CN112858961B - 一种针对航空平台多源磁干扰的补偿方法 - Google Patents

Abstract

一种针对航空平台多源磁干扰的补偿方法，属于航空磁补偿领域。所述方法包括：在航空平台校准飞行过程中每个方向上同步记录方向舵机/升降舵动动作过程中的位移传感器数据、三分量磁力仪数据和总场磁力仪数据，在各电器设备不同工作状态下，同步记录电流传感器数据、三分量磁力仪数据和总场磁力仪数据；构造机械部分磁干扰矩阵并计算磁干扰系数，构造电流磁干扰矩阵并计算磁干扰系数，关闭电器设备，进行标准校准飞行，得到只包含航空平台磁干扰、地磁梯度磁干扰和地磁场的数据，构造航空平台磁干扰和地磁梯度磁干扰模型并计算磁干扰系数，将各系数带入多源磁干扰模型中，进行实时磁干扰补偿。

Description

一种针对航空平台多源磁干扰的补偿方法

技术领域

本发明属于航空磁补偿领域。

背景技术

航空平台磁干扰补偿技术是对由航空平台引起的磁干扰的一种补偿技术。通过分析航空平台自身磁干扰的类型和性质，建立航空平台磁干扰数学模型，然后在校准飞行过程中按照规定的方法测得磁总场、三分量数据及GPS数据，并将其用来解算航空平台磁干扰补偿模型的系数。在实际航磁探测时，利用求解出的模型系数及航空平台姿态数据估计航空平台产生的磁干扰，并将其从磁总场中去除，进而得到不含航空平台磁干扰的航磁探测数据。现有航空平台磁干扰补偿模型多是基于T-L模型，该模型将航空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有9项，且两者分别与地磁场的大小及变化率有关。由于测量到的总场数据中不仅包含平台本身产生的磁干扰，也包含有由运动平台机械结构变化引起的磁干扰、运动平台上用电设备中电流产生的磁干扰、以及平台空间位置变化引入的地磁梯度干扰，因此为了进一步提高航空磁补偿精度，必须对平台上其他干扰源引起的干扰磁场进行建模补偿，形成一种高精度多源磁干扰综合补偿模型。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的现有航空平台磁干扰补偿模型适用的干扰源不够全面，导致磁干扰补偿精度低的问题，提供一种针对航空平台多源磁干扰的补偿方法。

本发明所述的一种针对航空平台多源磁干扰的补偿方法包括：

步骤S1、在航空平台校准飞行过程中东南西北每个方向上，同步记录方向舵机动动作过程中的位移传感器数据、三分量磁力仪数据和总场磁力仪数据，同步记录升降舵机动动作过程中的位移传感器数据、三分量磁力仪数据和总场磁力仪数据，在电台/频闪灯/防撞灯不同工作状态下，同步记录电流传感器数据、三分量磁力仪数据和总场磁力仪数据；

步骤S2、构造矩阵

其中，l为方向舵/升降舵的运动位移标量，d₁～d₁₂为待求解的系数,u₁、u₂和u₃为磁力仪坐标系三轴与地磁场之间夹角的余弦值，根据测得的数据计算得到方向舵/升降舵的d₁～d₁₂；

步骤S3、构造矩阵

其中，k₁、k₂、k₃、w₁、w₂和w₃为待求解的系数，v为电台/频闪灯/防撞灯通电电流的大小,根据测得的数据计算得到电台/频闪灯/防撞灯的k₁、k₂、k₃、w₁、w₂和w₃；

步骤S4、关闭电台、频闪灯和防撞灯，进行标准校准飞行，同步记录三分量磁力仪数据、GPS数据和总场磁力仪数据，并根据测得的数据和计算得到的方向舵及升降舵的d₁～d₁₂去除方向舵与升降舵引起的磁干扰，得到只包含航空平台磁干扰、地磁梯度磁干扰和地磁场的数据；

步骤S5、构造矩阵

其中，f_i为包含u_i、u_iu_j和

的矩阵，m₁～m₁₆、以及c₁、c₂和c₃为待求解的系数，g₁、g₂和g₃分别表示总场磁力仪的纬度、经度和高度信息，j＝1,2,3，将公式

代入所述步骤S5获得的只包含航空平台磁干扰、地磁梯度磁干扰和地磁场的数据中，得到m₁～m₁₆以及c₁、c₁₂和c₃；

步骤S6、将计算得到的各系数代入公式H_T＝H_E+H_IG+H_M+H_O中，进行实时磁干扰补偿，其中，H_T表示总场磁力仪数据，H_E表示实际地磁场值，H_IG表示航空平台磁干扰和地磁梯度磁干扰的和，H_M表示航空平台机械结构部分产生磁干扰，H_M＝H_M1+H_M2，H_M1和H_M2分别表示由方向舵和升降舵引起的磁干扰，H_O表示航空平台电流产生的磁干扰，H_O＝H_O1+H_O2+H_O3，H_O1、H_O2和H_O3分别表示由电台、频闪灯和防撞灯引起的磁干扰。

