CN105510849B - 航磁干扰补偿方法 - Google Patents

Abstract

一种航磁干扰补偿系数确定方法，属于航磁测量领域。现有航磁干扰补偿方法没有给出在计算航磁干扰补偿系数时地磁场的处理方法，导致估计出的航磁干扰补偿系数不准确。本发明给出的航磁干扰补偿系数确定方法解决了该问题，通过如下步骤实现:合并地磁场项和飞机磁干扰中的感应场项；建立线性方程组；在估计航磁干扰补偿系数之前，对线性方程组总场列向量以及方向余弦矩阵进行带通滤波；估计滤波之后的线性方程组中的未知航磁干扰补偿系数；在实际航磁测量时利用该估计出的系数实时计算并去除飞机产生的磁干扰。本发明方法对测量信号中的地磁场成分做出了有效处理，提高了航磁干扰补偿系数的估计精度，从而提高了航磁干扰补偿结果的精度。

Description

航磁干扰补偿方法

技术领域

本发明涉及一种航磁干扰补偿方法。

背景技术

航磁补偿技术是在航磁探测过程中消除航空运动平台自身磁干扰的一种技术。通过分析航空运动平台自身磁干扰的类型和性质，建立航磁干扰数学模型，然后在校准飞行过程中按照规定的方法测得磁总场及其三分量数据，进而解算出航磁干扰数学模型的补偿系数。在补偿飞行即进行实际航磁探测时，利用求解出的补偿系数及飞机姿态数据估计航空运动平台产生的磁干扰并将其从磁总场中去除，从而得到不含航空运动平台磁干扰的磁场数据。目前，主流的航磁干扰补偿系数计算方法多是基于T-L模型，该模型将航空运动平台磁干扰分为恒定场、感应场和涡流场三种类型，其中恒定场系数有3项，感应场系数和涡流场系数各9项。感应场和涡流场分别与地磁场大小及其变化率有关。然而，由于在计算补偿系数时不能确知地磁场大小，因此利用一般的航磁补偿系数计算方法得到的感应场和涡流场系数中均包含校准阶段的地磁场信息。事实上，利用同属于未知量的地磁场来求解补偿系数，这本身是略显矛盾的，因此主要问题集中在如何将地磁场与干扰场分离。而现有的求解方法普遍效果不甚理想。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有航磁干扰补偿方法没有给出在计算航磁干扰补偿系数时地磁场的处理方法，导致估计出的航磁干扰补偿系数不准确的问题，而提出一种航磁干扰补偿方法。

一种航磁干扰补偿方法，所述方法通过以下步骤实现：

步骤一、合并地磁场和飞机磁干扰模型中的感应场；

步骤二、建立总场列向量H与未知系数构成的行向量间的线性方程组；

步骤三、在估计航磁干扰补偿系数之前，对线性方程组的总场列向量以及方向余弦矩阵进行带通滤波，得到仅包含飞机产生的磁干扰系数；

步骤四、对步骤三滤波后的线性方程组中未知航磁干扰补偿系数构成的行向量进行估计，得到系数

步骤五、在实际航磁测量时利用步骤四估计出的系数实时计算并去除飞机产生的磁干扰补偿H_E＝H_Total-Ht；其中，H_to_tal表示总场磁力仪测量到的磁总场大小；Ht表示磁干扰。

本发明的有益效果为：

本发明涉及一种航磁干扰补偿的系数求解方法，与现有航磁干扰补偿的系数求解方法技术相比，省略分离地磁场的过程，通过分析航空运动平台自身磁干扰的类型和性质，将校准飞行中三分量磁力仪输出数据根据方向余弦计算公式计算方向余弦，并构造方向余弦矩阵Λ；利用带通滤波器对方向余弦矩阵Λ的每一列进行带通滤波，再利用带通滤波器对总场磁力仪输出数据H进行带通滤波；并根据公式求得补偿系数从而解决利用本属于未知量的地磁场求解补偿系数导致求解的航磁干扰补偿系数不准确的问题，进而解算出航磁干扰数学模型的补偿系数，有效克服了补偿过程中因地磁场变化导致的补偿系数失效的问题，将航空平台磁干扰补偿结果的精度提高至96％左右。利用求解出的补偿系数及飞机姿态数据估计航空运动平台产生的磁干扰，进行实际航磁探测的补偿飞行并将航空运动平台产生的磁干扰从磁总场中消除，从而得到不含航空运动平台磁干扰的磁场数据。

