專利名稱：一種載機(jī)磁環(huán)境的識別方法
一種載機(jī)磁環(huán)境的識別方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于航空地磁測量及識別領(lǐng)域，具體涉及一種載機(jī)磁環(huán)境的識別方法。
技術(shù)背景
載機(jī)的磁環(huán)境對機(jī)載地磁測量有重要的影響。載機(jī)磁環(huán)境包括
1、載機(jī)上永磁材料和順磁材料磁性源的影響
典型的器件如電磁繼電器、鐵氧體隔離器、電機(jī)中的永磁材料，所有鐵磁材料和它們的合金構(gòu)成等軟磁材料，被磁化后而表現(xiàn)出來的硬磁性源的特征。
2、載機(jī)上的感應(yīng)磁場
包括直流和交流導(dǎo)線與環(huán)路，均可以產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)磁場和交變磁場，統(tǒng)稱為雜散磁場。
表征磁性強(qiáng)弱的物理量是磁矩，定義為通過環(huán)路的電流與該環(huán)路包圍面積的乘積。單位為安培.米2。
載機(jī)磁環(huán)境的識別問題，一直是機(jī)載地磁測量專業(yè)中載機(jī)磁環(huán)境補(bǔ)償?shù)闹匾芯繂栴}。通常載機(jī)磁測子系統(tǒng)是一個(gè)加改裝的子系統(tǒng)，加改裝時(shí)飛機(jī)的磁環(huán)境已經(jīng)無法重新進(jìn)行磁設(shè)計(jì)了。載機(jī)上的固定磁鐵和磁化了的鐵磁材料，會(huì)導(dǎo)致磁傳感器產(chǎn)生偏差。另一方面，飛機(jī)上的電流環(huán)路，會(huì)在周邊產(chǎn)生出感應(yīng)的交變磁場。因此，為了獲得真實(shí)的地磁場數(shù)據(jù)，必須進(jìn)行載機(jī)的磁補(bǔ)償。而要補(bǔ)償?shù)糨d機(jī)磁環(huán)境，就必須對飛機(jī)磁環(huán)境進(jìn)行識別。
理論上，機(jī)載磁環(huán)境的識別可以通過比較實(shí)際的載機(jī)傳感器輸出和理論地磁場模型(如IGRF模型等)來實(shí)現(xiàn)。但是，現(xiàn)有的理論模型本身的分辨率和精度跟實(shí)際當(dāng)?shù)卮艌鱿啾?，可有上百nT的誤差。因此，我們擬采用差分的方法提取載機(jī)的磁環(huán)境數(shù)據(jù)。具體地說，飛機(jī)磁環(huán)境是通過比較機(jī)載磁測數(shù)據(jù)和地面站磁測數(shù)據(jù)得到。
我們得知的最早的工作，是Leliak 1961年提出的18項(xiàng)載機(jī)磁環(huán)境模型。原始文件目前在國內(nèi)無法找到，我們是通過加拿大PetRosEiKon公司賈睿中的改進(jìn)的飛機(jī)磁補(bǔ)償項(xiàng)目總結(jié)報(bào)告中得知該模型的。
Leliak的18項(xiàng)模型如下
Bt = c1cosX+c2cosY+c3cosZ+Bg (c4cos2X+c5cosXcosY++c6cosXcosZ+c7cos2Y+c8cosY cosZ+c9cos2Z)++Bg (c10cosX (cosX) ‘ +cncosX (cosY) ' +c12cosX (cosZ) ' +(14) +C1 3cosY(cosX) ' +cwcosY(cosY)' +c15cosY(cosZ) ' +c16cosZ (cosX) ' +c17cosZ(cosY) ' +c18cosZ (cosZ)')
式中，BT為載機(jī)磁環(huán)境，(cosX，cosY, cosZ)為地磁場向量相對載機(jī)水平軸、縱軸和垂直軸的方向余弦，0’為對自變量的導(dǎo)數(shù)。一旦得到這個(gè)模型，我們就可以預(yù)測載機(jī)的磁場了。在式(14)右端中，頭三項(xiàng)表示了載機(jī)的永磁和順磁材料引起的干擾。隨后六項(xiàng)則表示了飛機(jī)上感應(yīng)磁場的干擾。最后的九項(xiàng)則代表了飛機(jī)上渦流導(dǎo)致的磁場的干擾。
