁材料易于磁化，也易于退磁。其对传感器测量的影响程度主要取决于两个方面：材料本身的磁化系数和环境的磁场。不同材料，在不同磁场中产生的附加磁场变化较大，补偿起来相对困难。

载体磁场引起的误差可以通过设计适当的算法进行补偿。补偿精度需要设计精密的实验台进行验证。目前也有一些三轴转台能够模拟多种功能，但是在进行试验时，仍存在铅垂度误差、倾角误差等，并且能够应用于地磁测量误差补偿的试验装置近乎空白。常规的三轴转台存在以下缺点：其材料势必会产生较大的干扰磁场，影响地磁场的测量；没有设计用于改变传感器与载体相对位置的多自由度调节装置；没有设计用于测试前调节装置水平的调平装置；没有设计平动装置。因此，研制一款高精度、低成本、能够用于测量地磁干扰磁场的专业装置势在必行。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种地磁测量误差补偿试验装置，能够实现存在干扰源情况下的地磁场总强度的精确测量，能够对地磁测量补偿算法进行验证，可以应用于地磁数据库的建立、地磁导航等地磁测量或应用领域的研究。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种地磁测量误差补偿试验装置，包括能够六自由度调整的转台，所述转台包括底座及其上方的转动机构，所述转动机构与工作台相连，所述转动机构包括俯仰运动组件、倾斜运动组件和方位角调整组件，通过转动机构实现俯仰角、倾斜角和方位角的调整；所述底座底部设有调平机构；所述工作台中部垂直设有支撑架，所述支撑架顶部设有传感器夹紧台，所述工作台上方还设有模拟载体夹紧台，所述模拟载体夹紧台通过三自由度平动机构与工作台相连，所述平动机构包括垂直运动组件和水平运动组件；所述地磁测量误差补偿试验装置选用无磁材料制作。

优选地，所述俯仰运动组件包括俯仰轴、俯仰轴蜗杆和俯仰轴蜗轮，所述俯仰轴固定在工作台底部，所述俯仰轴蜗杆与俯仰轴固定相连，与俯仰轴蜗杆配合的俯仰轴蜗轮固定在转轴上；所述倾斜运动组件包括倾斜轴和倾斜轴蜗杆，所述倾斜轴蜗杆设置在支架上，与倾斜轴蜗杆配合的倾斜轴蜗轮与倾斜轴固定连接；所述方位角调整组件包括方位轴、方位蜗杆及方位轴蜗轮，所述方位轴与支架相连，所述方位轴与方位轴蜗轮固定相连，所述方位蜗杆及方位轴蜗轮均设置在护罩内。

优选地，所述垂直运动组件包括立柱导轨、立柱滑块及立柱锁紧块，所述立柱导轨为两个、且对称设置在工作台上，所述立柱滑块套装在立柱导轨上，所述立柱锁紧块与立柱滑块配合，所述立柱滑块能够通过立柱锁紧块固定在立柱导轨上；两个立柱滑块之间设有水平运动组件。

优选地，所述水平运动组件包括左右运动部件和前后运动部件，所述前后运动部件包括y柱支架、y柱锁紧滑块和y柱锁紧螺杆，所述y柱支架设置在水平框架两侧、且其两端固定在水平框架内侧，所述水平框架均与两侧立柱滑块固定相连，所述y柱锁紧滑块设置在y柱支架上，所述y柱锁紧螺杆与y柱锁紧滑块配合，通过y柱锁紧螺杆能够将y柱锁紧滑块固定在y柱支架上；所述左右运动部件包括x柱导轨、x柱滑块和x柱锁紧块，所述x柱导轨为平行并列的两根、且均固定在y柱锁紧滑块上，所述x柱滑块设置在x柱导轨上、且能够通过x柱锁紧块固定在x柱滑块上。