本发明还可应用于航磁测量、地质勘探、物探等领域。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为本发明涉及的机体坐标系示意图；图中，点O为坐标原点，安装有总场磁力仪和三分量磁力仪。笛卡尔坐标系的三轴X,Y,Z分别沿着飞机横向轴、纵向轴和垂直轴，N为地理北极的方向，He表示地磁场所在的方向，飞机三轴与地磁场的夹角分别为α,β,γ。

具体实施方式

具体实施方式一：

本实施方式的航磁干扰补偿方法，结合图1，所述方法通过以下步骤实现：

步骤一、合并地磁场和飞机磁干扰模型中的感应场；

步骤二、建立总场列向量H与未知系数构成的行向量间的线性方程组；

步骤三、在估计航磁干扰补偿系数之前，对线性方程组的总场列向量以及方向余弦矩阵进行带通滤波，得到仅包含飞机产生的磁干扰系数；

步骤四、对步骤三滤波后的线性方程组中未知航磁干扰补偿系数构成的行向量进行估计，得到系数

步骤五、在实际航磁测量时利用步骤四估计出的系数实时计算并去除飞机产生的磁干扰补偿H_E＝H_Total-Ht；其中，H_total表示总场磁力仪测量到的磁总场大小；Ht表示磁干扰。

具体实施方式二：

与具体实施方式一不同的是，本实施方式的航磁干扰补偿方法，步骤一所述合并地磁场和飞机磁干扰模型中的感应场的过程为，

步骤一一、如附图2所示的机体坐标系示意图中，记地磁场与机体坐标系三轴之间的夹角分别为α,β,γ，则对应的方向余弦分别记为：

且满足如下关系：

步骤一二、记地磁场为He，根据上式得地磁场He表示为：

步骤一三、记飞机产生的磁干扰扰为Ht,根据T-L模型(Tolles-Lawson模型),磁干扰Ht表示为：

Ht＝H_per+H_induce+H_eddy

其中，H_per表示恒定场，为：

H_induce表示感应场，为：

H_eddy表示涡流场，为：

其中，p_i，i＝1,2,3为恒定场系数，a_ij，i＝1,2,3；j＝1,2,3为感应场系数，b_ij，i＝1,2,3；j＝1,2,3为涡流场系数；

步骤一四、合并地磁场He与感应场H_induce得到：

令且i＝1,2,3，上式表示为：

具体实施方式三：

与具体实施方式一或二不同的是，本实施方式的航磁干扰补偿方法，步骤二所述建立总场列向量H与未知系数构成的行向量间的线性方程组的过程为，

步骤二一、记总场磁力仪测量到的磁总场大小为H_total，主要包括地磁场He以及飞机平台产生的恒定场H_per、感应场H_induce和涡流场H_eddy这三种磁干扰即，则有：

将式中(a₂₁+a₁₂)、(a₃₁+a₁₃)和(a₂₃+a₃₂)分别记为和则上式进一步转化为:

在校准飞行时飞机所处海拔高度高达3-4Km，假设地磁场He的值保持不变，即则有：

由于在校准阶段时地磁场He的值未知，令

则有：

上式可进一步记为：

其中，δ表示由方向余弦及其导数构成的行向量，记为：

式(2)中的dt表示微分运算；

为未知航磁干扰补偿系数构成的行向量，记为：

记三分量磁力仪输出为x,y,z,则相应的方向余弦可根据下式得到：

步骤二二、根据建立如下的线性方程组，估计出未知系数构成的行向量的值：

其中，H是一个N×1的总场列向量，记为：

H＝(H_total(1)…H_total(t)…H_total(N))^T

Λ是一个N×18的矩阵，表示方向余弦矩阵，记为：

Λ＝(δ(1)^T …δ(t)^T …δ(N)^T)^T (5)

