專利名稱：一種載機磁環(huán)境的識別方法
一種載機磁環(huán)境的識別方法技術領域
本發(fā)明屬于航空地磁測量及識別領域，具體涉及一種載機磁環(huán)境的識別方法。
技術背景
載機的磁環(huán)境對機載地磁測量有重要的影響。載機磁環(huán)境包括
1、載機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、電機中的永磁材料，所有鐵磁材料和它們的合金構成等軟磁材料，被磁化后而表現出來的硬磁性源的特征。
2、載機上的感應磁場
包括直流和交流導線與環(huán)路，均可以產生穩(wěn)態(tài)磁場和交變磁場，統稱為雜散磁場。
表征磁性強弱的物理量是磁矩，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。
載機磁環(huán)境的識別問題，一直是機載地磁測量專業(yè)中載機磁環(huán)境補償的重要研究問題。通常載機磁測子系統是一個加改裝的子系統，加改裝時飛機的磁環(huán)境已經無法重新進行磁設計了。載機上的固定磁鐵和磁化了的鐵磁材料，會導致磁傳感器產生偏差。另一方面，飛機上的電流環(huán)路，會在周邊產生出感應的交變磁場。因此，為了獲得真實的地磁場數據，必須進行載機的磁補償。而要補償掉載機磁環(huán)境，就必須對飛機磁環(huán)境進行識別。
理論上，機載磁環(huán)境的識別可以通過比較實際的載機傳感器輸出和理論地磁場模型(如IGRF模型等)來實現。但是，現有的理論模型本身的分辨率和精度跟實際當地磁場相比，可有上百nT的誤差。因此，我們擬采用差分的方法提取載機的磁環(huán)境數據。具體地說，飛機磁環(huán)境是通過比較機載磁測數據和地面站磁測數據得到。
我們得知的最早的工作，是Leliak 1961年提出的18項載機磁環(huán)境模型。原始文件目前在國內無法找到，我們是通過加拿大PetRosEiKon公司賈睿中的改進的飛機磁補償項目總結報告中得知該模型的。
Leliak的18項模型如下
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為載機磁環(huán)境，(cosX，cosY, cosZ)為地磁場向量相對載機水平軸、縱軸和垂直軸的方向余弦，0’為對自變量的導數。一旦得到這個模型，我們就可以預測載機的磁場了。在式(14)右端中，頭三項表示了載機的永磁和順磁材料引起的干擾。隨后六項則表示了飛機上感應磁場的干擾。最后的九項則代表了飛機上渦流導致的磁場的干擾。
考慮到
cos2X+cos2Y+cos2Z = 1(15)
cosX(cosX) ‘ +cosY(cosY) ‘ +cosZ(cosZ) ‘ =0(16)
實際上式(14)只有十六項。此外，我們注意到，從式(1)來看，現有的磁環(huán)境補償技術，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無法在補償前獲得，我們沒有找到Leliak的原始文獻，無法確知。看來只有一種可能，即使用IGRF模型計算出來的理論值來替代。
我們需要指出的是，Leliak的十八項模型，或許在工程上是一個實用的模型，然而卻存在著嚴重的邏輯謬誤。首先，該模型只適用于總量的識別和補償。其次，載機的感應磁場來源于載機上電力系統中的交變電流、繼電器和航空電子系統中的交變電流等感應源。 這些感應源在客觀事實上，與飛機在地球磁場中什么位置和指向是無關的。再次渦流感應的磁場指的是，在磁場中形成環(huán)路的電路感應的磁場，由于這些回路在飛機上的布線是固定的，原則上也只跟飛機的姿態(tài)有關。因此，直觀上我們可以認為，Leliak補償模型中，表征載機永磁環(huán)境的頭三項跟飛機的姿態(tài)有關。我們把感應磁場和渦流磁場同稱作雜散磁場， 我們認為它只與姿態(tài)和/姿態(tài)變化率有關。
一個耐人尋味的實事是，Leliak的十八項模型實際上是在人們還沒有航空電子系統綜合的理論和實踐的時代的產物。于是，磁測子系統的設計師在得不到飛機姿態(tài)信息的情況下，直接采用三軸磁力儀的測量來進行定姿。賈意識到了這個問題，采用GPS定姿的方法給出獨立的姿態(tài)測量，然而卻沒有認識到十八項模型更為深刻的局限。發(fā)明內容
針對現有技術存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種載機磁環(huán)境的識別方法， 該方法利用大樣本載機磁環(huán)境數據，實現對載機磁環(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方案實現的
飛機以一固定航向角停在跑道上，發(fā)動機及機上所有電子設備全部處于工作狀態(tài)。機上測量地磁總量和三分量的傳感器也開始采集數據。同一時刻，機上傳感器的采集數據與地面站數據之差即為載機的總量和三分量磁環(huán)境。多次采樣即可得到載機磁環(huán)境數據序列。
改變飛機航向，重新測量，即可得到該航向下的載機磁環(huán)境數據序列。
由于是大樣本采樣，直流部分即等于樣本均值。