考慮到
cos2X+cos2Y+cos2Z = 1(15)
cosX(cosX) ‘ +cosY(cosY) ‘ +cosZ(cosZ) ‘ =0(16)
實(shí)際上式(14)只有十六項(xiàng)。此外，我們注意到，從式(1)來看，現(xiàn)有的磁環(huán)境補(bǔ)償技術(shù)，完全是只針對地磁場總量而言的。
注意在式(14)中地磁場的總量Bg無法在補(bǔ)償前獲得，我們沒有找到Leliak的原始文獻(xiàn)，無法確知?？磥碇挥幸环N可能，即使用IGRF模型計(jì)算出來的理論值來替代。
我們需要指出的是，Leliak的十八項(xiàng)模型，或許在工程上是一個(gè)實(shí)用的模型，然而卻存在著嚴(yán)重的邏輯謬誤。首先，該模型只適用于總量的識別和補(bǔ)償。其次，載機(jī)的感應(yīng)磁場來源于載機(jī)上電力系統(tǒng)中的交變電流、繼電器和航空電子系統(tǒng)中的交變電流等感應(yīng)源。 這些感應(yīng)源在客觀事實(shí)上，與飛機(jī)在地球磁場中什么位置和指向是無關(guān)的。再次渦流感應(yīng)的磁場指的是，在磁場中形成環(huán)路的電路感應(yīng)的磁場，由于這些回路在飛機(jī)上的布線是固定的，原則上也只跟飛機(jī)的姿態(tài)有關(guān)。因此，直觀上我們可以認(rèn)為，Leliak補(bǔ)償模型中，表征載機(jī)永磁環(huán)境的頭三項(xiàng)跟飛機(jī)的姿態(tài)有關(guān)。我們把感應(yīng)磁場和渦流磁場同稱作雜散磁場， 我們認(rèn)為它只與姿態(tài)和/姿態(tài)變化率有關(guān)。
一個(gè)耐人尋味的實(shí)事是，Leliak的十八項(xiàng)模型實(shí)際上是在人們還沒有航空電子系統(tǒng)綜合的理論和實(shí)踐的時(shí)代的產(chǎn)物。于是，磁測子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)師在得不到飛機(jī)姿態(tài)信息的情況下，直接采用三軸磁力儀的測量來進(jìn)行定姿。賈意識到了這個(gè)問題，采用GPS定姿的方法給出獨(dú)立的姿態(tài)測量，然而卻沒有認(rèn)識到十八項(xiàng)模型更為深刻的局限。發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種載機(jī)磁環(huán)境的識別方法， 該方法利用大樣本載機(jī)磁環(huán)境數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對載機(jī)磁環(huán)境總量和分量的識別。
本發(fā)明的發(fā)明目的是通過以下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的
飛機(jī)以一固定航向角停在跑道上，發(fā)動(dòng)機(jī)及機(jī)上所有電子設(shè)備全部處于工作狀態(tài)。機(jī)上測量地磁總量和三分量的傳感器也開始采集數(shù)據(jù)。同一時(shí)刻，機(jī)上傳感器的采集數(shù)據(jù)與地面站數(shù)據(jù)之差即為載機(jī)的總量和三分量磁環(huán)境。多次采樣即可得到載機(jī)磁環(huán)境數(shù)據(jù)序列。
改變飛機(jī)航向，重新測量，即可得到該航向下的載機(jī)磁環(huán)境數(shù)據(jù)序列。
由于是大樣本采樣，直流部分即等于樣本均值。
