一种空地一体的地磁场联合观测方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种空地一体的地磁场联合观测方法及系统，所述方法包括：在地磁场测量任务开展前，利用移动地面站采集的地磁场信息，确定局部地磁场模型的模型参数；在执行地磁场测量任务时，利用机载部分在飞行航路上采集的地磁场信息和所述模型参数，得到沿飞行航路上的动态模型；利用机载部分获取的载机按预定姿态飞行时的姿态测量误差，得到沿飞行航路上的测量误差模型；利用所述动态模型和所述测量误差模型，得到飞行航路上采集的地磁场信息在地理坐标系中的估计。本发明能够提高在地理坐标系中表示的地磁场向量的测量精度，并能够进行地磁场异常检测。
【专利说明】一种空地一体的地磁场联合观测方法及系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及地磁场测量技术，特别涉及一种空地一体的地磁场联合观测方法及相 关的系统。
【背景技术】
[0002] 地震、海啸、泥石流和火山喷发对人类造成巨大威胁，据报导孕震期间，本地地磁 场合平静太阳日日变化会偏离正常值，这要求对地磁场连续的监测，通过分布式网络，由不 同平台组成，磁场向量的获得，在机载平台上，需要在统一的地理坐标系中表示，然而，姿态 测量包含噪声，考虑到外围地磁场数值范围大，从两极的60000nT到赤道的20000nT。从机 体坐标系到地理坐标系的变换会引入不可忽略的误差，这会导致测量异常失败。
[0003] 几十年来，航空地磁测量已经广泛的应用于各种领域如探矿、油气和地热勘探，和 反潜作战中的潜艇探测，所有这些都是以平台为中心的探测，然而只有磁异探测要求是网 络节点探测。大部分航空磁测只要求磁场总场测量，然而，对于地震监测用于的地磁场监测 是不够的。
[0004] 下面相关资料致力于航空地磁观测和地磁数据处理。
[0005] 1、Moll等获得的No. 535, 5313美国专利，使用神经网络计算basement rock的深 度。
[0006] 2、Moll等获得的No. 588,4256美国专利，阐述了一个数据处理系统，它使用神经 网络来计算basement rock的深度。以及神经网络的设计方法和工作过程。以上两个专利 都没有对磁场测量和磁场转换进行论述。
[0007] 3、Shiells等获得的No. 6, 021，577美国专利，阐述了如何测量矿井的方位，它通 过一个基站和移动站来测量，基站和移动站都由两到三个相互垂直的磁通门磁强计构成。
[0008] 4、www. Picoenvirotec. com 网站中题名为 IMPAC Integrated Multi-Parameter Airborne Console的文章，阐述了一个机载地磁观测系统，它装备有4个铯光泵磁强计和一 个三轴磁通门磁强计，用于提供载机姿态和载机磁环境补偿模型，然而它--：涉及三轴磁 通门的输出量测值如何转换到地理坐标系中。
[0009] 载机电磁环境和太阳辐射引起的磁场日变化，是两个影响载机进行精确地磁测量 的重要因素，需要对其进行补偿，本发明中假设载机磁环境和太阳日变化已被补偿，因此只 需关注于减少不精确姿态测量误差引起的磁场测量误差，而安装误差和设备误差等系统误 差假设已被校正。
[0010] 为了减少坐标转换带来的磁场误差，一种方法是采用三个以上天线非共线安装的 双频GPS接收机来提高姿态测量精度，此种方法保证关联在天线上的测量基线长度满足测 量精度要求。
[0011] 引用的参考文献如下：
[0012] 1. Jankowski, J. , and C. Sucksdoroff, , Guide for Magnetic Measurements and Observatory Practice,International Association of Geomagnetism and Aeronomy, 1996, Warsaw.
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[0014] 3. Manoj, C. , and S. Maus, Observation of Magnetic fields Generated by Tsunamis ,Eos. , Vol. 92, No. 2, lljanuary 2011.
[0015] 4. Tsi, J. Digital Techniques for Wideband Receivers (2nd Ed), Norwood, MA02062, U. S. A. , Artech House, Inc. , 2001.
