海域环境特别是水下环境中运行的载体主要采用惯性导航系统进行导航,其短时间内精度较高,但误差会随时间不断累积,需定期浮出水面利用卫星定位等其他导航方式对方位进行修正,因此降低了其安全性和隐蔽性。近年来地磁导航方法已成为惯导装置重要的辅助手段之一。但实现地磁辅助导航的前提是能够对地磁场进行测量,对于海域环境下地磁场的测量需要依靠舰船、水下机器人或其它水下航行器等载体。这些载体大多是由铁磁性材料建造而成,当受到地磁场环境的磁化作用时,在载体的周围会产生一些附加磁场,这些复杂磁场将对地磁场的检测造成干扰。本论文以国家“十二五”某科研项目为依托进行前瞻性预研,主要针对铁磁性载体周围复杂干扰磁场和地磁场进行分离的方法进行研究,在传统检测方法基础之上提出了两种基于差分原理的地磁场检测方法,建立了新的磁矢量差分检测模型,通过引入系数参量推导出磁矢量差分解算模型,并对相关参数的求解算法进行了研究,通过仿真研究和实验研究分别对检测方法进行了可行性分析和验证,为地磁场矢量在海域环境下的实地检测奠定了基础。本文的主要研究工作和内容包括以下几部分:1、铁磁性载体周围磁场空间分布特性研究。对载体周围磁场的种类和产生机理进行研究,主要针对感应磁场和固定磁场的特性进行分析,通过对感应磁场幅值随距离载体位移变化的衰减曲线研究,总结出感应磁场的空间分布特性。通过改变地磁场大小对感应磁场变化情况进行仿真,归纳出感应磁场与地磁场幅值之间的变化规律。对地磁要素进行分析,阐述地磁场球冠谐模型的理论计算方法和基本原理。对可能造成载体磁场干扰的设备或其他磁源,如岸边磁源、涡流磁场和水面舰船等的磁场特性进行仿真分析,总结出这些磁场的分布规律,为地磁场矢量差分检测方法研究提供依据。2、铁磁性载体地磁场矢量差分检测方法理论研究。分析了国外提出的传统船载式三分量测量(STCM)方法的检测原理和检测过程,针对STCM检测模型存在的不足,提出了基于不同时间节点的时间差分检测(TDD)方法和基于不同空间位置的空间差分检测(SDD)方法,并对感应磁场关系矩阵、感应磁场和固定磁场的差分参量的求解方法做了详细的分析以及优化,即使载体周围空间中存在磁异常,相关参量也能得到较好的估计结果,降低了参数求解过程中对背景环境的要求,提高了方法的适应性。提出了TDD方法和SDD方法中传感器不正交度的标定方法,并对TDD方法中可能造成的误差进行了分析。对SDD方法中传感器的空间布局进行了优化,解决了由于多个传感器安装位置不当导致的差分参量可能出现奇异矩阵的问题。对两种差分检测方法的适用条件和应用环境进行了分析。3、铁磁性载体强干扰环境地磁场矢量检测仿真研究。本文针对海域环境下铁磁性载体周围地磁场空间分布特性和磁场检测需求,在现有通用仿真软件中不具备针对铁磁性载体磁场特性分析和磁矢量检测方法数据同步仿真研究能力的情况下,本文联合有限元仿真软件和Matlab开发了一套地磁场矢量检测仿真系统,解决了铁磁性载体地磁场矢量检测方法研究过程中载体模型与检测方法无法实现联动仿真、互动互调的问题。通过该系统对不同规格载体与磁场空间等值面分布规律进行了仿真研究,对不同规格载体的差分传感器布局提出优化方案,针对磁矢量STCM方法、TDD方法和SDD方法进行了对比仿真研究。地磁场矢量检测仿真系统中运用载体与地磁场的相对坐标旋转技术解决了通用软件中由于坐标系不一致导致的载体坐标系下磁测数据无法读取的问题。该仿真系统可以方便快捷的完成铁磁性载体的基本建模、剖分、磁场计算和数据保存,以及点、线、面上仿真数据的绘图和分析等功能,通过内部嵌入多种估计算法可以对感应磁场关系矩阵和差分参量进行解算,实现地磁场矢量检测方法的仿真验证。4、铁磁性载体地磁场矢量差分检测方法的实验研究。对任何一种检测方法都需要经过实验的验证才能够发现问题并逐渐改进和完善。由于目前没有能够同时提供多路磁矢量数据采集的并行多通道采集系统可供使用,本文研制了一套地磁场矢量检测实验系统,包括基于FPGA为主控核心的数据采集系统、Bartiongton公司测量精度为0.1n T的Mag-03三分量磁通门传感器和采用Lab View作为人机交互界面的上位机系统。对实验系统中磁矢量传感器的空间布局和不正交度进行了研究,设计了实验载体模型和配套的实验平台。针对固定磁场检测设计了屏蔽室内实验,为了研究不同环境不同磁异常情况下差分检测方法对地磁场的检测效果,应用汽车和铁船分别作为干扰源设计了野外地面和水面的对比实验,对传统STCM方法、磁矢量TDD方法和磁矢量SDD方法进行了对比实验研究。为了避免高频噪声干扰和消除检测方程出现复共线性,提出了实验数据的预处理方法,同时还编写了一套基于Matlab-GUI的磁矢量检测方法实验数据处理软件,能够对实验数据进行快速处理、分析和绘图,实现地磁场检测结果的验证和评价。