可选地，u₁、u₂和u₃的获得方法为：

其中，T、L和V分别为三分量磁通门沿三轴方向的输出。

可选地，所述的步骤S2中，所述的根据测得的数据计算得到方向舵/升降舵的d₁～d₁₂包括：

将所述的步骤S1中同步记录的方向舵机动动作过程中的位移传感器数据l、三分量磁力仪数据T、L和V、以及总场磁力仪数据代入

中，计算得到方向舵的d₁～d₁₂；

将所述的步骤S1中同步记录的升降舵机动动作过程中的位移传感器数据l、三分量磁力仪数据T、L和V、以及总场磁力仪数据代入

中，计算得到升降舵的d₁～d₁₂。

可选地，所述的步骤S3中，根据测得的数据计算得到电台/频闪灯/防撞灯的k₁、k₂、k₃、w₁、w₂和w₃包括：

将所述的步骤S1中，在电台不同工作状态下同步记录的电流传感器数据v、三分量磁力仪数据T、L和V和总场磁力仪数据代入

中，计算得到电台的k₁、k₂、k₃、w₁、w₂和w₃；

将所述的步骤S1中，在频闪灯不同工作状态下同步记录的电流传感器数据v、三分量磁力仪数据T、L和V和总场磁力仪数据代入

中，计算得到频闪灯的k₁、k₂、k₃、w₁、w₂和w₃；

将所述的步骤S1中，在防撞灯不同工作状态下同步记录的电流传感器数据v、三分量磁力仪数据T、L和V和总场磁力仪数据代入

中，计算得到防撞灯的k₁、k₂、k₃、w₁、w₂和w₃。

可选地，所述的步骤S4中，根据测得的数据和计算得到的方向舵及升降舵的d₁～d₁₂去除方向舵与升降舵引起的磁干扰，得到只包含航空平台磁干扰、地磁梯度磁干扰和地磁场的数据包括：

将步骤S4测得的三分量磁力仪数据T、L和V、总场磁力仪数据H_T、方向舵及升降舵的d₁～d₁₂代入公式H_IG+H_E＝H_T-H_M中，得到H_IG+H_E。

本发明在航空平台磁干扰补偿中创新性地引入了由电器设备电流产生的磁干扰，尤其是由电器设备电流间接产生的磁干扰

并综合了航空平台机身产生的磁干扰、地磁场梯度变化引入的磁干扰、航空平台机械结构部分产生磁干扰、以及航空平台电器设备电流产生的磁干扰，因此磁干扰补偿精度较高。

附图说明

图1为实施例一中航空平台多源磁干扰的矢量图；

图2为实施例一中总场磁力仪坐标系三轴与地磁场之间的夹角示意图；

图3为实施例一所述的针对航空平台多源磁干扰的补偿方法的示意性流程图；

图4为实施例二中△h_z的计算原理示意图，其中，1表示GPS，2表示磁力仪探头和加速度计，3表示地面；

图5为实施例三所述的航磁补偿校准质量的自动评估方法的原理框图。

具体实施方式

实施例一

本实施方式提供了一种针对航空平台多源磁干扰的补偿方法，所述方法原理如下：

记航空平台在飞行过程中总场磁力仪测得的磁场数据为N×1列向量H_T，实际地磁场值为N×1列向量H_E，航空平台机身产生的磁干扰为N×1列向量H_I，地磁场梯度变化引入的磁干扰为N×1列向量H_G，航空平台机械结构部分产生磁干扰为N×1列向量H_M，航空平台电流产生的磁干扰为N×1列向量H_O，则有如下多源磁干扰模型：

H_T＝H_I+H_E+H_G+H_M+H_O (1)

其中，只有H_T是可以通过总场磁力仪直接测量得到。航空平台磁干扰补偿的最终目的是确定H_E，观察上式可以发现，只要计算出H_I、H_G、H_M和H_O，并将其从H_T中减掉，就可以得到H_E。