[0016] 5. M. Idan, Nonlinear Smoothing Identification Algorithm with Application to Data Consistency Checks,J.Guidance,Control and Dynamics, 16 (2)，April 1993, pp. 337 ?345.
[0017] 6. Working Group, Concise Mathematic Handbook, Shanghai Educational Press, 1977 (in Chinese).
[0018] 7. Kalman, R.，Discovery and Invention:The Newtonian Revolution in Systems Technology, J. of Guidance, Control and Dynamics, Vol. 26, No. 6, Nov. 2003, pp. 833 ? 837.
【发明内容】
[0019] 本发明的目的在于提供一种空地一体的地磁场联合观测方法及系统，能更好地解 决地磁场观测数据精度不高的问题。
[0020] 根据本发明的一个方面，提供了一种空地一体的地磁场联合观测方法，包括：
[0021] 在地磁场测量任务开展前，利用移动地面站米集的地磁场信息，确定局部地磁场 模型的模型参数；
[0022] 在执行地磁场测量任务时，利用机载部分在飞行航路上采集的地磁场信息和所述 模型参数，得到沿飞行航路上的动态模型；
[0023] 利用机载部分获取的载机按预定姿态飞行时的姿态测量误差，得到沿飞行航路上 的测量误差模型；
[0024] 利用所述动态模型和所述测量误差模型，得到飞行航路上采集的地磁场信息在地 理坐标系中的估计。
[0025] 优选地，在待测区域内选取若干个观测点，利用移动地面站采集所述若干个观测 点的地磁场信息，并利用所述若干个观测点的地磁场信息，估计所述待测区域内的局部地 磁场模型的模型参数，其中，所述地磁场信息包括地磁场总量和向量，所述模型参数包括所 述局部地磁场模型的直流分量和多个谐波分量的系数。
[0026] 优选地，所述若干个观测点均匀分布在一条基线上，所述基线是一条原点在参考 点Xd，且与磁北方向重合的长度为L的直线。
[0027] 优选地，利用所述局部地磁场模型的模型参数，对所述机载部分在飞行航路上采 集的地磁场信息进行分解，得到各个方向的直流分量和谐波分量，并将各个方向上的谐波 分量进行离散化处理，得到所述飞行航路上的动态模型。
[0028] 优选地，机载部分通过其定姿定位系统获取姿态测量误差。
[0029] 优选地，利用所述动态模型和所述测量误差模型，得到在地理坐标系中的卡尔曼 滤波器，并通过所述卡尔曼滤波器，得到飞行航路上采集的地磁场信息在地理坐标系中的 估计。
[0030] 优选地，还包括：利用所述卡尔曼滤波器内的数据流，检测地磁场是否发生异常。
[0031] 根据本发明的另一方面，提供了一种空地一体的地磁场联合观测系统，包括：
[0032] 移动地面站，用于在地磁场测量任务开展前，利用移动地面站采集的地磁场信息， 确定局部地磁场模型的模型参数；
[0033] 机载部分，用于在执行地磁场测量任务时，利用在飞行航路上采集的地磁场信息 和所述模型参数，得到沿飞行航路上的动态模型，利用获取的载机按预定姿态飞行时的姿 态测量误差，得到沿飞行航路上的测量误差模型，并利用所述动态模型和所述测量误差模 型，得到飞行航路上采集的地磁场信息在地理坐标系中的估计。
[0034] 优选地，所述机载部分利用所述动态模型和所述测量误差模型，得到在地理坐标 系中的卡尔曼滤波器，并通过所述卡尔曼滤波器，得到飞行航路上采集的地磁场信息在地 理坐标系中的估计。
[0035] 优选地，还包括：
[0036] 磁异常检测器，用于利用所述卡尔曼滤波器内的数据流，检测地磁场是否发生异 堂 巾。
[0037] 与现有技术相比较，本发明的有益效果在于：