优选地，所述俯仰轴下方设有刻度盘i，所述刻度盘i上设有游标i，所述护罩上方设有刻度盘ii，所述刻度盘ii边缘设有游标ii，所述游标ii设置在游标座上。

优选地，所述倾斜轴蜗杆、俯仰轴蜗杆及方位蜗杆端部均安装调节手轮。

优选地，所述工作台及模拟载体夹紧台上表面均设有调平水泡，所述工作台上表面设有两个相互垂直的调平水泡，所述模拟载体夹紧台边缘设有一个调平水泡。

优选地，所述调平机构包括调平地脚、调平螺杆和螺帽，所述调平螺杆贯穿转台的底座设置、且底部设有调平地脚，所述调平螺杆通过螺帽与转台的底座固定连接。

优选地，所述俯仰角及倾斜角的调整范围均为正负40度，所述方位角的调整范围为360度。

进一步地，所述调平螺杆上端设有调平手轮。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：通过转动机构的俯仰运动组件、倾斜运动组件和方位角调整组件驱动工作台进行俯仰角、倾斜角和方位角的调整，实现工作台六自由度的调整，进而改变模拟载体与地磁传感器的姿态角及相对位置。利用本发明能够通过检测不同地磁传感器姿态角、模拟载体与地磁传感器不同相对位置下的地磁场总强度，通过计算补偿载体感应磁场，得到精确的大地磁场强度。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明实施例提供的一种地磁测量误差补偿试验装置的结构示意图；

图2是工作台上调平水泡的示意图；

图3是模拟载体夹紧台的安装示意图；

图中：1-调平地脚；2-螺帽；3-调平螺杆；4-轴套；5-螺母；6-调平手轮；7-螺钉；8-底座；9-压片；10-垫片；11-转接块；12-护罩；13-刻度盘ii；14-调节手轮；15-倾斜轴蜗杆；16-倾斜轴；17-支架；18-游标i；19-刻度盘i；20-立柱导轨；21-压板；22-支架；23-传感器夹紧台；24-顶紧螺丝；25-立柱锁紧块；26-立柱滑块；27-y柱支架；28-y柱锁紧滑块；29-y柱锁紧螺杆；30-锁紧手轮；31-螺钉；32-模拟载体夹紧台；33-x柱滑块；34-x柱锁紧块；35-x柱导轨；36-工作台；37-俯仰轴；38-压紧条；39-调整螺钉；40-俯仰轴蜗轮；41-俯仰轴蜗杆；42-轴承座；43-轴承；44-盖板；45-游标ii；46-游标座；47-方位轴蜗轮；48-方位轴；49-调平水泡。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，本发明提供的一种地磁测量误差补偿试验装置，包括能够六自由度调整的转台，所述转台包括底座8及其上方的转动机构，所述转动机构与工作台36相连，所述转动机构包括俯仰运动组件、倾斜运动组件和方位角调整组件，通过转动机构实现工作台的俯仰角、倾斜角和方位角的调整；所述底座底部设有调平机构；所述工作台36中部垂直设有支架22，所述支架22顶部设有传感器夹紧台23，所述工作台36上方还设有模拟载体夹紧台32，所述模拟载体夹紧台32通过三自由度平动机构与工作台36相连，所述平动机构包括垂直运动组件和水平运动组件；所述地磁测量误差补偿试验装置选用无磁材料制作，可选用铝合金或无磁不锈钢等无磁材料来制作。整个装置大到台面、支架，小到螺钉、螺栓等部件均由铝合金等无磁不锈钢材料制作而成，确保转台在大地磁场中不会产生感应磁场，避免对地磁场的测量带来干扰。将模拟载体放置在工作台上方的模拟载体夹紧台内夹紧，将地磁传感器放置在传感器夹紧台上，通过转动机构和平动机构来改变模拟载体与地磁传感器的相对位置，细化不同位置下载体干扰磁场对地磁场的影响，提高地磁场的测量精度。

作为一种优选结构，所述俯仰运动组件包括俯仰轴37、俯仰轴蜗杆41和俯仰轴蜗轮40，所述俯仰轴固定在工作台底部，所述俯仰轴蜗杆与俯仰轴固定相连，与俯仰轴蜗杆配合的俯仰轴蜗轮固定在转轴上；所述倾斜运动组件包括倾斜轴16和倾斜轴蜗杆15，所述倾斜轴蜗杆15设置在支架上，与倾斜轴蜗杆配合的倾斜轴蜗轮与倾斜轴固定连接，倾斜轴与转轴同轴固定；所述方位角调整组件包括方位轴48、方位蜗杆及方位轴蜗轮47，所述方位轴与支架底部相连，所述方位轴48与方位轴蜗轮47固定相连，所述方位蜗杆及方位轴蜗轮均设置在护罩12内。俯仰运动组件、倾斜运动组件和方位角调整组件均选用蜗轮蜗杆传动，整体结构更紧凑，具备较大的传动比，同时也具备自锁功能。