式(5)以及总场列向量H的表达式中，t＝1,2,3…N，表示第t次采样，H_total(t)为第t次采样的总场磁力仪输出值，δ(t)表示第t次采样的方向余弦及其导数构成的行向量，N为测量样本总数。

具体实施方式四：

与具体实施方式三不同的是，本实施方式的航磁干扰补偿方法，步骤三所述对线性方程组的总场列向量以及方向余弦矩阵进行带通滤波时，则对线性方程组进行带通滤波为：

记通带为0.06～1.0Hz的滤波器为BPF，则对线性方程组进行带通滤波：

其中，BPF(H)表示利用滤波器BPF对总场列向量H进行带通滤波，BPF(Λ)表示利用滤波器BPF对方向余弦矩阵Λ的每一列进行带通滤波。

具体实施方式五：

与具体实施方式一、二或四不同的是，本实施方式的航磁干扰补偿方法，步骤四所述对步骤三滤波后的线性方程组中未知航磁干扰补偿系数构成的行向量进行估计的过程为，

根据式(6)利用递推最小二乘法求取未知航磁干扰补偿系数构成的行向量的估计值

具体实施方式六：

与具体实施方式五不同的是，本实施方式的航磁干扰补偿方法，步骤五所述在实际航磁测量时利用步骤四估计出的系数实时计算并去除飞机产生的磁干扰补偿的过程为，

在实际航磁测量时候，飞机产生的磁干扰的值根据下式计算得到：

其中，δ表示由方向余弦及其导数构成的行向量，则测量到的不含飞机磁干扰的有效值H_E为：

H_E＝H_Total-Ht (8)。

实施例1：

第一步，进行校准飞行，同时采集磁场的标量形式和三分量形式。具体地，令飞机在高空中沿四个相互垂直的航向按顺时针或逆时针飞一个闭合举行，在每一个航向上做做±5度的偏航(yaw)机动、做±5度的俯仰(pitch)机动、做±10度的滚动(roll)机动，每种机动动作重复3次，每次大约在30秒内完成。在飞机进行机动时候，总场磁力仪和三分量磁力仪采集相应的磁场数据。

第二步，估计补偿系数。具体地，利用三分量磁力仪输出数据，根据式：计算方向余弦，并根据式：

和Λ＝(δ(1)^T …δ(t)^T …δ(N)^T)^T构造矩阵Λ。利用总场磁力仪输出数据构造列向量H。利用通带为0.06～1.0Hz的滤波器对矩阵Λ的每一列进行带通滤波得到BPF(Λ)，用相同的滤波器对列向量H进行带通滤波得到BPF(H)。根据式：利用递推最小二乘法可求得的估计值记为

第三步，在实际航磁测量时，实时地利用三分量磁力仪输出数据，首先根据式计算方向余弦，其次根据式：

得到δ，进而根据式计算飞机产生的磁干扰大小Ht，最后根据式H_E＝H_Total-Ht得到不含有飞机平台磁干扰的有效磁场测量值。

Claims (6)

1.一种航磁干扰补偿方法，其特征在于：所述方法通过以下步骤实现：

步骤一、合并地磁场和飞机磁干扰模型中的感应场；

步骤二、建立总场列向量H与未知系数构成的行向量θ间的线性方程组；

步骤三、在估计航磁干扰补偿系数之前，对线性方程组的总场列向量H以及方向余弦矩阵进行带通滤波，得到仅包含飞机产生的磁干扰系数；

步骤四、对步骤三滤波后的线性方程组中未知航磁干扰补偿系数构成的行向量θ进行估计，得到系数

步骤五、在实际航磁测量时利用步骤四估计出的系数实时计算并去除飞机产生的磁干扰补偿H_E＝H_Total-Ht；其中，H_E表示不含飞机磁干扰的有效值；H_total表示总场磁力仪测量到的磁总场大小；Ht表示磁干扰。

