艦船磁場測量的誤差因素分析

莊志，蔣雪根

（91656部隊，上海 200439）

0 引言

艦船磁場測量是艦船消磁勤務(wù)的第一步工作，磁場數(shù)據(jù)的準確性對艦船消磁質(zhì)量至關(guān)重要。但由于測磁方法、測磁儀器、測磁環(huán)境和測磁人員等因素都會引起測量誤差，若控制不當，會直接導致磁場數(shù)據(jù)不準確，從而影響艦船消磁質(zhì)量。本文從目前實際消磁勤務(wù)中采用的幾種測磁方法入手，參照物理量測量誤差的原因和性質(zhì)分類，對艦船磁場測量中的誤差因素進行了分析，并針對性地提出了減小測量誤差的措施。

1 艦船磁場的測量方法

目前，在艦船實際消磁勤務(wù)中，艦船磁場測量都是在艦船系泊在指定位置后利用以下三種測磁方法之一進行的：

1）便攜式測磁儀測量法

將便攜式測磁儀的磁探頭（即測磁筒）按測量深度要求布放在艦船指定位置的龍骨下方或左（右）舷下方，可從測磁儀面板顯示直接人工讀數(shù)，或測磁儀數(shù)據(jù)輸出口與便攜計算機連接進行磁場數(shù)據(jù)采樣測量。

2）測磁行車測量法

將測磁探頭安裝在雙碼頭之間的行車升降橫梁上，根據(jù)行車與艦船的距離、測量點數(shù)、測量點距離、行車位置等參數(shù)，預置好磁場采樣控制器，調(diào)整升降橫梁高度使測磁探頭位于標準測量深度，開動行車連續(xù)進行測量，測量結(jié)束后將磁場數(shù)據(jù)傳輸至計算機分析處理。

3）大平面磁探頭陣列測量法

在消磁場地水域底部安放磁探頭陣列，由岸上的測磁計算機通過控制機柜進行控制采樣，測磁數(shù)據(jù)輸入至測磁計算機和中心計算機進行分析處理。

2 艦船磁場測量誤差的原因

2.1 物理量測量誤差種類

按物理量測量誤差產(chǎn)生的原因和性質(zhì)可以將誤差分為三大類：

1）系統(tǒng)誤差

系統(tǒng)誤差是指那些在相同條件下多次測量同一被測量時，誤差的絕對值與符號保持恒定，或在條件改變時按某種確定規(guī)律變化的誤差。

系統(tǒng)誤差是由測量原理的近似、測量方法的不完善、所用儀器精度的限制、環(huán)境條件不符合要求以及觀測人員的習慣等因素產(chǎn)生的。測量方案一經(jīng)確定，系統(tǒng)誤差就有一個客觀的確定值。條件一旦變化，系統(tǒng)誤差也按一定規(guī)律變化。具體可將系統(tǒng)誤差分為以下兩類：

（1）定值系統(tǒng)誤差

其特點是在整個測量過程中，該誤差的大小和符號固定不變。

（2）變值系統(tǒng)誤差

其特點是在測量過程中，當測量的條件變化時，誤差的大小和符號按一定規(guī)律變化，其中又分為線性變化的系統(tǒng)誤差和周期性變化的系統(tǒng)誤差。

2）隨機誤差

隨機誤差是指在相同的測量條件下多次測量同一被測量時，誤差的絕對值與符號以不可預定方式變化的誤差。它是必然發(fā)生的，只能設(shè)法減小，而不能徹底消除。

隨機誤差對某一單一測量來說是沒有規(guī)律性的，其大小和方向都是不可預知的，但對同一物理量進行多次反復測量時，則發(fā)現(xiàn)隨機誤差的出現(xiàn)服從正太分布統(tǒng)計規(guī)律。隨機誤差有如下特點：

