CN112284377A

CN112284377A - 一种应用于飞行器的地磁场测量系统及方法

Info

Publication number: CN112284377A
Application number: CN202011163696.1A
Authority: CN
Inventors: 张宁; 程锦房
Original assignee: Naval University of Engineering PLA
Current assignee: Naval University of Engineering PLA
Priority date: 2020-10-27
Filing date: 2020-10-27
Publication date: 2021-01-29

Abstract

本发明提供了一种应用于飞行器的地磁场测量系统及方法，该方法包括如下步骤：包括如下步骤：S1，采用三轴磁场矢量传感器获取飞行器在地磁背景中的姿态信息，并建立飞行器的背景磁干扰补偿模型；S2，采用光泵磁强计测量地磁总强度；S3，利用飞行器背景磁干扰补偿模型，对飞行器背景磁场进行补偿，消除飞行器载体剩磁、感应磁场和涡流磁场对测量结果的影响，实现对地磁场的精确测量。本发明另一方面提供了一种应用于飞行器的地磁场测量系统，包括三轴磁场矢量传感器及光泵磁强计，所述应用于飞行器的地磁场测量系统根据权利要求上述的应用于飞行器的地磁场测量方法来实现飞行器的地磁场测量。

Description

一种应用于飞行器的地磁场测量系统及方法

技术领域

本发明涉及地磁场测量技术领域，具体涉及一种应用于飞行器的地磁场测量系统及方法。

背景技术

飞行器内部的磁场环境是非常复杂的，空间梯度大，严重影响到内部的地磁场测量装置的测量准确度，导致在飞行器导航定位时容易出现较大误差，造成极大的安全隐患。因此，有必要改进飞行器的地磁场测量方法，构建地磁场总量的高精度测量系统，用于在飞行器导航定位系统中实时测量地磁场数据。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种应用于飞行器的地磁场测量方法，包括如下步骤：

S1，采用三轴磁场矢量传感器获取飞行器在地磁背景中的姿态信息，并建立飞行器的背景磁干扰补偿模型；

S2，采用光泵磁强计测量地磁总强度；

S3，利用飞行器背景磁干扰补偿模型，对飞行器背景磁场进行补偿，消除飞行器载体剩磁、感应磁场和涡流磁场对测量结果的影响，实现对地磁场的精确测量。

在一些实施例中，所述光泵磁强计采用铯光泵磁强计。

在一些实施例中，步骤S1中，建立飞行器的背景磁干扰补偿模型时，先分别建立飞行器背景磁场的剩磁模型、感应磁场模型及涡流磁场模型，并将三者结合作为飞行器总的背景磁干扰补偿模型。

在一些实施例中，步骤S1中，建立剩磁模型的步骤包括：

将剩磁表示为：H_p＝{p₁ p₂ p₃}

则在测量点沿地磁矢量方向的投影为：

其中u_i＝cosθ_i为地磁矢量的方向余弦；

建立感应磁场模型的步骤包括：

将感应磁场在测量点处的矢量表示为：

沿地磁矢量方向的投影为：

其中：

i≠j时

a₁₁＝(i₁₁-i₃₃)B

a₂₂＝(i₂₂-i₃₃)B

令a₃₃＝0，此时

建立涡流磁场模型的步骤包括：

将感应磁场在测量点处的矢量表示为：

根据方向余弦的性质，有：

u₁u′₁+u₂u′₂+u₃u′₃＝0

令：

则涡流磁场沿地磁矢量方向的投影可表达成：

因此，飞行器总的背景磁干扰补偿模型为：

本发明另一方面提供了一种应用于飞行器的地磁场测量系统，包括三轴磁场矢量传感器及光泵磁强计，所述应用于飞行器的地磁场测量系统根据上述的应用于飞行器的地磁场测量方法来实现飞行器的地磁场测量。

与现有技术相比，本发明提供的应用于飞行器的地磁场测量系统及方法，采用三轴磁场矢量传感器与光泵磁强计的结合，并利用飞行器背景磁干扰补偿模型，对飞行器背景磁场进行补偿，以消除飞行器载体剩磁、感应磁场和涡流磁场对测量结果的影响，实现了对地磁场的精确测量。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

除非另外定义本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

本发明提供了一种应用于飞行器的地磁场测量方法，包括如下步骤：

S2，采用光泵磁强计测量地磁总强度；

优选地，光泵磁强计采用铯光泵磁强计。

进一步地，步骤S1中，建立飞行器的背景磁干扰补偿模型时，先分别建立飞行器背景磁场的剩磁模型、感应磁场模型及涡流磁场模型，并将三者结合作为飞行器总的背景磁干扰补偿模型。

