一種地磁梯度魯棒的航磁干擾補償系數估計的方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及航磁干擾補償系數估計的方法；特別涉及一種地磁梯度魯棒的航磁干 擾補償系數估計的方法。
【背景技術】
[0002] 航磁補償技術旨在消除航磁探測過程中由航空運動平臺產生的磁干擾。通過分 析航空運動平臺自身磁干擾的類型和性質，建立航空運動平臺磁干擾的數學模型；然后在 校準飛行過程中按照規定的方法測得磁總場及三分量數據，進而解算出航磁干擾數學模型 的系數。進行實際航磁探測時，利用求解出的模型系數及飛機姿態數據估計航空運動平臺 產生的磁干擾并將其從磁總場中去除，進而得到不含航空運動平臺磁干擾的磁場數據。現 有航磁干擾補償系數計算方法多是基于T-L模型，該模型將航空運動平臺磁干擾分為恒定 場、感應場和渦流場三種類型，其中恒定場系數有3項，感應場系數和渦流場系數均有9項。 由于測量到的總場數據中既包括地磁場，又包括航空平臺產生的磁干擾，因此為了計算航 空平臺磁干擾數學模型的系數，通常需要對總場數據進行帶通濾波以消除地磁場對補償系 數計算的影響。然而，地磁梯度導致針對總場的濾波結果中包括一定幅度大小的地磁場分 量，這部分剩余分量降低了估計系數的精度。
【發明內容】
[0003] 本發明的目的是為了解決地磁梯度導致針對總場的濾波結果中包括的剩余分量 降低了估計系數的精度的問題，而提出的一種地磁梯度魯棒的航磁干擾補償系數估計的方 法。
[0004] 上述的發明目的是通過以下技術方案實現的：
[0005] 步驟一、在飛機上安裝高度計、GPS、三分量磁力儀和總場磁力儀；
[0006] 步驟二、令飛機進行校準飛行時，利用高度計采集飛機的高度，利用GPS采集飛機 的經度和煒度數據，利用總場磁力儀測定總磁場數據以及利用三分量磁力儀測定總磁場在 三分量磁力儀軸向的三分量數據Vi、vjpV3;
[0007] 其中，V1為總磁場在三分量磁力儀縱軸上的分量數據，V2為總磁場在三分量磁力 儀橫軸上的分量數據，V3為總磁場在三分量磁力儀垂直軸上的分量數據；由高度計測量到 飛機高度數據構成的NX1列向量為E、利用GPS采集飛機的經度數據構成的NX1列向量為 N，利用GPS測量到的煒度數據構成的NX1列向量為K;
[0008] 步驟三、根據T-L模型，用采集到的磁場數據建立線性方程組：
[0009] Ht=He+H:=He+A0 (I)
[0010] 氏為NX1地磁場值列向量，0為航磁補償系數即待定系數構成的列向量；A為 NX16矩陣；托為飛機產生的磁干擾為NX1列向量T為校準飛機飛行過程中總場磁力儀 測得的磁場數據為NX1列向量；磁場數據包括總磁場數據和三分量數據；
[0012] Pl、&1]和bu為需要估計出的航磁干擾補償系數；
[0013] S是由Ul、U1Uj和之'構成的行向量叫或uj為由地磁場與飛機軸向形成的夾角 的余弦；矣為化的導數；地磁場與飛機軸向形成的夾角的余弦ui包括地磁場與飛機縱軸形 成的夾角的余弦、地磁場與飛機橫軸形成的夾角的余弦以及地磁場與飛機垂直軸形成的夾 角的余弦；i= 1，2, 3,j= 1，2, 3 ;
[0014]U1表示地磁場與飛機縱軸形成的夾角的余弦，U2為地磁場與飛機橫軸形成的夾角 的余弦，U3地磁場與飛機垂直軸形成的夾角的余弦；
[0015] 步驟四、設bpf( ?)為FIR帶通濾波器，結合式⑴和⑵則有：
[0016] bpf(Ht) =bpf(He)+bpf(H1) =bpf(He)+bpf(A)B(5)
[0017] 其中，?為Ht、He、H^A;
[0018] 步驟五、若bpf (He)乒0 ;則建立bpf (He)的數學模型；將bpf (He)建立為飛機經度、 煒度和高度的線性函數：
[0019] bpf(He) =k?bpf(E) + H ?bpf(N) + x ?bpf(K) (7)
[0020] 其中，K、q和T表示待定系數；
[0021] 步驟六、利用公式（3)和公式（7)構造矩陣Ae;
[0022] 步驟七、分別對仏和Ae中的每一列數據進行帶通濾波，得到bpf(HT)和 bpf(Ag)；
[0023] 步驟八、根據公式（8)利用遞推最小二乘法估計0E;S0E中的前16個元素依序 構成航磁補償系數9 ;
[0024] 步驟九、在實際探測時，利用估計出的0計算飛機平臺產生的磁干擾，并將磁干 擾從測量到的總場數據中減掉以得到不含飛機平臺磁干擾的地磁場值。
[0025] 發明效果