其中，所述俯仰角及倾斜角的调整范围均为正负40度，所述方位角的调整范围为360度。为了精确确定调整角度，所述俯仰轴下方设有刻度盘i19，所述刻度盘i上设有游标i18，所述护罩12上方设有刻度盘ii13，所述刻度盘ii13边缘设有游标ii45，所述游标ii45设置在游标座46上。倾斜轴蜗轮与位于其下方的刻度盘ii相固联，即通过转动倾斜轴蜗杆，实现倾斜角正负40度范围的调节。俯仰轴的轴承与工作台相固联，其调节装置与位于其下方的倾斜轴部分相固联，即满足调节俯仰角时，在原有倾斜角姿态的基础上进行俯仰角的改变，实现了单独调节，叠加控制，即俯仰倾斜姿态的调节互不干扰。俯仰角的调节范围也为正负40度。方位角调整组件位于转台下方、且与底座相联，刻度盘i与方位蜗杆端部的调节手轮14以蜗轮蜗杆的方式相互铰链，通过转动调节手轮，可以实现方位角（航向角）360度范围的调节。

为了调节方便，转动机构均采用手动的方式进行调节，没有光电编码器与感应同步器，在读取刻度时采用的是刻度盘和游标构成角度的读取机构，俯仰角、倾斜角以及方位角的精度可以达到。

另外，该转台没有一般意义的轴系，采用滑动摩擦轴系，除了施加径向的约束外，还需要轴向约束。如：俯仰运动组件的支架内设计有一楔形铜条，当螺钉旋紧时，铜条紧贴在俯仰轴上，产生轴向力和向下的压力，螺钉旋入的深度不同，铜条对俯仰轴的预紧力也不同。基于此，转台显得结构小巧，简单，操作方便、快捷。

在本发明的一个优选实施例中，所述垂直运动组件包括立柱导轨20、立柱滑块26及立柱锁紧块25，所述立柱导轨20为两个、且对称设置在工作台36上，所述立柱滑块套装在立柱导轨上，所述立柱锁紧块与立柱滑块配合，所述立柱滑块能够通过立柱锁紧块固定在立柱导轨上；两个立柱滑块之间设有水平运动组件。

其中，所述水平运动组件包括左右运动部件和前后运动部件，所述前后运动部件包括y柱支架27、y柱锁紧滑块28和y柱锁紧螺杆29，所述y柱支架27设置在水平框架两侧、且其两端固定在水平框架内侧，所述水平框架均与两侧立柱滑块26固定相连，所述y柱锁紧滑块设置在y柱支架上，所述y柱锁紧螺杆与y柱锁紧滑块配合，通过y柱锁紧螺杆能够将y柱锁紧滑块固定在y柱支架上；所述左右运动部件包括x柱导轨35、x柱滑块33和x柱锁紧块34，所述x柱导轨为平行并列的两根、且均固定在y柱锁紧滑块上，所述x柱滑块设置在x柱导轨上、且能够通过x柱锁紧块固定在x柱滑块上。

上述平动机构的垂直运动组件及水平运动组件的左右运动部件和前后运动部件均选用导柱滑块配合的方式，具有操作简便、定位精度高、运动平稳等优点，能够实现模拟载体夹紧的垂直方向、水平面的前后和左右两个方向的位置调整，即三个自由度（三个方位）的平行运动，从而可以改变模拟载体与地磁传感器的相对位置，细化不同位置下载体干扰磁场对地磁场的影响，提高地磁场的测量精度。

为了方便调整，所述倾斜轴蜗杆15、俯仰轴蜗杆41及方位蜗杆端部均安装调节手轮14。

在本发明的一个具体实施例中，如图2、3所示，所述工作台及模拟载体夹紧台上表面均设有调平水泡49，所述工作台上表面设有两个相互垂直的调平水泡49，所述模拟载体夹紧台边缘设有一个调平水泡49。

