CN112782637B - 一种光泵磁力仪探头转向误差磁干扰校准方法及系统 - Google Patents
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Abstract
一种光泵磁力仪探头转向误差磁干扰校准方法及系统，属于航空磁补偿领域，目的是为了解决航磁探测期间飞机平台转弯时光泵磁力仪探头转向误差会引起磁干扰的问题。所述方法包括：在磁性清洁平台旋转中心安装光泵磁力仪、在旋转臂远端安装三分量磁力仪，在远离磁性清洁平台的场地内安装日变站探头；令磁性清洁平台旋转360°，在旋转过程中控制光泵磁力仪绕其自身的三轴转动，记录所述光泵磁力仪不同状态下光泵磁力仪和三分量磁力仪的输出；构造矩阵HHeadingError和B；根据公式Hheadingerror＝BTA计算A。所述系统的光泵磁力仪安装在磁性清洁平台旋转中心，三分量磁力仪安装在磁性清洁平台旋转臂远端，日变站探头安装在远离磁性清洁平台的位置，数据收录设备采集各仪器的测量数据。
Description
技术领域
本发明涉及一种针对航磁补偿过程中由光泵探头固有转向误差引起的转弯段飞行过程中出现磁异常的方法，可应用于航磁干扰补偿系统中对转弯飞行数据的补偿，属于航空磁补偿领域。
背景技术
航磁补偿技术是在航空磁探过程中针对外界各类可溯源的磁干扰类型并进行补偿的一种技术。通过对引起磁异常的各类干扰的进行分析和建模，然后通过对磁干扰源的某种特性的监测来计算航空磁探过程中该类型的磁干扰，后通过数据处理手段对该类型磁干扰进行补偿，最终得到探头测得的真实磁场值。在实际进行航磁探测过程中，存在多种多样类型的磁干扰，其中可测量的磁干扰中影响最大的是飞机平台带来的磁干扰，针对该类型的磁干扰可通过T-L模型进行系数校准并补偿。但在飞机平台转弯时，磁干扰中由光泵磁力仪探头转向误差引起的磁干扰占据了一定比例，故在转弯处则需要针对光泵磁力仪探头的转向误差进行补偿，以便达到更好的补偿效果。
发明内容
本发明的目的是为了解决航磁探测期间，飞机平台转弯时,光泵磁力仪探头转向误差会引起磁干扰的问题，提供一种光泵磁力仪探头转向误差磁干扰校准方法及系统。
本发明所述的一种光泵磁力仪探头转向误差磁干扰校准方法，包括：
在磁性清洁平台的旋转中心处安装光泵磁力仪，在所述磁性清洁平台旋转臂的远端安装三分量磁力仪，在远离磁性清洁平台的场地内安装日变站探头；
令所述磁性清洁平台旋转360°，并在旋转过程中控制光泵磁力仪绕其自身的三轴转动，记录所述光泵磁力仪不同状态下所述光泵磁力仪和所述三分量磁力仪的输出；
构造矩阵HHeadingError和矩阵B：
其中HHeadingError＝Htest-Hreference，Htest为所述光泵磁力仪的输出，Hreference为所述日变探头的输出；
B＝[cos x,cos y,cos z,cos2 x,cos2 y,cos2 z,cos x cos y,cos x cos z,cosy cos z]T，其中，
vx,vy,vz是所述三分量磁力仪在空间三轴上的输出；
根据公式Hheading error＝BT A计算矩阵A，完成光泵磁力仪探头转向误差磁干扰的校准。
可选地，所述方法还包括：
选取校准场地，所述校准场地附近一定范围内无外界磁干扰，所述校准场地用于布置所述磁性清洁平台与所述日变站探头。
可选地，所述外界磁干扰包括高压电线、电力变电器、大功率射频辐射源、以及大型铁磁性物质。
可选地，所述场地内水平梯度小于1nT/m。
可选地，所述场地附近一定范围为场地附近50m范围内。
可选地，所述根据公式Hheading error＝BT A计算矩阵A的具体方法为：根据公式Hheading error＝BT A，利用递推最小二乘法估计矩阵A。
本发明所述的一种光泵磁力仪探头转向误差磁干扰校准系统，包括磁性清洁平台、光泵磁力仪、三分量磁力仪、日变站探头以及数据收录设备；
所述光泵磁力仪安装在所述磁性清洁平台的旋转中心处，所述三分量磁力仪安装在所述磁性清洁平台旋转臂的远端，所述日变站探头安装在远离磁性清洁平台的位置，所述数据收录设备用于采集所述光泵磁力仪、三分量磁力仪以及日变站探头的测量数据。
可选地，所述系统还包括数据处理装置，所述数据处理装置与所述数据收录设备连接，所述数据处理装置内嵌入以下模块：
第一计算模块，其配置成根据公式HHeadingError＝Htest-Hreference计算HHeadingError，其中，Htest为所述光泵磁力仪的输出，Hreference为所述日变探头的输出；
第二计算模块，其配置成根据下述公式计算矩阵B：
B＝[cos x,cos y,cos z,cos2 x,cos2 y,cos2 z,cos x cos y,cos x cos z,cosy cos z]T
其中，vx,vy,vz是所述三分量磁力仪在空间三轴上的输出；和
第三计算模块，其配置成根据公式Hheading error＝BT A计算矩阵A。
