专利名称：一种载机磁环境的识别方法
一种载机磁环境的识别方法技术领域
本发明属于航空地磁测量及识别领域，具体涉及一种载机磁环境的识别方法。
技术背景
载机的磁环境对机载地磁测量有重要的影响。载机磁环境包括
1、载机上永磁材料和顺磁材料磁性源的影响
典型的器件如电磁继电器、铁氧体隔离器、电机中的永磁材料，所有铁磁材料和它们的合金构成等软磁材料，被磁化后而表现出来的硬磁性源的特征。
2、载机上的感应磁场
包括直流和交流导线与环路，均可以产生稳态磁场和交变磁场，统称为杂散磁场。
表征磁性强弱的物理量是磁矩，定义为通过环路的电流与该环路包围面积的乘积。单位为安培.米2。
载机磁环境的识别问题，一直是机载地磁测量专业中载机磁环境补偿的重要研究问题。通常载机磁测子系统是一个加改装的子系统，加改装时飞机的磁环境已经无法重新进行磁设计了。载机上的固定磁铁和磁化了的铁磁材料，会导致磁传感器产生偏差。另一方面，飞机上的电流环路，会在周边产生出感应的交变磁场。因此，为了获得真实的地磁场数据，必须进行载机的磁补偿。而要补偿掉载机磁环境，就必须对飞机磁环境进行识别。
理论上，机载磁环境的识别可以通过比较实际的载机传感器输出和理论地磁场模型(如IGRF模型等)来实现。但是，现有的理论模型本身的分辨率和精度跟实际当地磁场相比，可有上百nT的误差。因此，我们拟采用差分的方法提取载机的磁环境数据。具体地说，飞机磁环境是通过比较机载磁测数据和地面站磁测数据得到。
我们得知的最早的工作，是Leliak 1961年提出的18项载机磁环境模型。原始文件目前在国内无法找到，我们是通过加拿大PetRosEiKon公司贾睿中的改进的飞机磁补偿项目总结报告中得知该模型的。
Leliak的18项模型如下
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为载机磁环境，(cosX，cosY, cosZ)为地磁场向量相对载机水平轴、纵轴和垂直轴的方向余弦，0’为对自变量的导数。一旦得到这个模型，我们就可以预测载机的磁场了。在式(14)右端中，头三项表示了载机的永磁和顺磁材料引起的干扰。随后六项则表示了飞机上感应磁场的干扰。最后的九项则代表了飞机上涡流导致的磁场的干扰。
考虑到
cos2X+cos2Y+cos2Z = 1(15)
cosX(cosX) ‘ +cosY(cosY) ‘ +cosZ(cosZ) ‘ =0(16)
实际上式(14)只有十六项。此外，我们注意到，从式(1)来看，现有的磁环境补偿技术，完全是只针对地磁场总量而言的。
注意在式(14)中地磁场的总量Bg无法在补偿前获得，我们没有找到Leliak的原始文献，无法确知。看来只有一种可能，即使用IGRF模型计算出来的理论值来替代。
我们需要指出的是，Leliak的十八项模型，或许在工程上是一个实用的模型，然而却存在着严重的逻辑谬误。首先，该模型只适用于总量的识别和补偿。其次，载机的感应磁场来源于载机上电力系统中的交变电流、继电器和航空电子系统中的交变电流等感应源。 这些感应源在客观事实上，与飞机在地球磁场中什么位置和指向是无关的。再次涡流感应的磁场指的是，在磁场中形成环路的电路感应的磁场，由于这些回路在飞机上的布线是固定的，原则上也只跟飞机的姿态有关。因此，直观上我们可以认为，Leliak补偿模型中，表征载机永磁环境的头三项跟飞机的姿态有关。我们把感应磁场和涡流磁场同称作杂散磁场， 我们认为它只与姿态和/姿态变化率有关。
一个耐人寻味的实事是，Leliak的十八项模型实际上是在人们还没有航空电子系统综合的理论和实践的时代的产物。于是，磁测子系统的设计师在得不到飞机姿态信息的情况下，直接采用三轴磁力仪的测量来进行定姿。贾意识到了这个问题，采用GPS定姿的方法给出独立的姿态测量，然而却没有认识到十八项模型更为深刻的局限。发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种载机磁环境的识别方法， 该方法利用大样本载机磁环境数据，实现对载机磁环境总量和分量的识别。
本发明的发明目的是通过以下的技术方案实现的
飞机以一固定航向角停在跑道上，发动机及机上所有电子设备全部处于工作状态。机上测量地磁总量和三分量的传感器也开始采集数据。同一时刻，机上传感器的采集数据与地面站数据之差即为载机的总量和三分量磁环境。多次采样即可得到载机磁环境数据序列。
改变飞机航向，重新测量，即可得到该航向下的载机磁环境数据序列。
由于是大样本采样，直流部分即等于样本均值。
将测量数据减去已识别的直流部分，即得到带测量噪声的交流部分的测量序列； Mti^iilfiii歹I」白勺ARMA(Auto-Regressive and Moving Average Model, g模型，通过奇异值分解方法确定该模型的AR(自回归模型)阶数；再利用极小范数最小二乘法解算出AR模型的参数；利用以解算的参数建立交流谐波信号的特征多项式，解该特征多项式即可获得交流分量各谐波信号的频率，实现对交流部分的识别。
具体包括以下步骤
(a)载机磁环境数据的采集