[0038] 本发明结合地球物理学、航电集成技术、磁传感器技术、数字信号处理技术、数字 信号处理技术等，能够直接面向空天地一体化观测体系中的航空平台地磁场测量，这些量 测数据精度高，可供地震预报和矿藏勘探分析。
【专利附图】
【附图说明】
[0039] 图1是本发明实施例提供的空地一体的地磁场联合观测方法原理框图；
[0040] 图2是本发明实施例提供的机载部分组成框图；
[0041] 图3是本发明实施例提供的移动地面站组成框图。
【具体实施方式】
[0042] 以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明，应当理解，以下所说明的优 选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
[0043] 本发明提供了一种空地一体的地磁场联合观测系统及相应的数据处理方法。
[0044] (1)所提出的空地一体的地磁场联合观测系统分为移动地面站（即移动地面基 站）和机载部分（即载机观测控制台或载机观测台）两部分。其中，所述移动地面站在地磁 场测量任务开展前，利用移动地面站采集的地磁场信息，确定局部地磁场模型的模型参数； 所述机载部分用于在执行地磁场测量任务时，利用在飞行航路上采集的地磁场信息和所述 模型参数，得到沿飞行航路上的动态模型，利用获取的载机按预定姿态飞行时的姿态测量 误差，得到沿飞行航路上的测量误差模型，并利用所述动态模型和所述测量误差模型，得到 飞行航路上采集的地磁场信息在地理坐标系中的估计，具体地说，所述机载部分利用所述 动态模型和所述测量误差模型，得到在地理坐标系中的卡尔曼滤波器，并通过所述卡尔曼 滤波器，得到飞行航路上采集的地磁场信息在地理坐标系中的估计。进一步地，所述系统还 包括磁异常检测器，其利用所述卡尔曼滤波器内的数据流，检测地磁场是否发生异常，所述 磁异常检测器可以设置在移动地面站中，也可以设置在机载部分。
[0045] 所述载机观测台包括一台铯光泵磁强计、一台三轴磁通门磁强计、一套机载定姿 定位子系统（P0S)和一个综合任务处理单元。铯光泵磁强计用于测量地磁场总场值，三轴 磁通门磁强计用于在机体坐标系统中测量地磁场三分量，它们均安装在无磁尾杆中。机载 观测台用于在飞行航线上采集地磁场向量和总量测量数据，采用（4)和（6)给出的模型和 算法给出地磁场向量在地理坐标系中的估计，同时利用该算法获得的新息，检测可能出现 的地磁异常。
[0046] 所述地面基站，是可移动的，用于模型建模的数据处理单元和飞行后数据处理，一 般安置置放于任务区域的中心。在单轴无磁转台上安装有跟机载观测控制台同样的磁传感 器，用于飞行前数据采样，建立本地地磁场模型，采用（2)和（6)给出模型和算法，识别出模 型的参数。
[0047] (2)用具有直流分量的拟ARMA过程来描述文献[2]提出的局部地磁场模型，并能 够辨识局部地磁场模型参数，即在地磁场测量任务展开前，利用地面站测量到的磁场数据 进行模型参数辨识。
[0048] (3)飞行器根据事先设定的直线航路飞行并采集航路点上的地磁场向量和总量。 机载观测控制台上的综合任务处理单元4对这些数据进行处理和存储。
[0049] (4)利用⑵得到的局部地磁场模型的参数，将机载传感器得到测量分解为直流 分量和谐波分量，将各个方向上的谐波分量用状态方程表示，离散化后，提出飞行路线上一 个递推形式的局部地磁场动态模型，它用于估计器设计。假设载机在水平面以固定速度沿 着给定的航向运动，考虑姿态传感器测量误差后，给出了在上述传感器配置下测量误差模 型（即观测模型）。
[0050] (5)为了平滑姿态传感器的噪声，考虑到姿态输出的数据率远高于磁传感器的数 据率，还可以给出了一个简单的α-姿态滤波器（式（17))，用于改善姿态测量精度。
[0051] (6)设计了一个扩展卡尔曼滤波器（EKF)，利用⑵识别出的地磁场模型参数，（4) 给出的动态地磁模型和观测模型，（5)给出的姿态滤波器的输出，对（1)中光泵磁强计输出 的测量点处地磁场总量和磁通门磁强计输出的测量点处地磁场在机体坐标系中的三个分 量，给出在一个统一的地理坐标系下表达的地磁场强度向量的估计。