將測量數(shù)據(jù)減去已識別的直流部分，即得到帶測量噪聲的交流部分的測量序列； Mti^iilfiii歹I」白勺ARMA(Auto-Regressive and Moving Average Model, g模型，通過奇異值分解方法確定該模型的AR(自回歸模型)階數(shù)；再利用極小范數(shù)最小二乘法解算出AR模型的參數(shù)；利用以解算的參數(shù)建立交流諧波信號的特征多項(xiàng)式，解該特征多項(xiàng)式即可獲得交流分量各諧波信號的頻率，實(shí)現(xiàn)對交流部分的識別。
具體包括以下步驟
(a)載機(jī)磁環(huán)境數(shù)據(jù)的采集
載機(jī)停在跑道上，飛機(jī)航向?yàn)閼?，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)和各種電子設(shè)備均處于工作狀態(tài)。同一時(shí)刻，地面磁測站所測得的地磁數(shù)據(jù)與飛機(jī)上裝載的磁測系統(tǒng)所測得的地磁數(shù)據(jù)的差即為載機(jī)磁環(huán)境的測量值。依此進(jìn)行ν次測量，得飛機(jī)航向?yàn)閼褧r(shí)的總量測量序列^，ftω和地理坐標(biāo)系下沿其三個(gè)軸向的三分量測量序列代Λ (0，By % (0，Bz % (/) O
改變飛機(jī)航向至奶，測得該航向下的U')，BxJi), 5^(0，代,4)。其中，士=1,2,…N。
(b)建立加性白噪聲觀測數(shù)據(jù)模型
根據(jù)對載機(jī)磁環(huán)境的研究，其總量 和分量Bx，By, Bz模型均可表示為
B(i) = C+S(i)+v(i)(1)
式中，i為第i次測量，N為測量樣本大小，C為載機(jī)磁環(huán)境的直流分量，S (i)為載機(jī)磁環(huán)境的交流分量，ν (i)為均值為零、均方差為σ 2的測量噪聲。
(c)識別載機(jī)磁環(huán)境直流部分
由于設(shè)定載機(jī)為定航向的平飛，直流分量C為只與航向角余弦有關(guān)的一個(gè)常量， 故C可表示為
權(quán)利要求
1.一種載機(jī)磁環(huán)境的識別方法，包括如下步驟(a)、載機(jī)磁環(huán)境數(shù)據(jù)的采集載機(jī)停在跑道上，飛機(jī)航向?yàn)閼?，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)和各種電子設(shè)備均處于工作狀態(tài)；同一時(shí)刻，地面磁測站所測得的地磁數(shù)據(jù)與飛機(jī)上裝載的磁測系統(tǒng)所測得的地磁數(shù)據(jù)的差即為載機(jī)磁環(huán)境的測量值；依此進(jìn)行N次測量，得飛機(jī)航向?yàn)閼褧r(shí)的總量測量序列^㈣⑴和地理坐標(biāo)系下沿其三個(gè)軸向的三分量測量序列(0， γ%( )，BzJi)；改變飛機(jī)航向至奶，測得該航向下的 4，《(0，BxJP) ’ ByVi{i),代肩(/)，其中，i =丄，2，...N;(b)、建立加性白噪聲觀測數(shù)據(jù)模型，模型的建立如下其總量 和分量Bx，By, Bz模型均可表示為B(i) = C+S(i)+v(i)(1)式中，i = 1,2,…N，N為測量樣本大小，C為載機(jī)磁環(huán)境的直流分量，S(i)為載機(jī)磁環(huán)境的交流分量，ν (i)為均值為零、均方差為ο 2的測量噪聲；(c)、識別載機(jī)磁環(huán)境直流部分直流分量C為只與航向角余弦有關(guān)的一個(gè)常量，由于樣本容量N很大，載機(jī)磁環(huán)境為大樣本采樣，故其直流分量的大小即為樣本均值；(d)、建立載機(jī)磁環(huán)境交流部分模型將測量數(shù)據(jù)減去已識別的直流部分，即得到帶測量噪聲的交流部分的測量序列，即=Sffl(n) = B(η)-C,η = 1,2,…，N，其中Sm為載機(jī)磁環(huán)境的交流部分，B(η)如⑴式所示。