具体地，步骤S1中，建立剩磁模型的步骤包括：

将剩磁表示为：H_p＝{p₁ p₂ p₃}

则在测量点沿地磁矢量方向的投影为：

其中u_i＝cosθ_i为地磁矢量的方向余弦；

建立感应磁场模型的步骤包括：

将感应磁场在测量点处的矢量表示为：

沿地磁矢量方向的投影为：

其中：

i≠j时

a₁₁＝(i₁₁-i₃₃)B

a₂₂＝(i₂₂-i₃₃)B

令a₃₃＝0，此时

建立涡流磁场模型的步骤包括：

将感应磁场在测量点处的矢量表示为：

根据方向余弦的性质，有：

u₁u′₁+u₂u′₂+u₃u′₃＝0

令：

则涡流磁场沿地磁矢量方向的投影可表达成：

因此，飞行器总的背景磁干扰补偿模型为：

可以理解的是，建立起上述的背景磁干扰补偿模型后，可利用仿真试验的方法，并生成关于模型参数的回归方程组，进而解出模型中的各个参数。

本发明另一方面提供了一种应用于飞行器的地磁场测量系统，包括三轴磁场矢量传感器及光泵磁强计，应用于飞行器的地磁场测量系统根据上述的应用于飞行器的地磁场测量方法来实现飞行器的地磁场测量。

光泵磁强计探头是地磁标量测量系统的核心部件，光泵磁强计探头将外部磁场信号转变成频率信号。目前，工程上常用的光泵磁强计探头主要有氦光泵磁强计探头和铯光泵磁强计探头两类，氦光泵磁强计探头内部工作室的工质采用氦气，在常温下是气体，且分子量小，容易泄露，因此其使用寿命较短，一般1-2年后需要重新补充氦气。铯光泵磁强计探头内部工作室的工质采用铯蒸汽，在常温下铯是固体，不会泄露，在使用时，才将其加热成铯蒸汽。铯光泵磁强计探头的使用寿命长，一般在10年以上。本发明在采用铯光泵磁强计探头的同时，结合高分辨率、高精度的FPGA鉴频器和信号采集系统，共同构成铯光泵磁强计。所采用的铯光泵磁强计的主要技术指标如下：

1)测量范围：15000-105000nT；

2)灵敏度：

3)梯度容限：4000nT/m；

4)方向误差：±0.25nT

5)全场绝对精度：±2.5nT

6)信号输出：3.49857Hz/nT

这些指标能完全满足地磁导航定位系统对测量精度的要求。该铯光泵磁强计铯的工作室的体积为1cm³，磁场梯度达每米4000nT，这一梯度容限基本能保证磁强计可在飞行器内部安装使用，对于长度小于50cm，直径不大于10cm的一般铁制物体，只要放置距离不小于30cm，其磁场梯度均小于磁探头的磁场梯度容限，光泵磁强计能正常工作。而对于一些磁性很强的永磁体和电磁体，只要其外部有铁制磁扼，则磁体磁场绝大部分被限制在磁扼内部，而磁扼外部的磁场分布与磁扼物体的磁场分布基本相同，因此可按铁磁性物体的质量和形状估计磁场梯度。

本发明中的FPGA鉴频器使用稳定度为10^-8的40MHz恒温晶振提供基准频率，以高性能FPGA为控制部件，利用FPGA内部的PLL(数字锁相环)和DCM(数字时钟管理器)，将时钟扩频到400M，由于同时保证了时钟频率和稳定度，使得由此构成的光泵磁强计在保证高分辨率、高精度的条件下，具有较高的信号响应速度(信号带宽)。

系统的频率分辨率及对应信号带宽估计如下：

直接鉴频系统频率分辨率的计算公式为：

其中：f_s为光泵信号频率；

N为计数时间内的高频脉冲数，有：

N＝T.f_n，T为计数时间。

所以，有：

f_T为信号采样频率。

不同采样频率下的测量系统分辨率如表1所示：

表1

表中取f_s＝170KHz，f_N＝400MHz，对应外磁场约48600nT；铯133的磁旋系数为3.498577Hz/nT。

光泵磁强计探头采用热曼效应原理工作，其信号载体为光波，频率高达数GHz，通过光谱的频率跃迁频率来测量外部磁场，从信号检测的机理来看，光泵磁强计探头测量机理实际上是测量外部磁场信号对光波信号的频率调制，由于光波频率远高于工业领域的无线电波频率，因此各种电磁辐射干扰不会因混叠效应而引起探头对低频磁场信号测量的干扰，电磁辐射干扰可以通过平滑滤波予于消除。