在本发明的一个优选实施例中，所述调平机构包括调平地脚1、调平螺杆3和螺帽2，所述调平螺杆3贯穿转台的底座8设置、且底部设有调平地脚1，所述调平螺杆3通过螺帽2与转台的底座8固定连接。转台设计有三个调平地脚，具有60mm高度的调整范围。同时，为了方便操作，所述调平螺杆上端设有调平手轮6。只要转台的重心偏离方位轴中心线不超过220mm时，可以保证转台台体不发生倾覆，确保转台台体安全。利用调平机构对转台进行调平，其精度可以达到，即转台在、、、四个位置，台面的水平度不大于。无需借助电子水平仪等高精度仪器，只需通过调平气泡调整调平地脚，即可满足上述要求，调整手段简单易行，节省时间，精度较高。

本发明装置的转动机构、平动机构以及调平装置等均为无磁材料，不会对地磁测量带来任何干扰。转动机构采用蜗轮蜗杆的方式，平动机构采用导柱滑块的方式，调节更方便快捷。地磁测量精度较高，并且大大降低了测量所需的成本。本发明装置设计精度较高，转台台面的平行度不大于，平面度不大于0.1mm；转动机构中航向角的调节范围为，俯仰角、倾斜角调节范围均为，三个姿态角的误差均不大于；相对位置调节误差不大于；工作台面安装的正交调平水泡，其误差不大于；模拟载体夹紧台凹槽底面相对于台面在三轴方向的位置误差不大于.本发明装置调节方便，六个自由度均能实现手动调节，通过旋转调节手轮，即能改变模拟载体、地磁传感器的姿态角；滑动放置模拟载体的模拟载体夹紧台，可以改变模拟载体与地磁传感器的相对位置；各个调节部分均设计有自锁装置，确保装置安全可靠。本发明选用无磁材料制作而成，不会在地磁场中产生感应磁场，不会引起地磁测量干扰。该发明能够通过检测不同地磁传感器姿态角、模拟载体与地磁传感器不同相对位置下的地磁场总强度，通过计算补偿模拟载体感应磁场，得到精确的大地磁场强度。

本发明装置具体操作过程如下：

测试前操作：将转台放置在水平地面上，通过观察工作台面的两只调平水泡，旋转调平手轮6对转台进行调平。当调平水泡居中后，将转台转动，，，依次记录转台在四个角度时调平水泡的位置。和方向上，将转台调整至两位置的中间值。比如：假如位置时的水泡为+3格，位置时的水泡位置为-1格，通过旋转调平手轮6，调整调平地脚，使水泡为+2格，即两位置的中间值。和按照同样的方式进行调整，直至转台转动，，，四个位置，水泡变动不超过3格，认为此时转台达到水平，即调平完毕。此时的四个位置水平度不大于。当调整结束后，将地脚圆形螺帽2和螺母5分别锁紧，避免台体轻微晃动。

测试操作：为调整方便，转台设计为六自由度手动转台，分为转动部分和平动部分。转动部分包括俯仰角、倾斜角和航向角（方位角）的调整。与工作台相连的转动部分为俯仰轴37。俯仰轴37正向转动时（操作者面对刻度盘i19，逆时针转动方向为正），即工作台向左倾斜，应把左端倾斜轴蜗杆端部的调节手轮卸下，避免影响转台正常工作。通过转动两侧的位于俯仰轴蜗杆41上的调节手轮，俯仰轴37便可以带动工作台转动。转动的度数由刻度盘i19与游标i18配合读出，其读数方法与游标卡尺的读数方法相同（最小刻度为）。俯仰轴的运动范围为，当超过运动范围时，停止转动调节手轮，避免损坏机件。倾斜轴与俯仰轴的使用方法相同，其运动范围为。方位轴的使用方法类似，通过旋转位于方位轴48上的调节手轮，可以使转台水平转动，借助刻度盘ii13和游标ii45配合读出当前的方位角。从而实现转台俯仰角、倾斜角以及方位角的调节。

平动机构的操作：在进行平动机构操作前首先要确保工作台面的调平气泡处于零位。当转台水平后，可以通过轻轻握住立柱滑块26，使其在立柱导轨20上平稳滑动，当工作台运动到合适位置时，先旋紧一侧的螺钉，使立柱锁紧块25锁紧。然后观察模拟载体夹紧台32上的调平水泡，调整未锁紧的立柱滑块，使调平水泡处于零位，并锁紧立柱滑块，再次确认工作台上调平水泡处于零位。从而实现平动机构的竖直运动。