[0052] (7)确定（6)中滤波器初始条件、系统噪声协方差矩阵和测量噪声协方差矩阵。
[0053] 图1是本发明实施例提供的空地一体的地磁场联合观测方法原理框图，如图1所 示，包括：
[0054] 步骤S101、在地磁场测量任务开展前，利用移动地面站采集的地磁场信息，确定局 部地磁场模型的模型参数。
[0055] 具体地说，在待测区域内选取若干个观测点，利用移动地面站采集所述若干个观 测点的地磁场信息，并利用所述若干个观测点的地磁场信息，估计所述待测区域内的局部 地磁场模型的模型参数，其中，所述地磁场信息包括地磁场总量和向量，所述模型参数包括 所述局部地磁场模型的直流分量（式（2)中的c)和多个谐波分量的系数（式（3)中的 ai. .. aK)。其中，所述若干个观测点均匀分布在一条基线上，所述基线是一条原点在参考点 Xd，且与磁北方向重合的长度为L的直线。
[0056] 步骤S102、在执行地磁场测量任务时，利用机载部分在飞行航路上采集的地磁场 信息和所述模型参数，得到沿飞行航路上的动态模型。
[0057] 利用所述局部地磁场模型的模型参数，对所述机载部分在飞行航路上采集的地磁 场信息进行分解，得到各个方向的直流分量和谐波分量，并将各个方向上的谐波分量进行 离散化处理，得到所述飞行航路上的动态模型（式（11))。
[0058] 步骤S103、利用机载部分获取的载机按预定姿态飞行时的姿态测量误差，得到沿 飞行航路上的测量误差模型（式（16))。其中，机载部分通过其定姿定位系统获取姿态测量 误差。
[0059] 步骤S104、利用所述动态模型和所述测量误差模型，得到飞行航路上采集的地磁 场信息在地理坐标系中的估计（式（18))。
[0060] 具体地说，利用所述动态模型和所述测量误差模型，得到在地理坐标系中的卡尔 曼滤波器，并通过所述卡尔曼滤波器，得到飞行航路上采集的地磁场信息在地理坐标系中 的估计。
[0061] 进一步地，还可以利用所述卡尔曼滤波器内的数据流:部），检测地磁场 是否发生异常。
[0062] 图2是本发明实施例提供的机载部分组成框图，如图2所示，机载观测台任务是， 对一个以地面站为中心，约3000kmX 1000km(纬度X经度方向）的矩形区域进行地磁场测 量，由矩形区域地形决定在300m到1000m之间的安全高度区域。
[0063] 图2示意了机载地磁观测台的构成，三轴磁通门磁强计1和铯光泵磁强计2安装 在无磁尾杆的末端。为了避免对飞机原有空气动力学性能造成太大影响，它尽可能的长，同 时作为桁梁（它的形变程度取决于它的材料）要求在远端的形变程度小于载机的航向和横 滚测量误差。为了减少供电电流感应的磁场的干扰，通过布放在尾杆内的双绞线对三轴磁 通门磁强计1和铯光泵磁强计2使用机上直流电源供电，并选择在机舱合适位置的地板上 进行接地，接地电阻小于10 Ω。
[0064] 机载定姿定位子系统3,是一个商业货架产品，安装在飞机的设备舱内，用来提供 机体坐标系中表示的位置、姿态；采样时间以UTC(universal coordinated time)为标准。
[0065] 一个机载综合任务处理单元4和监视器，安装在飞机操作舱内，用来处理、存储和 显示采集到的磁场数据和载机的飞行参数。机载综合任务处理单元4主要运行它设计有合 理的人机界面，可实时操作和查看采集的观测数据。机载综合任务处理单元4担负的主要 处理任务包括：1)实现本发明提出的地磁场估计（式（11)?式（19))和磁异常检测（式 (20)) ;2)载机磁环境补偿算法；3)地磁日变补偿算法。
[0066] 图3是本发明实施例提供的移动地面站组成框图，如图3所示，基站和机载观测台 的目的在于地磁变化的观测和数据处理。基站可以独立工作对本地地磁场进行测量，三轴 磁通门磁强计5和铯光泵磁强计6被安装在一个无磁转台上，可以手动校准，而且平台具有 和P0S-致的测角精度，同时一个差分GPS接收机（DGPS) 7被安装在平台上，用于测量基站 的经纬度和数据采样时间。一个地面数据处理单元8,由工控机和显示器组成，用于离线数 据存储、管理和处理功能，例如地磁昼变化监控和数据滤波，参数辨识和局部地磁场模型验 证。
