CN108061922B - 一种分布式磁异常探测***动态磁补偿方法 - Google Patents

一种分布式磁异常探测***动态磁补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于磁异常探测领域，具体公开了一种分布式磁异常探测***动态磁补偿方法，建立如下优化的载体磁场补偿模型，采用二级估计法确定x的最终参数估计值和独立同分布随机子样g(t)的非参数估计值

Description

一种分布式磁异常探测***动态磁补偿方法
技术领域
本发明属于磁异常探测领域，具体涉及一种分布式磁异常探测***动态磁补偿方法。
背景技术
磁异常探测***可实现对潜艇的探测、识别、跟踪与定位，具有潜艇定位精度高、全天候应用等突出特点，在复杂海况或复杂水声环境下进行磁异常探测、精确定位磁异常目标等方面相比传统声呐探潜具有不可替代的优势，已经成为世界各军事强国目前大力发展的探潜关键技术。围绕磁异常探潜的重大战略需求，提出了基于新型原子磁强计的分布式磁异常探测***，形成无人机编队、水面组网、水下阵列等分布式磁异常探测的新型探测模式，构建空中、水面、水下三位一体的全天时、全天候智能磁异常探测网络，大幅提升在复杂对抗环境下对磁异常目标的探测、识别、跟踪与定位能力，代表了新一代磁异常探测技术的发展方向。
分布式动态磁补偿技术是分布式磁异常探测***关键部分，影响***的综合探测效能。分布式磁异常探测***实现远距离、高效率的磁异常目标探测，对分布式动态磁补偿技术提出了更高的要求。磁干扰源包括与载体有关的干扰和与载体无关的干扰，本文研究的是与载体有关的磁干扰补偿方法。传统的载体干扰磁场模型主要有恒定干扰磁场、感应干扰磁场和涡流干扰磁场。但载体实际飞行过程中，除了上述载体干扰磁场之外，还会存在其他因素可能对磁强计测量产生影响，因此传统载体干扰磁场模型不能全面描述真实的物理过程，导致测量结果存在较大的误差，进而影响磁异常探测***的性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种分布式磁异常探测***动态磁补偿方法，其能够提高载体磁补偿的精度，改善补偿效率。
本发明的技术方案如下：
一种分布式磁异常探测***动态磁补偿方法，该方法包括如下步骤：
步骤一、建立如下优化的载体磁场补偿模型，以确定载体磁补偿后的磁场强度HL
HL＝f(x)+g(t)+Δ
Hm＝Ho+Xp+XiHo+XeHo
其中，x＝(xp,xi,…)为载体恒定、感应和涡流干扰磁场模型参数；g(t)为非参数独立同分布随机子样，t∈[0,1]；Δ为随机误差；Hm为磁强计测量值矢量，Ho为传统模型中的地磁场真实值矢量，Xp为载体恒定干扰磁场矢量，Xi为载体感应干扰磁场参数矩阵，Xe为载体涡流干扰磁场参数矩阵；
步骤二、采用二级估计法确定x的最终参数估计值和独立同分布随机子样g(t)的非参数估计值具体为
1)对载体恒定、感应和涡流干扰磁场模型参数x进行一级估计，得到一级估计结果x*；
2)利用独立同分布随机子样g(t)进行一级估计，得到一级估计结果g*(t)；
3)对上述的一级估计结果x*，进行二级估计，得到最终参数估计值
4)对上述的一级估计结果g*(t)，进行二级估计，得到最终非参数估计值
5)带回优化的载体磁场补偿模型解算得出载体磁补偿后的磁场强度HL；
步骤三、对载体磁干扰进行动态补偿，具体为
1)确定动态载体的飞行轨迹
2)确定空间梯度引起的磁场变化
3)空间梯度引起的磁场变化对步骤一中的模型解算出的磁强计测量值矢量Hm进行补偿，得到补偿后的磁强计测量值矢量H′m。
在上述的一种分布式磁异常探测***动态磁补偿方法中：所述的步骤三，利用下式确定空间梯度引起的磁场变化
其中，kx,ky,kz为北向磁场、东向磁场以及垂向磁场的梯度常数，Δx,Δy,Δz为纬度、经度以及高度的变化量。
在上述的一种分布式磁异常探测***动态磁补偿方法中：所述的步骤三中，利用下式得到补偿后的磁强计测量值矢量H′m
H′m＝Hm+ΔHg
然后利用下式解算载体磁补偿后的磁场强度HL
在上述的一种分布式磁异常探测***动态磁补偿方法中：所述的步骤二中对载体恒定、感应和涡流干扰磁场模型参数x进行一级估计和二级估计均采用最小二乘法。
本发明的显著效果如下：基于传统的磁场干扰模型设计了的优化的载体磁场补偿模型，以便未来求解载体磁场补偿后的磁场强度HL，通过二级估计法进行参数估计和非参数估计，带回到模型中解算得出载体磁干扰补偿后的磁场强度HL，之后利用空间梯度引起的磁场变化，对磁强计测量值矢量进行动态补偿，利用非参数项来表示测量中可能存在的影响因素，对于测量值得描述更加充分，一方面使载体干扰磁场模型与实际更加符合、提高了模型的准确度；另外一方面也将提高参数估计的精度、减小测量的误差；同时，实时高精度动态补偿提高了分布式磁异常探潜***的性能。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步说明。
步骤一、建立优化的载体磁场补偿模型。
传统的磁场干扰模型为：
Hm＝Ho+Xp+XiHo+XeHo (1)
其中，Hm为磁强计测量值矢量，Ho为地磁场真实值矢量，Xp为载体恒定干扰磁场矢量，Xi为载体感应干扰磁场参数矩阵，Xe为载体涡流干扰磁场参数矩阵。
真实磁场为：
令
其中，x＝(xp,xi,…)为载体恒定、感应和涡流干扰磁场模型参数。
考虑到实际测量中存在的非模型参数误差，引入半参数模型表示这一部分误差，优化的载体磁场补偿模型为：
HL＝f(x)+g(t)+Δ (4)
其中，g(t)为非参数独立同分布(independent identically distributed简称idd)随机子样，t∈[0,1]。Δ为随机误差。
步骤二、采用二级估计法对式(4)进行参数估计和非参数估计。
首先对模型参数x和非参数g(t)进行一级估计，然后采用一级估计结果x*和g*(t)进行二级估计，获得最终的参数估计值和非参数估计值
模型参数x和g(t)的一级估计如下：
设α＝E(g(ti))，E(g2(ti))＜∞，记ei＝g(ti)-α-Δi,i＝1,2,…,
则E(ei)＝0，E(ei 2)＝δε 2＝var(g(ti))+δ2＜∞
则式(4)可写成：
HL＝f(x)+αJ+e (5)
采用非线性最小二乘法(递推法)可得到x和α的一级估计值x*和α*。
其中，e＝(e1,……eN)′,J＝(1,……1),N为测量值序列的长度。
将x*代入式(4)可得
HLi-fi(x*)＝gi(t)+Δi (6)
定义权函数
其中，为核函数，B＝0.01N1/5为窗宽。
模型参数x和g(t)的二级估计如下：
将式(7)代入式(4)，求下式的极小值：
上式求得的x的估计值为参数量的估计值，非参数量的估计为：
步骤三、动态载体干扰补偿
载体干扰磁场补偿分为两步，第一步进行补偿学习飞行，以获取相关参数；第二步在磁异常探测飞行中进行动态补偿。在磁干扰补偿学习飞行过程中，获得磁场测量值后，首先进行磁场梯度补偿，然后由步骤二获取载体干扰的相关系数。获取载体干扰参数成功后，实施动态补偿，完成磁异常探测任务。
补偿学习飞行在四个航向上进行，分别为东、南、西、北航向，且在每个航向上进行幅度为±10°的俯仰、摇摆、偏航三种机动动作。每个方向上三种动作的顺序要一致。每个动作做3个～4个周期，时间约30s，并且幅值和周期大小要相同。
地磁场的磁感应强度Hg随纬度、经度以及高度的变化而变化。在进行磁干扰补偿系数求解时，导致最后求解得到的值包含了无人机本体磁干扰以及空间的磁场变化，从而影响补偿系数的精度。分布式磁异常探测***的精度要求高，空间梯度带来的补偿系数求解误差需要补偿。在补偿飞行阶段，假设北向磁场、东向磁场以及垂向磁场的梯度kx,ky,kz为常数，若假设其纬度、经度以及高度的变化量为Δx,Δy,Δz，则空间梯度引起的磁场变化：
磁强计的测量值首先进行磁场梯度补偿，即载体磁场干扰为：
H′m＝Hm+ΔHg (11)
则优化的载体磁场补偿模型修正为：
HL＝f′(x)+g(t)+Δ (12)
由补偿飞行获得测量值后，根据二级估计法对参数进行估计。
磁异常探测飞行中，根据磁强计的测量值及补偿飞行估计的参数值实时解算式(12)获取真实磁场，进而完成实时完成磁异常探测任务。