选用的Cs-3铯光泵探头，其频带宽度达到5MHz，在地磁测量领域具有足够的宽度，其对测量系统的影响可以不必考虑，即测量系统的频率响应特性只取决于FPGA高分辨率鉴频器的频率响应特性。

FPGA鉴频器对铯光泵磁强计探头的输出频率信号进行频率鉴别，采用直接频率鉴别方法，其工作原理是，在确定时间间隔t_w内，记录铯光泵磁强计探头的输出信号周期数N，则光泵输出信号的频率为：

对应的磁场测量结果为：

其中，

为铯分子的旋磁比。

直接鉴频原理并不能测量任意时刻的磁场频率瞬时值、从而获得对外磁场信号的即时测量，而是测量t_w时间内的平均频率，从而测量t_w时间内的平均磁场，经过鉴频电路后，t时刻输出的t_w时间内的平均磁场为：

其中：

为矩形窗函数，窗宽为t_w。

输出信号B_s(t)的频谱特性为：

B_s(ω)＝U_w(ω)B(ω)

因此，鉴频电路的频率响应特性就是宽度为t_w的矩形窗的频率响应特性。

当选择窗宽t_w＝0.04s时，其直流增益为1，当信号频率为10Hz时，增益为0.76，因此，鉴频电路的信号带宽约为10Hz。为了保证满足采样定理，信号采样间隔最大值为DT＝0.04s，即采样间隔和窗宽可以相等。

同时改变DT和t_w值，可以改变信号带宽，从表1可以看出，当采样率为25Hz，信号带宽约为10Hz时，磁场分辨率优于0.003nT(对应外磁场48600nT时)。在一个具体实施例中，研制成的硬件系统的设定信号带宽为10Hz，对应磁场分辨率优于0.01nT(当外磁场不大于10,0000nT时)。

综上，本发明提供的应用于飞行器的地磁场测量系统及方法，采用三轴磁场矢量传感器与光泵磁强计的结合，并利用飞行器背景磁干扰补偿模型，对飞行器背景磁场进行补偿，以消除飞行器载体剩磁、感应磁场和涡流磁场对测量结果的影响，实现了对地磁场的精确测量。

以上所描述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种应用于飞行器的地磁场测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

S2，采用光泵磁强计测量地磁总强度；

2.根据权利要求1所述的应用于飞行器的地磁场测量方法，其特征在于，所述光泵磁强计采用铯光泵磁强计。

3.根据权利要求1所述的应用于飞行器的地磁场测量方法，其特征在于，步骤S1中，建立飞行器的背景磁干扰补偿模型时，先分别建立飞行器背景磁场的剩磁模型、感应磁场模型及涡流磁场模型，并将三者结合作为飞行器总的背景磁干扰补偿模型。

4.根据权利要求3所述的应用于飞行器的地磁场测量方法，其特征在于，步骤S1中，建立剩磁模型的步骤包括：

将剩磁表示为：H_p＝{p₁ p₂ p₃}

则在测量点沿地磁矢量方向的投影为：

其中u_i＝cosθ_i为地磁矢量的方向余弦；

建立感应磁场模型的步骤包括：

将感应磁场在测量点处的矢量表示为：

沿地磁矢量方向的投影为：

其中：

i≠j时

a₁₁＝(i₁₁-i₃₃)B

a₂₂＝(i₂₂-i₃₃)B

令a₃₃＝0，此时

建立涡流磁场模型的步骤包括：

将感应磁场在测量点处的矢量表示为：

根据方向余弦的性质，有：

u₁u′₁+u₂u′₂+u₃u′₃＝0

令：

则涡流磁场沿地磁矢量方向的投影可表达成：

因此，飞行器总的背景磁干扰补偿模型为：

5.一种应用于飞行器的地磁场测量系统，其特征在于，包括三轴磁场矢量传感器及光泵磁强计，所述应用于飞行器的地磁场测量系统根据权利要求1-4任一项所述的应用于飞行器的地磁场测量方法来实现飞行器的地磁场测量。