（1）單峰性

絕對值小的誤差比絕對值大的誤差出現(xiàn)的幾率大，非常大的誤差出現(xiàn)的幾率趨于零。

（2）對稱性

絕對值相等的正和負的誤差出現(xiàn)的幾率相等。

（3）有界性

在一定測量條件下，誤差的絕對值不超過一定限度。

（4）抵償性

隨著測量次數(shù)的增加，隨機誤差的代數(shù)和趨于零，即隨機誤差的算術(shù)平均值將趨于零。因此，可用多次測量的算術(shù)平均值作為直接測量的近似真值。在一定條件下，增加測量次數(shù)可以減小隨機誤差。

3）粗大誤差

由于不正確的操作儀器、觀察有誤、讀錯數(shù)、記錯值等，使測量結(jié)果明顯地被歪曲，由于這種錯誤引起的誤差稱為粗大誤差（或叫過失誤差）。

上述各類誤差之間在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)化。掌握誤差轉(zhuǎn)化的特點，可以將隨機誤差轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)誤差，用修正方法減小其影響。

2.2 艦船磁場測量誤差因素分析

2.2.1 艦船磁場測量方法引起的誤差

1）艦船停泊位置的偏差

按目前實際消磁工作要求，消磁時被消磁艦船的航向誤差不得超過±5°（其中測定航向差和進行綜合消磁時被消磁艦船的航向誤差不得超過±3°）；艦船在磁場測量時，橫傾不得超過±1°。即便艦船按照上述要求停泊，但由于艦船位置與設(shè)定停泊軸線或多或少會存在一些偏差，從而帶來一定的磁場測量誤差。

2）便攜式測磁儀磁探頭布放位置的偏差

將便攜式測磁儀的磁探頭（即測磁筒）按測量深度要求布放在艦船指定位置的龍骨下方或左（右）舷下方時，都會存在或左或右、或前或后、或上或下的偏差，從而帶來磁場測量的誤差。

3）測磁行車磁場數(shù)據(jù)采樣位置的偏差

目前測磁行車主要采用定距離對磁場進行采樣，行車采樣時的停車位置及測量架的放置深度與標準測量點和標準測量深度都存在一定的偏差，從而引起測量存在誤差。

4）大平面磁探頭陣列測量換算的誤差

從大平面測磁探頭陣列測得的磁場值需建模換算成艦船標準測量點下標準測量深度的磁場值，一方面建立的數(shù)學模型存在一定的換算誤差；另一方面建好的統(tǒng)一模型，對不同長短、寬窄的艦船，及同一艦船在不同停泊位置和航向時，換算的精度都有不同，從而導致磁場數(shù)據(jù)存在誤差。

2.2.2 艦船磁場測量儀器引起的誤差

1）儀器測量精度

測磁儀自身存在的對磁信號進行采樣、處理和轉(zhuǎn)換時的系統(tǒng)誤差。

2）零點穩(wěn)定性

在外磁場不變的環(huán)境中，長時間連續(xù)工作時會發(fā)生系統(tǒng)零點漂移。

3）磁探頭轉(zhuǎn)向誤差

磁探頭垂直旋轉(zhuǎn)360°，儀器測量值有微小變化。

4）磁探頭配套誤差

在同樣的環(huán)境和工作條件下，各磁探頭所對應的各測磁通道上的磁場顯示值之間存在偏差以及磁探頭在外強磁場作用后，儀器測量值發(fā)生變化。

5）地磁補償誤差

無論是地磁補償不足，或是過量，都將被疊加在被測磁場中，造成讀數(shù)誤差。同時由于地磁場比艦船磁場要大得多，即使很小的補償偏差，也會使儀器讀數(shù)大大超差。

2.2.3 艦船磁場測量環(huán)境引起的誤差

艦船磁場測量時，風、流、浪的影響可使被消磁艦船發(fā)生搖擺，以致影響測量的準確性。

2.2.4 艦船磁場測量人員引起的誤差

測量人員的誤讀數(shù)和誤操作會直接導致測量出現(xiàn)粗大誤差。另外，在用便攜式測磁儀測量時，操作人員的分辨能力、反應速度及固有習慣等都會引起測量的主觀性系統(tǒng)誤差。