在航空磁探测过程中，用来测量磁场的光泵磁力仪探头一般安装在航空平台翼尖或者磁探尾杆末端等远离机身的位置，并且与航空平台机身保持相对静止。由于磁场是一种矢量场，光泵磁力仪测量到的磁场实际上是不同磁场源产生的磁场经过矢量叠加后形成的磁总场，故这里将光泵磁力仪称为总场磁力仪。如图1所示，θ为除地磁场外其他类型磁干扰叠加后的磁干扰与地磁场之间的夹角。可以看出，当航空平台在地磁场中运动并与地磁场的相对位置发生变化时，H_T也会产生相应的变化，而且这最终会体现在总场磁力仪输出信号的波形中，同时，总场磁力仪所测得的各类磁干扰的大小是其在地磁场方向的投影大小。

首先建立描述航空平台磁干扰和航空平台磁补偿问题的坐标系，磁力仪坐标系定义为：磁力仪安装位置为原点，航空平台正前方为Y轴正方向，航空平台左翼方向为X轴正方向，垂直向下方向为Z轴正方向。在航空磁测***中，在磁力仪坐标系原点装有高灵敏度磁力仪(即总场磁力仪)和三分量磁通门，三分量磁通门沿三轴方向的输出分别为T、L和V，如图2所示，则根据三分量磁通门输出可通过计算得到总场磁力仪坐标系三轴与地磁场之间的夹角的余弦值。即：

一、根据飞行校准数据求得19项补偿系数

在校准过程中，运动平台位置的变化将地磁梯度干扰场引入总磁场测量数据中，其中高度变化引入的垂向地磁梯度干扰场最为严重，它的频率与平台俯仰动作引起的干扰磁场的频率相同，因此地磁梯度干扰场与平台磁干扰出现频率上的混合，无法通过滤波器进行分离。但是地磁梯度干扰场模型已知，可以将其与平台磁干扰模型联合求解。

根据T-L模型，航空平台产生的磁干扰定义为：

其中u_i为总场磁力仪坐标系三轴与地磁场之间的夹角的余弦值，i＝1,2,3，即u₁＝cosα,u₂＝cosβ,u₃＝cosγ，

是磁力仪坐标系三轴与地磁场之间的夹角的余弦值的导数，j＝1,2,3，p_i、a_ij和b_ij是在校准过程中待估计的系数。根据余弦定理：

公式(3)可以化简为

其中f_i为包含u_i、u_iu_j和

的N×16的矩阵，m₁～m₁₆为待估计的16项系数。

在实际飞行过程中，补偿系数会受到地磁梯度变化影响。而地磁梯度变化模型可以写成如下形式：

其中g₁、g₂和g₃分别代表总场磁力仪的位置信息，包括纬度、经度和高度。c₁、c₂和c₃代表待估计系数。

综上，结合了T-L模型和地磁梯度模型的TLG模型可以写成如下：

根据该模型，可代入飞行校准数据，求得m₁～m₁₆、c₁、c₂和c₃共19项补偿系数。

二、根据地面校准数据求得24项补偿系数

航空平台机械结构变化产生的磁干扰H_M可以通过地面校准试验进行测量与标定，地面校准所得到的系数可以用于补偿飞行中机械结构引起的磁干扰。由相对平台整体运动的机械结构产生的磁干扰模型可以依据T-L模型形成原理进行建模，考虑到感应磁场和涡流磁场皆是与平台上软磁材料有关，且干扰量级较小，这里只考虑机械结构变化引起的恒定磁场。

在航空磁补偿中，相对航空平台机体运动且在磁力仪位置处引起干扰磁场的部件为方向舵与升降舵，且两部分机械结构相似，可用同一模型进行描述。

机械结构引起的磁干扰由于只考虑恒定场因素，故可以写成：

其中p_i代表所述的磁力仪坐标系三轴下机械结构产生的三个方向的磁场分量大小。机械结构相对机体的运动可以由拉动机械结构运动的操纵钢索的运动位移描述，故由此产生的干扰磁场是与操纵钢索位移标量l有关的函数，并进行泰勒展开，这里保留展开式的前3项，则有：

这里l为检测到的某个机械结构的运动位移标量，通过位移传感器获得，d₁～d₁₂为待求解的系数。将式(9)代入式(8)，可得到机械结构变化引起磁干扰模型，即：

通过将地面校准试验中获得的多方位(≥4)的方向舵和升降舵的移动位移与磁干扰间对应关系数据代入模型中，可分别求得12项方向舵机械结构磁干扰系数和12项升降舵机械结构磁干扰系数。这24项磁干扰系数统称为机械结构磁干扰系数。

三、根据地面校准数据求得18项补偿系数：

航空平台机载电气设备工作过程中产生的磁干扰H_O可以通过地面校准试验进行测量与标定，地面校准所得到的系数可以用于补偿飞行中电流变化引起的磁干扰。根据前面的分析可知，总场磁力仪测量到的机载电气设备动态电流磁干扰也是其在地磁场方向上的投影。可以直接由毕奥萨法尔定律得到。