[0067] 一、划定一个在郊区的调查区域，通过下述实验方法，可建立一个半经验的局部地 磁场模型，为了避免太阳辐射引起的地磁日变，建议在深夜展开实验。[0068] 1、选择一条原点在参考点X(l，长度为L和磁北方向重合的直线作为基线1，依据 当地地形从2km到数km。沿着基线用DGPS接收机选择间距为Λ 1的偶数个观测点，Xl，··· ，xM，Μ彡2。在每个观测点Xi地磁场被测量N次（比如N = 100)，其均值作为处理模型的输 入。
【权利要求】
1. 一种空地一体的地磁场联合观测方法，其特征在于，包括： 在地磁场测量任务开展前，利用移动地面站采集的地磁场信息，确定局部地磁场模型 的模型参数； 在执行地磁场测量任务时，利用机载部分在飞行航路上采集的地磁场信息和所述模型 参数，得到沿飞行航路上的动态模型； 利用机载部分获取的载机按预定姿态飞行时的姿态测量误差，得到沿飞行航路上的测 量误差模型； 利用所述动态模型和所述测量误差模型，得到飞行航路上采集的地磁场信息在地理坐 标系中的估计。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在待测区域内选取若干个观测点，利用移 动地面站采集所述若干个观测点的地磁场信息，并利用所述若干个观测点的地磁场信息， 估计所述待测区域内的局部地磁场模型的模型参数，其中，所述地磁场信息包括地磁场总 量和向量，所述模型参数包括所述局部地磁场模型的直流分量和多个谐波分量的系数。
3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述若干个观测点均匀分布在一条基线 上，所述基线是一条原点在参考点且与磁北方向重合的长度为L的直线。
4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用所述局部地磁场模型的模型参数，对 所述机载部分在飞行航路上采集的地磁场信息进行分解，得到各个方向的直流分量和谐波 分量，并将各个方向上的谐波分量进行离散化处理，得到所述飞行航路上的动态模型。
5. 根据权利要求1所述方法，其特征在于，机载部分通过其定姿定位系统获取姿态测 量误差。
6. 根据权利要求1-5任意一项所述方法，其特征在于，利用所述动态模型和所述测量 误差模型，得到在地理坐标系中的卡尔曼滤波器，并通过所述卡尔曼滤波器，得到飞行航路 上采集的地磁场信息在地理坐标系中的估计。
7. 根据权利要求6所述方法，其特征在于，还包括：利用所述卡尔曼滤波器内的数据 流，检测地磁场是否发生异常。
8. -种空地一体的地磁场联合观测系统，其特征在于，包括： 移动地面站，用于在地磁场测量任务开展前，利用移动地面站采集的地磁场信息，确定 局部地磁场模型的模型参数； 机载部分，用于在执行地磁场测量任务时，利用在飞行航路上采集的地磁场信息和所 述模型参数，得到沿飞行航路上的动态模型，利用获取的载机按预定姿态飞行时的姿态测 量误差，得到沿飞行航路上的测量误差模型，并利用所述动态模型和所述测量误差模型，得 到飞行航路上采集的地磁场信息在地理坐标系中的估计。
9. 根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述机载部分利用所述动态模型和所述 测量误差模型，得到在地理坐标系中的卡尔曼滤波器，并通过所述卡尔曼滤波器，得到飞行 航路上采集的地磁场信息在地理坐标系中的估计。
10. 根据权利要求9所述的系统，其特征在于，还包括： 磁异常检测器，用于利用所述卡尔曼滤波器内的数据流，检测地磁场是否发生异常。
【文档编号】G01V3/40GK104062687SQ201410260329
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年6月12日 优先权日:2014年6月12日
【发明者】龚诚, 王金岩, 金晓南, 陈芳, 王淼 申请人:中国航空无线电电子研究所