载机停在跑道上，飞机航向为怀，飞机发动机和各种电子设备均处于工作状态。同一时刻，地面磁测站所测得的地磁数据与飞机上装载的磁测系统所测得的地磁数据的差即为载机磁环境的测量值。依此进行ν次测量，得飞机航向为怀时的总量测量序列^，ftω和地理坐标系下沿其三个轴向的三分量测量序列代Λ (0，By % (0，Bz % (/) O
改变飞机航向至奶，测得该航向下的U')，BxJi), 5^(0，代,4)。其中，士=1,2,…N。
(b)建立加性白噪声观测数据模型
根据对载机磁环境的研究，其总量 和分量Bx，By, Bz模型均可表示为
B(i) = C+S(i)+v(i)(1)
式中，i为第i次测量，N为测量样本大小，C为载机磁环境的直流分量，S (i)为载机磁环境的交流分量，ν (i)为均值为零、均方差为σ 2的测量噪声。
(c)识别载机磁环境直流部分
由于设定载机为定航向的平飞，直流分量C为只与航向角余弦有关的一个常量， 故C可表示为
权利要求
1.一种载机磁环境的识别方法，包括如下步骤(a)、载机磁环境数据的采集载机停在跑道上，飞机航向为怀，飞机发动机和各种电子设备均处于工作状态；同一时刻，地面磁测站所测得的地磁数据与飞机上装载的磁测系统所测得的地磁数据的差即为载机磁环境的测量值；依此进行N次测量，得飞机航向为怀时的总量测量序列^㈣⑴和地理坐标系下沿其三个轴向的三分量测量序列(0， γ%( )，BzJi)；改变飞机航向至奶，测得该航向下的 4，《(0，BxJP) ’ ByVi{i),代肩(/)，其中，i =丄，2，...N;(b)、建立加性白噪声观测数据模型，模型的建立如下其总量 和分量Bx，By, Bz模型均可表示为B(i) = C+S(i)+v(i)(1)式中，i = 1,2,…N，N为测量样本大小，C为载机磁环境的直流分量，S(i)为载机磁环境的交流分量，ν (i)为均值为零、均方差为ο 2的测量噪声；(c)、识别载机磁环境直流部分直流分量C为只与航向角余弦有关的一个常量，由于样本容量N很大，载机磁环境为大样本采样，故其直流分量的大小即为样本均值；(d)、建立载机磁环境交流部分模型将测量数据减去已识别的直流部分，即得到带测量噪声的交流部分的测量序列，即=Sffl(n) = B(η)-C,η = 1,2,…，N，其中Sm为载机磁环境的交流部分，B(η)如⑴式所示。(e)、识别交流模型的阶数和参数建立交流部分的测量序列的ARMA模型，通过奇异值分解方法确定该模型的AR阶数；再利用极小范数最小二乘法解算出AR模型的参数；(f)利用谐波恢复方法计算交流部分的频率利用AR模型的参数建立交流谐波信号的特征多项式，解该特征多项式即可获得交流分量各谐波信号的频率，实现对交流部分的识别。
2.根据权利要求1所述的一种载机磁环境识别方法，其特征在于，所述步骤(c)具体采用如下方式对直流部分进行识别由于设定载机为定航向的平飞，直流分量C为只与航向角余弦有关的一个常量，故C可表示为C = C1+C2-cos(2)式中，C1, C2为待定参数；由于样本容量N很大，载机磁环境为大样本采样，故其直流分量的大小即为样本均值， 以χ方向所获得的样本^#。ω、代，《ω为例，直流分量可表示为‘I NC0= C1+C2- COS φ0 =(0w(3)1 ΝC1= C1+C2-COS^1 = —通过解该方程即可得到Χ方向的直流分量参数C1, C2,同理，y和ζ方向以及总量的直流分量的参数均可用此方程获得。
3.根据权利要求1所述的一种载机磁环境识别方法，其特征在于，所述步骤(d)建立交流部分模型的具体步骤如下由步骤(C)知确定航向下的直流分量已经识别，令
4.根据权利要求1所述的一种载机磁环境识别方法，其特征在于，所述步骤(e)具体采用如下方式确定交流模型的阶数和参数由步骤(d)知Sffl(η)的观测样本为=Bm(I), (2)，-Sffl(N)]定义样本的自相关函数(A) = Sm{n)-Sm{n - A)，k> 2p构造扩展N-peXpe/2维自相关矩阵
5.根据权利要求1所述的一种载机磁环境识别方法，其特征在于，所述步骤(f)具体采用如下方式计算交流部分频率由步骤(e)知ARMA模型的阶数和参数都已确定，解ARMA模型的AR部分的特征多项式
全文摘要
本发明公开了一种载机磁环境的识别方法，该方法通过载机磁传感器的采集数据与地面站数据之差确立载机磁环境样本，建立载机磁环境的总量和分量模型。应用大样本取均值的方法识别出其直流部分；采用特殊ARMA模型，利用奇异值分解和极小范数最小二乘法确定ARMA模型的阶数和参数，再利用谐波恢复方法识别出载机磁信号交流分量的频率。本发明的识别方法具有如下优点飞机无需飞行，通过地面测量数据即可对载机磁环境进行识别，极大地降低了识别载机磁环境所消耗的费用；同时可对载机磁环境的总量和分量进行识别。
文档编号G01R29/08GK102520263SQ201110410449
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月12日 优先权日2011年12月12日
发明者金晓南, 陈芳, 龚诚 申请人:中国航空无线电电子研究所