H_O＝H_OD+H_OI (11)

上式中H_OD表示由电流直接引起的磁干扰，H_OI表示由电流间接引起的磁干扰。

首先分析电流直接引起的磁干扰。记：

其中s₁、s₂和s₃分别为

在航空平台机体坐标系(即所述的磁力仪坐标系)三轴上的分量，则总场磁力仪输出信号中动态电流直接引起的磁干扰强度为：

显然

与机载电气设备工作时候的动态电流大小相关，故这里令标量v为动态电流的大小，并假设

在机体坐标系三轴上的投影s₁、s₂和s₃与v之间存在如下函数关系：

s_i＝L_i(v)i＝1,2,3 (14)

根据毕奥萨伐尔定律可知，s₁、s₂和s₃与v之间满足线性关系，则：

s_i＝L_i(v)＝k_iv+η_i i＝1,2,3 (15)

其中k₁、k₂、k₃、η₁、η₂和η₃为未知的待定系数。由于当机载电气设备关闭时，即v＝0时，不产生磁干扰，从而可知η₁、η₂和η₃的值为0，进而有：

s_i＝L_i(v)＝k_iv i＝1,2,3 (16)

将式(16)代入式(13)，则有：

接下来分析动态电流间接引起的磁干扰。当机载电气设备通断电瞬间或者工作期间输入电流大小改变时，动态电流直接引起的磁干扰会发生改变，导致穿过航空平台机体的磁通量发生变化，这时将产生与s₁、s₂和s₃变化率有关的间接磁干扰，在机体坐标系中将其记为：

假设该间接磁干扰与s₁、s₂和s₃的变化率之间满足线性关系，则有：

r_i＝t_i(s_i)'＝t_i(k_iv)'＝t_ik_iv' i＝1,2,3 (19)

其中t₁、t₂和t₃为未知参数，v'表示v的导数。令w_i＝t_ik_i，i＝1,2,3，可将上述公式改写为：

r_i＝w_iv'，i＝1,2,3 (20)

因此，总场磁力仪输出信号中动态电流引起的间接磁干扰强度为：

综合式(17)和式(21)，总场磁力仪输出信号中由机载电气设备动态电流引起的磁干扰为：

在已知电流大小及余弦值的前提下，根据式(22)建立线性方程组，就可以估计出k₁、k₂、k₃、w₁、w₂和w₃这6个系数的值，便可以在航空磁探测期间实时的计算并去除机载电气设备动态电流产生的磁干扰。

将地面校准试验中获得的四个方向的电台、频闪灯、防撞灯电流大小与磁干扰间对应关系数据代入模型(21)中，可分别求得6项电台磁干扰系数、6项频闪灯磁干扰系数和6项防撞灯磁干扰系数，这18项磁干扰系数统称为电流磁干扰系数。

四、根据求得的61项系数进行多源磁干扰补偿

至此，关于多源磁干扰的61项系数求解完毕，包括16项机体磁干扰系数、3项地磁梯度磁干扰系数、24项机械结构磁干扰系数、以及18项电流磁干扰系数。根据不同类型的磁干扰源分别进行磁干扰计算，并代入式(1)中，就可以得到该模型下的无平台磁干扰数据。

如图3所示，基于以上分析，本实施方式的针对航空平台多源磁干扰的补偿方法一般性地可以包括如下步骤S1至步骤S6。在实施所述方法之前，需要在航空平台上安装测量方向舵与升降舵相对于所述航空平台的位移标量的位移传感器，安装测量电台、频闪灯和防撞灯电流的电流传感器，还需要安装三分量磁力仪、GPS和总场磁力仪。

步骤S1、航空平台校准飞行包括东南西北四个方向，在航空平台校准飞行过程中，首先在一个方向上(例如东方向)进行测量，具体为：关闭电台、频闪灯和防撞灯，保持升降舵静止、并进行方向舵的机动动作，且动作幅度达到最大角度，同步记录方向舵机动动作过程中的位移传感器数据、三分量磁力仪数据和总场磁力仪数据；然后保持方向舵静止、并进行升降舵的机动动作，且动作幅度达到最大角度，同步记录升降舵机动动作过程中的位移传感器数据、三分量磁力仪数据和总场磁力仪数据；保持方向舵和升降舵静止，使频闪灯和防撞灯处于关闭状态，使电台处于某一状态(电台包括开、关两个状态)下，同步记录电流传感器数据、三分量磁力仪数据和总场磁力仪数据，然后改变电台状态，使电台处于另一状态，再次同步记录电流传感器数据、三分量磁力仪数据和总场磁力仪数据，……，采用同样的方式记录电台不同状态下的电流传感器数据、三分量磁力仪数据和总场磁力仪数据，然后使电台和防撞灯处于关闭状态，采用同样的方式记录频闪灯不同状态(频闪灯包括开、关两个状态)下的电流传感器数据、三分量磁力仪数据和总场磁力仪数据，最后关闭电台和频闪灯，采用同样的方式记录防撞灯不同状态(防撞灯包括开、关两个状态)下的电流传感器数据、三分量磁力仪数据和总场磁力仪数据；