当进行平动机构的水平运动时，首先检查立柱滑块26是否处于锁紧状态，若未锁紧，按照上述竖直运动的操作进行处理。在做前后水平运动时，要双手握住水平y柱锁紧滑块侧面的水平框架，轻轻用力，使y柱锁紧滑块平稳滑动，运动到合适位置后旋转y柱锁紧螺杆上端的锁紧手轮30，将y柱锁紧滑块28锁紧。此时观察工作台面的调平水泡，通过转动相应蜗杆的调节手轮，使其处于零位。

进行平动机构的左右运动前，先检查立柱滑块26与水平滑块是否处于锁紧状态，若未锁紧，按照相应的操作步骤进行锁紧操作。在进行左右运动时，双手握住模拟载体夹紧台32，轻轻用力，使x柱滑块33在x柱导轨35上平稳滑动，当运动到合适位置时，旋紧x柱锁紧滑块34，确保模拟载体夹紧台32稳固。

模拟载体及地磁传感器的固定：将地磁传感器安装于传感器夹紧台23上，旋紧顶紧螺丝24，使地磁传感器稳固在传感器夹紧台上。之后将模拟载体放置于模拟载体夹紧台32上，通过模拟载体夹紧台上的顶紧螺钉使载体稳固。传感器夹紧台23相对于转台面在三轴方向的误差不大于，并且传感器夹紧台与模拟载体夹紧台保持同向，其相对位置误差不大于。

本发明装置应用于地磁测量误差补偿算法验证时的试验步骤：

（1）按照以上测试前操作进行装置的调平处理。直到使转台转动，，，四个位置，水泡变动不超过3格，认为此时转台达到水平；

（2）将地磁测量传感器固定在传感器夹紧台23上，轻轻旋转方位轴手轮、俯仰轴手轮、倾斜轴手轮，使传感器姿态角在方位角360度，倾斜角、俯仰角正负40度范围内进行调节，并测量不同姿态时的地磁场强度，通过信号采集装置获取多组不同姿态位置下的地磁场测量值，并记录对应的姿态角；

（3）将步骤（2）获取的磁场强度及其对应的姿态角输入到计算机处理软件中，通过设置的补偿算法进行补偿计算，得到没有载体干扰时的大地磁场强度；

（4）将预先准备好的模拟载体安装在模拟载体夹紧台32上，双手握住立柱滑块26，缓慢推动，使其在立柱导轨20上平稳滑动，当移动到合适的竖直位置时，固定一端的立柱锁紧块25，观察载体夹紧台32上的调平水泡49，调节另一端的立柱滑块26，直至调平水泡49处于零位，锁紧立柱锁紧块25；之后，双手握住水平滑块侧面的连杆，轻轻用力，使y柱锁紧滑块28在y柱支架27上进行平稳滑动，当连杆运动到合适的前后位置时，旋紧锁紧手轮30，使连杆稳固；之后，双手握住x柱滑块33，轻轻用力，使其在x柱导轨上平稳滑动，当滑块运动到合适的左右位置时，通过x柱锁紧滑块34将其固定在x柱导轨35上。从而，通过平动机构完成模拟载体与地磁测量传感器相对位置的改变。之后，调节三轴手轮，使装置重复步骤（2）中的各组姿态位置角，用地磁测量传感器测量对应步骤（2）中各组姿态位置下的大地磁场总强度，通过信号采集装置获取多组不同姿态位置下的地磁总场测量值，并记录对应的姿态角；

（5）将步骤（4）获取的磁场总强度及其对应的姿态角输入到计算机处理软件中，通过设置的补偿算法进行补偿计算，得到存在载体干扰时的大地磁场强度以及载体产生的感应磁场强度；

（6）在相同的测试位置点，选取不同于步骤（2）、步骤（4）的姿态位置角，重复步骤（4）的操作，得到多组不同姿态位置下的大地磁场总强度，并进行数据采集，传输到计算机软件中进行补偿计算，验证设计算法的补偿精度。

在上面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受上面公开的具体实施例的限制。