將測量數據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；再利用極小范數最小二乘法解算出AR模型的參數；利用以解算的參數建立交流諧波信號的特征多項式，解該特征多項式即可獲得交流分量各諧波信號的頻率，實現對交流部分的識別。
具體包括以下步驟
(a)載機磁環(huán)境數據的采集
載機停在跑道上，飛機航向為懷，飛機發(fā)動機和各種電子設備均處于工作狀態(tài)。同一時刻，地面磁測站所測得的地磁數據與飛機上裝載的磁測系統所測得的地磁數據的差即為載機磁環(huán)境的測量值。依此進行ν次測量，得飛機航向為懷時的總量測量序列^，ftω和地理坐標系下沿其三個軸向的三分量測量序列代Λ (0，By % (0，Bz % (/) O
改變飛機航向至奶，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據模型
根據對載機磁環(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為載機磁環(huán)境的直流分量，S (i)為載機磁環(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)識別載機磁環(huán)境直流部分
由于設定載機為定航向的平飛，直流分量C為只與航向角余弦有關的一個常量， 故C可表示為
權利要求
1.一種載機磁環(huán)境的識別方法，包括如下步驟(a)、載機磁環(huán)境數據的采集載機停在跑道上，飛機航向為懷，飛機發(fā)動機和各種電子設備均處于工作狀態(tài)；同一時刻，地面磁測站所測得的地磁數據與飛機上裝載的磁測系統所測得的地磁數據的差即為載機磁環(huán)境的測量值；依此進行N次測量，得飛機航向為懷時的總量測量序列^㈣⑴和地理坐標系下沿其三個軸向的三分量測量序列(0， γ%( )，BzJi)；改變飛機航向至奶，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據模型，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為載機磁環(huán)境的直流分量，S(i)為載機磁環(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)、識別載機磁環(huán)境直流部分直流分量C為只與航向角余弦有關的一個常量，由于樣本容量N很大，載機磁環(huán)境為大樣本采樣，故其直流分量的大小即為樣本均值；(d)、建立載機磁環(huán)境交流部分模型將測量數據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和參數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；再利用極小范數最小二乘法解算出AR模型的參數；(f)利用諧波恢復方法計算交流部分的頻率利用AR模型的參數建立交流諧波信號的特征多項式，解該特征多項式即可獲得交流分量各諧波信號的頻率，實現對交流部分的識別。
2.根據權利要求1所述的一種載機磁環(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行識別由于設定載機為定航向的平飛，直流分量C為只與航向角余弦有關的一個常量，故C可表示為C = C1+C2-cos(2)式中，C1, C2為待定參數；由于樣本容量N很大，載機磁環(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C1, C2,同理，y和ζ方向以及總量的直流分量的參數均可用此方程獲得。
3.根據權利要求1所述的一種載機磁環(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識別，令
4.根據權利要求1所述的一種載機磁環(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和參數由步驟(d)知Sffl(η)的觀測樣本為=Bm(I), (2)，-Sffl(N)]定義樣本的自相關函數(A) = Sm{n)-Sm{n - A)，k> 2p構造擴展N-peXpe/2維自相關矩陣
5.根據權利要求1所述的一種載機磁環(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算交流部分頻率由步驟(e)知ARMA模型的階數和參數都已確定，解ARMA模型的AR部分的特征多項式
全文摘要
本發(fā)明公開了一種載機磁環(huán)境的識別方法，該方法通過載機磁傳感器的采集數據與地面站數據之差確立載機磁環(huán)境樣本，建立載機磁環(huán)境的總量和分量模型。應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最小二乘法確定ARMA模型的階數和參數，再利用諧波恢復方法識別出載機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)點飛機無需飛行，通過地面測量數據即可對載機磁環(huán)境進行識別，極大地降低了識別載機磁環(huán)境所消耗的費用；同時可對載機磁環(huán)境的總量和分量進行識別。
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