在另外三个方向上(例如南、西和北)重复上述各测量步骤，至此，获得各仪器采集的数据，每个仪器在东南西北四个方向采集到的数据构成一个矩阵或者一维向量用来参与计算，以升降舵的位移传感器为例，该位移传感器在东南西北四个方向共采集到N个数据，这N个数据构成一个一维向量参与后序计算。

步骤S2、构造矩阵

其中，l为方向舵/升降舵的运动位移标量，d₁～d₁₂为待求解的系数,u₁、u₂和u₃为磁力仪坐标系三轴与地磁场之间夹角的余弦值，可根据三分量磁力仪的测量数据T、L和V计算得到，然后根据测得的数据计算得到方向舵/升降舵的d₁～d₁₂，具体计算方法如下：

步骤S21、将所述的步骤S1中同步记录的方向舵机动动作过程中的位移传感器数据l、三分量磁力仪数据T、L和V、以及总场磁力仪数据代入公式

中，其中，

计算得到方向舵的d₁～d₁₂，其中，H_M1可由总场磁力仪数据获得；

步骤S22、将所述的步骤S1中同步记录的升降舵机动动作过程中的位移传感器数据l、三分量磁力仪数据T、L和V、以及总场磁力仪数据代入公式

中，其中，

计算得到升降舵的d₁～d₁₂，其中，H_M2可由总场磁力仪数据获得。

步骤S3、构造矩阵

其中，k₁、k₂、k₃、w₁、w₂和w₃为待求解的系数，v为电台/频闪灯/防撞灯通电电流的大小,根据测得的数据计算得到电台/频闪灯/防撞灯的k₁、k₂、k₃、w₁、w₂和w₃，具体包括：

步骤S31、将所述的步骤S1中，在电台不同工作状态下同步记录的电流传感器数据v、三分量磁力仪数据T、L和V和总场磁力仪数据代入

中，计算得到电台的k₁、k₂、k₃、w₁、w₂和w₃，其中，H_O1可由总场磁力仪数据获得；

步骤S32、将所述的步骤S1中，在频闪灯不同工作状态下同步记录的电流传感器数据v、三分量磁力仪数据T、L和V和总场磁力仪数据代入

中，计算得到频闪灯的k₁、k₂、k₃、w₁、w₂和w₃，其中，H_O2可由总场磁力仪数据获得；

步骤S33、将所述的步骤S1中，在防撞灯不同工作状态下同步记录的电流传感器数据v、三分量磁力仪数据T、L和V和总场磁力仪数据代入

中，计算得到防撞灯的k₁、k₂、k₃、w₁、w₂和w₃，其中，H_O3可由总场磁力仪数据获得。

步骤S4、关闭电台、频闪灯和防撞灯，进行标准校准飞行，同步记录位移传感器数据、三分量磁力仪数据、GPS数据和总场磁力仪数据，并根据测得的数据和计算得到的方向舵及升降舵的d₁～d₁₂去除方向舵与升降舵引起的磁干扰，得到只包含航空平台磁干扰、地磁梯度磁干扰和地磁场的数据。记航空平台在飞行过程中总场磁力仪测得的磁场数据为H_T，实际地磁场值为H_E，航空平台机身产生的磁干扰为H_I，地磁场梯度变化引入的磁干扰为H_G，航空平台机械结构部分(即方向舵和升降舵)产生的磁干扰为H_M，航空平台电流产生的磁干扰为H_O，那么则有：

H_T＝H_I+H_E+H_G+H_M+H_O

记H_IG＝H_I+H_G，由于电台、频闪灯和防撞灯处于关闭状态，因此H_O＝0，上式可以写成：

H_IG+H_E＝H_T-H_M

根据得到的方向舵的12项系数d₁～d₁₂、升降舵的12项系数d₁～d₁₂、以及步骤S4测得的三分量磁力仪数据T、L和V，计算H_M1和H_M2，得到航空平台机械结构部分产生磁干扰H_M＝H_M1+H_M2；