2.2.5 艦船磁場測量過程中不確定干擾因素引起的誤差

如環(huán)境溫度的起伏、電源電壓的波動、空間電磁場的干擾、地磁場的微小變化等在測量過程中存在的難以控制的不確定干擾因素會引起測量的隨機誤差。

3 減小艦船磁場測量誤差的措施

根據(jù)不同種類誤差，消除和減小的方法也不相同。對于系統(tǒng)誤差，只有找出產(chǎn)生該誤差的原因，才能有針對性地采取相應措施，消除產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的根源或限制實際問題的產(chǎn)生。對于隨機誤差，可用多次測量的算術(shù)平均值作為直接測量的近似真值。對于粗大誤差，若采取適當措施是完全可以避免的。筆者根據(jù)前面分析出的各種艦船磁場測量誤差的產(chǎn)生原因和性質(zhì)，提出以下幾項減小艦船磁場測量誤差的綜合措施：

1）艦船盡可能在安裝有固定測磁系統(tǒng)的消磁站進行測消磁

顯而易見，行車測磁方法和大平面磁探頭陣列測磁方法比便攜式測磁儀測磁法要準確許多。這兩種測磁系統(tǒng)一經(jīng)建成，每次測量由測磁行車磁場數(shù)據(jù)采樣位置偏差或大平面磁探頭陣列測量換算精度引起的系統(tǒng)誤差便基本不變，日后可用修正的方法減小系統(tǒng)誤差，提高精確度。

2）使用便攜式測磁儀時最好采用多探頭測磁方法

對于消磁船或無固定測磁系統(tǒng)的消磁站，必須用便攜式測磁儀測量磁場時，可采取多探頭測量方法。即在艦船龍骨下各測量點都布放一個測磁筒（有條件的話，還可在有舷下測量點的位置左右舷各布放一個測磁筒），這樣可以減小由于測磁儀探頭經(jīng)常移動導致布放位置偏差而帶來的測量誤差。

3）在艦船艏艉安放DGPS定位設(shè)備

為減小由于艦船停泊位置偏差帶來的測量誤差，可在艦船艏艉安放DGPS定位設(shè)備，獲取準確的艦船方位信息，從而可以在磁場計算時加以修正，減小誤差。

4）重要磁場參數(shù)需在良好天氣和海況條件下多次測量

對于如航向差等重要磁場參數(shù)的測量確定，應選擇風平浪靜的良好天氣和海況條件下進行，對各航向上的磁場數(shù)據(jù)要多次測量（一般5～10次）取算術(shù)平均值，以減小測量過程中不確定干擾因素造成的隨機誤差。

5）測磁探頭及通道必須定期檢定校驗

測磁探頭及通道使用一定時間后（建議通常為1年），必須檢定校驗測量誤差。若誤差超出設(shè)計指標，則必須進行調(diào)試或修理。其中，固定式測磁探頭及通道的檢定校驗可在現(xiàn)場進行；便攜式測磁儀可送至具有專門測試設(shè)備的消磁儀器檢修室進行檢拭。同時為了保證測磁筒轉(zhuǎn)向誤差不超標，應每半年對平衡裝置進行檢查調(diào)整，經(jīng)調(diào)整仍不符合要求的應及時更換。

6）及時升級大平面磁場測量換算模型

由于大平面磁場測量換算模型是在消磁站建成使用前根據(jù)1～2種艦船模型建模設(shè)計而成的，對消磁站實際保障的多種型號艦船磁場數(shù)據(jù)換算針對性和適應性不足，需在使用一定時間（建議通常每3～5年）后，根據(jù)實際消磁艦船對象情況，及時對換算軟件進行升級。

[1] 張金. 電子系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2011.

[2] 吳烏明. 艦艇消磁技術(shù)與設(shè)備.海軍廣州保障基地,2006.

[3] CCY-2型測磁儀檢測維修規(guī)程. 海軍工程大學,2012.