[0026] 經過帶通濾波之后的磁場信號中，除了存在飛機產生的磁干擾之外，還存在沒有 被帶通濾波器過濾掉的地磁場分量。該剩余地磁場分量若不經處理，則會被當作飛機產生 的磁干擾而被帶入到航磁補償系數的求解過程中。這勢必會影響航磁干擾補償系數的估計 精度。然而，濾波器通帶內剩余的地磁場分量與飛機所處經度、煒度和高度變化有關。因此， 本發明建立了濾波器通帶內通帶內剩余地磁場分量的數學模型，即將其表示為飛機所處經 度、煒度和高度的函數。在實際應用中，本發明通過測量飛機所處經度、煒度和高度，便可以 估計濾波器通帶內的剩余地磁場分量，并在估計航磁補償系數之前將該剩余地磁場分量從 帶通濾波之后的磁場信號中去除，使航磁補償系數的估計過程不再受到剩余地磁場分量的 干擾，從而提高了航磁干擾補償系數的估計精度。因此若通帶內剩余地磁場分量占帶通濾 波后磁場信號的50%，則最終的補償系數精度能提大約72%。
【附圖說明】
[0027] 圖1為【具體實施方式】一提出的一種地磁梯度魯棒的航磁干擾補償系數估計的方 法流程圖。
【具體實施方式】
【具體實施方式】 [0028] 一：結合圖1本實施方式的一種地磁梯度魯棒的航磁干擾補償系數 估計的方法，具體是按照以下步驟制備的：
[0029] 步驟一、在飛機上安裝高度計、GPS、三分量磁力儀和總場磁力儀；其中，三分量磁 力儀的三個軸分別與飛機的縱軸、橫軸和垂直軸平行；
[0030] 步驟二、令飛機進行校準飛行時，利用高度計采集飛機的高度，利用GPS采集飛機 的經度和煒度數據，利用總場磁力儀測定總磁場數據以及利用三分量磁力儀測定總磁場在 三分量磁力儀軸向的三分量數據Vi、vjpV3;
[0031] 其中，V1為總磁場在三分量磁力儀縱軸上的分量數據，V2為總磁場在三分量磁力 儀橫軸上的分量數據，V3為總磁場在三分量磁力儀垂直軸上的分量數據；由高度計測量到 飛機高度數據構成的NX1列向量為E、利用GPS采集飛機的經度數據構成的NX1列向量為 N，利用GPS測量到的煒度數據構成的NX1列向量為K;
[0032] 步驟三、根據T-L模型（T-L模型全稱為TheTolles-Lawsonmodel,是由Tolles 和Lawson兩人提出來的描述飛機磁干擾的數學模型）利用采集到的磁場數據建立線性方 程組：
[0033] Ht=He+H:=He+A0 (I)
[0034] 氏為NX1地磁場值列向量，0為航磁補償系數即待定系數構成的列向量；A為 NX16矩陣；托為飛機產生的磁干擾為NX1列向量T為校準飛機飛行過程中總場磁力儀 測得的磁場數據為NX1列向量；磁場數據包括總磁場數據和三分量數據；根據T-L模型， 飛機產生的磁干擾可以表示為：
[0036] 其中，Ppau和bu為需要估計出的航磁干擾補償系數；5是由u^uiUj和A%構成 的行向量叫或uj為由地磁場與飛機軸向形成的夾角的余弦；g為化的導數；地磁場與飛 機軸向形成的夾角的余弦化包括地磁場與飛機縱軸（longitudinalaxis)形成的夾角的 余弦、地磁場與飛機橫軸（transverseaxis)形成的夾角的余弦以及地磁場與飛機垂直軸 (verticalaixs)形成的夾角的余弦；i= 1，2,3,j= 1，2,3 ;
[0037] U1表示地磁場與飛機縱軸形成的夾角的余弦，u2為地磁場與飛機橫軸形成的夾角 的余弦，U3地磁場與飛機垂直軸形成的夾角的余弦；
[0038] 公式⑴中Ht可以通過直接測量得到，A可利用三分量磁力儀輸出數據計算得 至IJ;航磁干擾補償的最終目的是確定He，觀察上式可以發現，只要計算出H1并將其從1中減 掉就可以得到He;而若要得到H1必須估計出航磁補償系數0 ;這里唯一的目標是估計出航 磁補償系數9,在實際應用中可以利用0去求H1，然后得到不含干擾的He，但這些不是本 發明的重點，重點是估計9，所以3中開頭關于托的描述不準確；
[0039] 步驟四、設bpf( ?)為FIR帶通濾波器，結合式⑴和⑵則有：
[0040] bpf(Ht) =bpf(He)+bpf(H1) =bpf(He)+bpf(A)9 (5)
[0041] 其中，?為Ht、He、H^A;
[0042] 步驟五、若bpf(He) = 0,則：
[0043] bpf(Ht) =bpf(A)B(6)
[0044] 進而根據式（6)估計0 ;但多數情況下bpf(He) = 0是不成立的。
[0045] 步驟六、若由于地磁梯度的存在，導致bpf(He)辛0 ;則建立bpf(He)的數學模型； 由于氏與磁力儀所在位置有關，將bpf(HE)建立為飛機經度、煒度和高度的線性函數：
[0046] bpf(He) =K?bpf(E)+q?bpf(N)+T?bpf(K) (7)