再将H_M从总场磁力仪数据H_T中减掉，得到H_IG+H_E。

步骤S5、构造矩阵

其中，f_i为包含u_i、u_iu_j和

的矩阵，m₁～m₁₆、以及c₁、c₂和c₃为待求解的系数，g₁、g₂和g₃分别表示总场磁力仪的纬度、经度和高度信息，j＝1,2,3，将公式

代入所述步骤S5获得的只包含航空平台磁干扰、地磁梯度磁干扰和地磁场的数据中，得到m₁～m₁₆以及c₁、c₁₂和c₃；

步骤S6、将计算得到的共61项系数代入公式H_T＝H_E+H_IG+H_M+H_O中，进行实时磁干扰补偿，其中，H_T表示总场磁力仪数据，H_E表示实际地磁场值，H_IG表示航空平台磁干扰和地磁梯度磁干扰的和，H_M表示航空平台机械结构部分产生磁干扰，H_M＝H_M1+H_M2，H_M1和H_M2分别表示由方向舵和升降舵引起的磁干扰，H_O表示航空平台电流产生的磁干扰，H_O＝H_O1+H_O2+H_O3，H_O1、H_O2和H_O3分别表示由电台、频闪灯和防撞灯引起的磁干扰。

实施例二

本实施例所述的针对航空平台多源磁干扰的补偿方法在实施例一的基础上增加了飞机尾杆振动引起的磁干扰的补偿方法。进行磁干扰补偿时采用的T-L模型通常假设装有磁力仪的尾杆与航空平台本身是刚性连接的，但是在实际探测过程中风力和气流影响会造成装有磁力仪的尾杆振动，从而导致测量的总场中包含尾杆振动引起的磁干扰，该部分磁干扰会影响估计系数的精度。

所述的飞机尾杆振动引起的磁干扰的补偿方法包括：

步骤S1、在飞机进行校准飞行时，同时采集飞机的高度、加速度数据、总场数据和磁场三分量数据；

步骤S2、根据飞机尾杆的三轴加速度a_x、a_y和a_z获得飞机尾杆的三轴位移h_x、h_y和h_z，具体地，可以采用FFT对三轴加速度a_x、a_y和a_z进行变换，获得飞机尾杆的三轴位移h_x、h_y和h_z；

步骤S3、根据公式Δ_E＝(Δ,h_f,△h_z)构造矩阵Δ_E；其中，

δ是由u_i、u_iu_j和

构成的行向量，δ₁＝u₁，δ₂＝u₂，δ₃＝u₃，

δ₅＝u₁·u₂，δ₆＝u₁·u₃，

δ₈＝u₂·u₃，

δ₁₀＝u′₁·u₁，δ₁₁＝u₁′·u₂，δ₁₂＝u′₁·u₃，δ₁₃＝u₂′·u₁，δ₁₄＝u′₂·u₂，δ₁₅＝u′₂·u₃，δ₁₆＝u′₃·u₁，δ₁₇＝u′₃·u₂，δ₁₈＝u′₃·u₃，这里N的最大取值为18。

v₁、v₂和v₃为三分量磁力仪测得的磁场三分量数据，

为u_i的导数；h_f为飞机机体高度h_f的矢量形式，△h_z为飞机尾杆在垂直地面方向的高度变化量；

步骤S4、对Δ_E和总场数据H_T的每一列数据进行带通滤波，得到bpf(H_T)和bpf(Δ_E)，其中，bpf为FIR带通滤波器；

步骤S5、根据公式bpf(H_T)＝bpf(Δ_E)θ_E估计飞机尾杆振动引起的磁干扰的补偿系数θ_E，具体地，可以采用推最小二乘法进行估计；其中，θ_E＝(θ^T,k₁,k₂)^T，θ的标量形式θ是由公式

中的待定系数p₁、p₂、p₃、a₁₁、a₁₂、a₁₃、a₂₂、a₂₃、b₁₁、b₁₂、b₁₃、b₂₁、b₂₂、b₂₃、b₃₁和b₃₂构成的列向量，H_I为飞机产生的磁干扰H_I的标量形式，p_i、a_ij、b_ij为待估计的航磁干扰补偿系数，k₁和k₂为系数、且满足bpf(H_E)＝k₁·bpf(h_f)+k₂·bpf(△h_z)，H_E为实际地磁场值，△h_z为飞机尾杆在垂直地面方向的高度变化量；