(e)、識別交流模型的階數(shù)和參數(shù)建立交流部分的測量序列的ARMA模型，通過奇異值分解方法確定該模型的AR階數(shù)；再利用極小范數(shù)最小二乘法解算出AR模型的參數(shù)；(f)利用諧波恢復(fù)方法計(jì)算交流部分的頻率利用AR模型的參數(shù)建立交流諧波信號的特征多項(xiàng)式，解該特征多項(xiàng)式即可獲得交流分量各諧波信號的頻率，實(shí)現(xiàn)對交流部分的識別。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種載機(jī)磁環(huán)境識別方法，其特征在于，所述步驟(c)具體采用如下方式對直流部分進(jìn)行識別由于設(shè)定載機(jī)為定航向的平飛，直流分量C為只與航向角余弦有關(guān)的一個(gè)常量，故C可表示為C = C1+C2-cos(2)式中，C1, C2為待定參數(shù)；由于樣本容量N很大，載機(jī)磁環(huán)境為大樣本采樣，故其直流分量的大小即為樣本均值， 以χ方向所獲得的樣本^#。ω、代，《ω為例，直流分量可表示為‘I NC0= C1+C2- COS φ0 =(0w(3)1 ΝC1= C1+C2-COS^1 = —通過解該方程即可得到Χ方向的直流分量參數(shù)C1, C2,同理，y和ζ方向以及總量的直流分量的參數(shù)均可用此方程獲得。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種載機(jī)磁環(huán)境識別方法，其特征在于，所述步驟(d)建立交流部分模型的具體步驟如下由步驟(C)知確定航向下的直流分量已經(jīng)識別，令
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種載機(jī)磁環(huán)境識別方法，其特征在于，所述步驟(e)具體采用如下方式確定交流模型的階數(shù)和參數(shù)由步驟(d)知Sffl(η)的觀測樣本為=Bm(I), (2)，-Sffl(N)]定義樣本的自相關(guān)函數(shù)(A) = Sm{n)-Sm{n - A)，k> 2p構(gòu)造擴(kuò)展N-peXpe/2維自相關(guān)矩陣
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種載機(jī)磁環(huán)境識別方法，其特征在于，所述步驟(f)具體采用如下方式計(jì)算交流部分頻率由步驟(e)知ARMA模型的階數(shù)和參數(shù)都已確定，解ARMA模型的AR部分的特征多項(xiàng)式
全文摘要
本發(fā)明公開了一種載機(jī)磁環(huán)境的識別方法，該方法通過載機(jī)磁傳感器的采集數(shù)據(jù)與地面站數(shù)據(jù)之差確立載機(jī)磁環(huán)境樣本，建立載機(jī)磁環(huán)境的總量和分量模型。應(yīng)用大樣本取均值的方法識別出其直流部分；采用特殊ARMA模型，利用奇異值分解和極小范數(shù)最小二乘法確定ARMA模型的階數(shù)和參數(shù)，再利用諧波恢復(fù)方法識別出載機(jī)磁信號交流分量的頻率。本發(fā)明的識別方法具有如下優(yōu)點(diǎn)飛機(jī)無需飛行，通過地面測量數(shù)據(jù)即可對載機(jī)磁環(huán)境進(jìn)行識別，極大地降低了識別載機(jī)磁環(huán)境所消耗的費(fèi)用；同時(shí)可對載機(jī)磁環(huán)境的總量和分量進(jìn)行識別。
文檔編號G01R29/08GK102520263SQ201110410449
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月12日
發(fā)明者金曉南, 陳芳, 龔誠 申請人:中國航空無線電電子研究所