2.根据权利要求1所述的航磁干扰补偿方法，其特征在于：步骤一所述合并地磁场和飞机磁干扰模型中的感应场的过程为，

步骤一一、记地磁场与机体坐标系三轴之间的夹角分别为α,β,γ，则对应的方向余弦分别记为：

且满足如下关系：

步骤一二、记地磁场为He，根据上式得地磁场He表示为：

步骤一三、记飞机产生的磁干扰为Ht,根据T-L模型,磁干扰Ht表示为：

Ht＝H_per+H_induce+H_eddy

其中，H_per表示恒定场，为：

H_induce表示感应场，为：

H_eddy表示涡流场，为：

其中，p_i，i＝1,2,3为恒定场系数，a_ij，i＝1,2,3；j＝1,2,3为感应场系数，b_ij，i＝1,2,3；j＝1,2,3为涡流场系数；

步骤一四、合并地磁场He与感应场H_induce得到：

令且i＝1,2,3，上式表示为：

3.根据权利要求1或2所述的航磁干扰补偿方法，其特征在于：步骤二所述建立总场列向量H与未知航磁干扰补偿系数构成的行向量θ间的线性方程组的过程为，

步骤二一、记总场磁力仪测量到的磁总场大小为H_total，主要包括地磁场He以及飞机平台产生的恒定场H_per、感应场H_induce和涡流场H_eddy这三种磁干扰，则有：

将式中(a₂₁+a₁₂)、(a₃₁+a₁₃)和(a₂₃+a₃₂)分别记为和则上式进一步转化为:

在校准飞行时飞机所处海拔高度高达3-4Km，假设地磁场He的值保持不变，即则有：

由于在校准阶段时地磁场He的值未知，令 则有：

上式可进一步记为：

H_Total＝δθ^T

其中，δ表示由方向余弦及其导数构成的行向量，记为：

式(2)中的dt表示微分运算；

θ为未知航磁干扰补偿系数构成的行向量，记为：

记三分量磁力仪输出为x,y,z,则相应的方向余弦可根据下式得到：

步骤二二、根据H_Total＝δθ^T建立如下的线性方程组，估计出未知航磁干扰补偿系数构成的行向量θ的值：

H＝Λθ^T (4)

其中，H是一个N×1的总场列向量，记为：

H＝(H_total(1)…H_total(t)…H_total(N))^T

Λ是一个N×18的矩阵，表示方向余弦矩阵，记为：

Λ＝(δ(1)^T…δ(t)^T…δ(N)^T)^T (5)

式(5)以及总场列向量H的表达式中，t＝1,2,3…N，表示第t次采样，H_total(t)为第t次采样的总场磁力仪输出值，δ(t)表示第t次采样的方向余弦及其导数构成的行向量，N为测量样本总数。

4.根据权利要求3所述的航磁干扰补偿方法，其特征在于：步骤三所述对线性方程组的总场列向量H以及方向余弦矩阵进行带通滤波时，则对线性方程组进行带通滤波为：

记通带为0.06～1.0Hz的滤波器为BPF，则对线性方程组进行带通滤波：

BPF(H)＝BPF(Λ)θ^T (6)

其中，BPF(H)表示利用滤波器BPF对总场列向量H进行带通滤波，BPF(Λ)表示利用滤波器BPF对方向余弦矩阵Λ的每一列进行带通滤波。

5.根据权利要求1、2或4所述的航磁干扰补偿方法，其特征在于：步骤四所述对步骤三滤波后的线性方程组中未知航磁干扰补偿系数构成的行向量θ进行估计的过程为，根据式(6)利用递推最小二乘法求取未知航磁干扰补偿系数构成的行向量θ的估计值

6.根据权利要求5所述的航磁干扰补偿方法，其特征在于：步骤五所述在实际航磁测量时利用步骤四估计出的系数实时计算并去除飞机产生的磁干扰补偿的过程为，

在实际航磁测量时候，飞机产生的磁干扰的值根据下式计算得到：

其中，δ表示由方向余弦及其导数构成的行向量，则测量到的不含飞机磁干扰的有效值H_E为：

H_E＝H_Total-Ht (8)。