△h_z的标量形式

△h_z的符号与h_z相同，如图4所示，l为飞机尾杆根部到末端的直线距离，h_z为飞机尾杆在加速度计Z轴方向的位移；

步骤S6、利用补偿系数θ_E计算飞机尾杆振动引起的磁干扰H_I，并根据H_E＝H_T-H_I计算实际地磁场值H_E。

本实施例所述的针对航空平台多源磁干扰的补偿方法对T-L模型做出了改进，将飞机尾杆在垂直地面方向的高度变化量引入到T-L模型中，进而去除航磁补偿***中尾杆振动导致的磁力仪探头位移造成的磁干扰。

实施例三

本实施例提供了一种航磁补偿校准质量的自动评估方法，可用于对本申请的针对航空平台多源磁干扰的补偿方法的补偿质量进行自动评估。

首先，需要在飞机上安装三分量磁力仪和总场磁力仪(即光泵磁力仪)，然后，使飞机在四个正交方向(如北、东、南、西)完成平飞；

所述的航磁补偿校准质量的自动评估方法的原理如图5所示，具体包括以下步骤：

步骤S1、根据公式

得到平飞圈聚类中心为c_s的聚类数据

其中，a_i是三分量磁力仪输出的全部X和Y分量，

是通过k-means算法得到的每类数据(航向s)，

表示航向s第i个采样点对应的地磁场H的标量形式，

表示航向s第i个采样点对应的航向角，

表示航向s第i个采样点对应的地磁场倾角，m表示平飞圈所包含的航向数量，对于标准的飞行圈，m＝4，如果飞行圈包含多个航向，则m等于平飞圈实际包含的航向数量；

D_s表示航向s的采样数据的聚类，n_s表示D_s所包含的采样点的数量，

为D_s中第i个采样点对应的数据；

c_s是k-means算法得到是聚类中心，K-means算法是优化

D是全部s个聚类的集合；

步骤S2、将平飞圈D_s中远离聚类中心的转弯数据删除，得到平飞圈不同航向的有效的聚类数据

其中，l_s和r_s分别表示航向s两端被删除的采样点的数量，删除的具体方法为：设定一个欧拉距离的阈值，将距离c_s的欧拉距离超过阈值的数据删除；

步骤S3、根据公式

得到平飞圈每个航向对应的高斯混合模型，其中，p(b^s|G_s)表示高斯混合密度，b^s中的元素

表示空间直角坐标系下三分量磁力仪输出的X、Y和Z三分量磁场特征的组合，X表示平行于平台横轴的方向，Y表示平行于平台纵轴的方向，Z表示垂直于水平面的方向，G_s表示高斯模型参数，

根据公式

构造似然函数，利用EM算法估计G_s，

是航向s中满足约束

的混合权重，k表示高斯分布的数目，

和

分别是航向s的第j个高斯分布的均值和协方差矩阵；需要注意的是，平飞圈所包含的航向数量可能是四个，也可能不是四个，通常情况下是四个，上述步骤S3的目的是得到平飞圈每个航向对应的高斯混合模型，只要得到的所有高斯混合模型对应的航向中包含要计算的FOM机动圈中包含的航向，就可以根据已有的高斯混合模型计算所有后验概率得知FOM机动圈中某航向(这里也再应用一遍聚类算法分离不同航向数据)对应哪个高斯混合模型，进而确定该航向对应的平飞部分，然后确定机动部分；

步骤S4、根据公式

得到FOM校准圈聚类中心为c_s的聚类数据

步骤S5、将FOM校准圈D_s中远离聚类中心的转弯数据删除，得到FOM校准圈不同航向的有效的聚类数据

步骤S6、根据公式

计算后验概率

步骤S6的目的是为了计算属于哪个高斯混合模型，这里的

指是FOM机动圈(也称FOM校准圈)某方向的磁场数据；

步骤S7、将满足

的数据作为校准圈不同航向的机动数据，其中，T_h为预设的阈值；

步骤S8、计算得到的机动数据的峰峰值之和，以此作为该校准圈的补偿效果评估指标FOM的值。

其中，不同航向、不同采样点对应的

的值相等，不同航向、不同采样点对应的地磁场倾角

的值相等。

上述航磁补偿校准质量的自动评估方法，根据航空平台平飞状态数据的特点，利用高斯混合模型(Gaussian Mixture Model，GMM)模型识别出航空平台在各个航向处于平飞状态的数据段，进而得到航空平台在各个航向处于机动状态的数据段，并根据机动状态的数据计算评价校准圈补偿效果的指标FOM，实现航空平台多源磁干扰补偿质量的自动评估。

Claims (5)