Claims (2)

1.一种分布式磁异常探测***动态磁补偿方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤一、建立如下优化的载体磁场补偿模型，以确定载体磁补偿后的磁场强度HL
HL＝f(x)+g(t)+Δ
Hm＝Ho+Xp+XiHo+XeHo
其中，x＝(xp,xi,…)为载体恒定、感应和涡流干扰磁场模型参数；g(t)为非参数独立同分布随机子样，t∈[0,1]；Δ为随机误差；Hm为磁强计测量值矢量，Ho为传统模型中的地磁场真实值矢量，Xp为载体恒定干扰磁场矢量，Xi为载体感应干扰磁场参数矩阵，Xe为载体涡流干扰磁场参数矩阵；
步骤二、采用二级估计法确定x的最终参数估计值和独立同分布随机子样g(t)的非参数估计值具体为
1)对载体恒定、感应和涡流干扰磁场模型参数x进行一级估计，得到一级估计结果x*；
2)利用独立同分布随机子样g(t)进行一级估计，得到一级估计结果g*(t)；
3)对上述的一级估计结果x*，进行二级估计，得到最终参数估计值
4)对上述的一级估计结果g*(t)，进行二级估计，得到最终非参数估计值
5)带回优化的载体磁场补偿模型解算得出载体磁补偿后的磁场强度HL；
步骤三、对载体磁干扰进行动态补偿，具体为
1)确定动态载体的飞行轨迹
2)确定空间梯度引起的磁场变化
在补偿飞行阶段，假设北向磁场、东向磁场以及垂向磁场的梯度kx,ky,kz为常数，若假设其纬度、经度以及高度的变化量为Δx,Δy,Δz，则空间梯度引起的磁场变化为
3)空间梯度引起的磁场变化对步骤一中的模型解算出的磁强计测量值矢量Hm进行补偿，得到补偿后的磁强计测量值矢量H′m；
磁强计的测量值首先进行磁场梯度补偿，即载体磁场干扰为：
Hm′＝Hm+ΔHg
优化的载体磁场补偿模型修正为：
HL＝f′(x)+g(t)+Δ。
2.如权利要求1所述的一种分布式磁异常探测***动态磁补偿方法，其特征在于：所述的步骤二中对载体恒定、感应和涡流干扰磁场模型参数x进行一级估计和二级估计均采用最小二乘法。
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