1.一种针对航空平台多源磁干扰的补偿方法，其特征在于，包括：

步骤S1、在航空平台校准飞行过程中东南西北每个方向上，同步记录方向舵机动动作过程中的位移传感器数据、三分量磁力仪数据和总场磁力仪数据，同步记录升降舵机动动作过程中的位移传感器数据、三分量磁力仪数据和总场磁力仪数据，在电台/频闪灯/防撞灯不同工作状态下，同步记录电流传感器数据、三分量磁力仪数据和总场磁力仪数据；

步骤S2、构造矩阵

其中，l为方向舵/升降舵的运动位移标量，d₁～d₁₂为待求解的系数,u₁、u₂和u₃为磁力仪坐标系三轴与地磁场之间夹角的余弦值，根据测得的数据计算得到方向舵/升降舵的d₁～d₁₂；

步骤S3、构造矩阵

其中，k₁、k₂、k₃、w₁、w₂和w₃为待求解的系数，v为电台/频闪灯/防撞灯通电电流的大小,v'表示v的导数，根据测得的数据计算得到电台/频闪灯/防撞灯的k₁、k₂、k₃、w₁、w₂和w₃；

步骤S4、关闭电台、频闪灯和防撞灯，进行标准校准飞行，同步记录三分量磁力仪数据、GPS数据和总场磁力仪数据，并根据测得的数据和计算得到的方向舵及升降舵的d₁～d₁₂去除方向舵与升降舵引起的磁干扰，得到只包含航空平台磁干扰、地磁梯度磁干扰和地磁场的数据；

步骤S5、构造矩阵

其中，f_q为包含u_i、u_iu_j和

的矩阵，

是u_j导数，m₁～m₁₆、以及c₁、c₂和c₃为待求解的系数，g₁、g₂和g₃分别表示总场磁力仪的纬度、经度和高度信息，i＝1,2,3，j＝1,2,3，将公式

代入所述步骤S4获得的只包含航空平台磁干扰、地磁梯度磁干扰和地磁场的数据中，得到m₁～m₁₆以及c₁、c₁₂和c₃；

步骤S6、将计算得到的各系数代入公式H_T＝H_E+H_IG+H_M+H_O中，进行实时磁干扰补偿，其中，H_T表示总场磁力仪数据，H_E表示实际地磁场值，H_IG表示航空平台磁干扰和地磁梯度磁干扰的和，H_M表示航空平台机械结构部分产生磁干扰，H_M＝H_M1+H_M2，H_M1和H_M2分别表示由方向舵和升降舵引起的磁干扰，H_O表示航空平台电流产生的磁干扰，H_O＝H_O1+H_O2+H_O3，H_O1、H_O2和H_O3分别表示由电台、频闪灯和防撞灯引起的磁干扰。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，u₁、u₂和u₃的获得方法为：

其中，T、L和V分别为三分量磁力仪沿三轴方向的输出。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的步骤S2中，所述的根据测得的数据计算得到方向舵/升降舵的d₁～d₁₂包括：

将所述的步骤S1中同步记录的方向舵机动动作过程中的位移传感器数据l、三分量磁力仪数据T、L和V、以及总场磁力仪数据代入

中，计算得到方向舵的d₁～d₁₂；

将所述的步骤S1中同步记录的升降舵机动动作过程中的位移传感器数据l、三分量磁力仪数据T、L和V、以及总场磁力仪数据代入

中，计算得到升降舵的d₁～d₁₂。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的步骤S3中，根据测得的数据计算得到电台/频闪灯/防撞灯的k₁、k₂、k₃、w₁、w₂和w₃包括：

将所述的步骤S1中，在电台不同工作状态下同步记录的电流传感器数据v、三分量磁力仪数据T、L和V和总场磁力仪数据代入

中，计算得到电台的k₁、k₂、k₃、w₁、w₂和w₃；

将所述的步骤S1中，在频闪灯不同工作状态下同步记录的电流传感器数据v、三分量磁力仪数据T、L和V和总场磁力仪数据代入

中，计算得到频闪灯的k₁、k₂、k₃、w₁、w₂和w₃；

将所述的步骤S1中，在防撞灯不同工作状态下同步记录的电流传感器数据v、三分量磁力仪数据T、L和V和总场磁力仪数据代入

中，计算得到防撞灯的k₁、k₂、k₃、w₁、w₂和w₃。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的步骤S4中，根据测得的数据和计算得到的方向舵及升降舵的d₁～d₁₂去除方向舵与升降舵引起的磁干扰，得到只包含航空平台磁干扰、地磁梯度磁干扰和地磁场的数据包括：

将步骤S4测得的三分量磁力仪数据T、L和V、总场磁力仪数据H_T、方向舵及升降舵的d₁～d₁₂代入公式H_IG+H_E＝H_T-H_M中，得到H_IG+H_E。

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