可选地，所述根据公式Hheading error＝BT A计算矩阵A的具体方法为：根据公式Hheading error＝BT A，利用递推最小二乘法估计矩阵A。
本发明所述的光泵磁力仪探头转向误差磁干扰校准方法及系统，能够消除在转弯飞行时航磁补偿系统中探头转向误差带来的影响。
附图说明
图1为实施例一所述的一种光泵磁力仪探头转向误差磁干扰校准方法的示意性流程图；
图2为实施例一所述的一种光泵磁力仪探头转向误差磁干扰校准系统的结构示意图；
图3为实施例二所述的一种航磁补偿校准质量的自动评估方法的原理框图。
具体实施方式
实施例一
如图1所示，本实施方式所述的一种光泵磁力仪探头转向误差磁干扰校准方法一般性地可以包括：
步骤S1、选取合适的校准场地，要求场地选择应该在附近50m范围内避免存在高压电线、电力变电器、大功率射频辐射源或体积较大的铁磁性物质等，场地内水平梯度小于1nT/m，所述校准场地用于布置所述磁性清洁平台与所述日变站探头；
步骤S2、在磁性清洁平台的旋转中心处安装光泵磁力仪，在所述磁性清洁平台旋转臂的远端安装三分量磁力仪，在远离磁性清洁平台的场地内安装日变站探头；
步骤S3、令所述磁性清洁平台旋转360°，旋转过程中，当所述光泵磁力仪某个轴朝向向东、南、西、北四个方向时，控制光泵磁力仪绕其自身的三轴转动，以模拟飞机在东、南、西、北四个方向的横滚、俯仰和偏航动作，采集器按照一定采样率持续采集所述光泵磁力仪和所述三分量磁力仪的输出，记录光泵磁力仪在不同旋转状态下采集器采集到的信号，为了使试验结果更加准确，还可以在东北、东南、西南、西北四个方向也控制光泵磁力仪绕其自身的三轴转动，目的主要是为了收集光泵磁力仪更多旋转状态下采集器采集到的信号；
步骤S4、构造矩阵HHeadingError和矩阵B：
其中HHeadingError＝Htest-Hreference，Htest为所述光泵磁力仪的输出，Hreference为所述日变探头的输出；
B＝[cos x,cos y,cos z,cos2 x,cos2 y,cos2 z,cos x cos y,cos x cos z,cosy cos z]T，其中，
vx,vy,vz是所述三分量磁力仪在空间三轴上的输出；
步骤S5、根据公式Hheading error＝BT A，利用递推最小二乘法估计矩阵A，完成光泵磁力仪探头转向误差磁干扰的校准。
在实际飞行转弯过程中，根据公式Hheading error＝BT A，利用估计出的矩阵A计算飞机探头转向误差产生的输出Hheading error，并将其从测量到的总场数据中减掉以得到不含飞机平台磁干扰的地磁场值，再进行下一步的飞机磁干扰补偿。
上述光泵磁力仪探头转向误差磁干扰校准方法的原理如下：
光泵磁力仪，不论其采用了何种元素(铯，铷，钾或氦)，也不论其运用了何种工作机理(自激振荡，锁定振荡器)，其输出的频率在某种程度上都依赖于磁力仪的方向，这就导致了转向差(heading error)，转向误差与光轴和地磁场之间的相对位置有关。为了测量光轴与地磁场之间空间位置的相对变化，可以利用三分量磁力仪来测量，测量得到的值换算成cos x,cos y,cos z，其中，cos x,cos y,cos z满足公式(1)。其中，vx,vy,vz是三分量磁力仪在空间三轴上的测量值。
转向差跟三分量磁力仪测得的值之间的关系可以用函数f(cos x,cos y,cos z)来表示。在航空磁测中，感兴趣的频率较低，所以对于函数f(cos x,cos y,cos z)进行二阶泰勒展开。又由于cos2 x+cos2 y+cos2 z＝1，即可以化简得到最终的含有9个未知系数的公式(2)。
至此，关于氦光泵磁力仪转向差的数学模型建立完毕。对应的校准方案是，首先将光泵固磁力仪定在一个点，保证其空间位置不发生改变，使光泵固磁力仪自转360度，光泵固磁力仪输出的测量数据便是转向差和日变的叠加值。
为了去除日变带来的影响，应该在远处架设日变检测站，利用数采设备将光泵固磁力仪的测量值和日变值同步采集，将光泵测量值减去日变便得到转向差，由此便建立起线性方程组。公式(2)可以简记为：
Hheading error＝BTA (3)
其中,B＝[cos x,cos y,cos z,cos2 x,cos2 y,cos2 z,cos x cos y,cos x cosz,cos y cos z]T
A＝[k1,k2,k3,k4,k5,k6,k7,k8,k9]。
本实施方式还提供了一种光泵磁力仪探头转向误差磁干扰校准系统，如图2所示，该系统包括磁性清洁平台1、光泵磁力仪2、三分量磁力仪3、日变站探头4以及数据收录设备5；
所述光泵磁力仪2安装在所述磁性清洁平台1的旋转中心6处，所述三分量磁力仪3安装在所述磁性清洁平台1旋转臂的远端，所述日变站探头4安装在远离磁性清洁平台1的位置，所述数据收录设备5用于采集所述光泵磁力仪2、三分量磁力仪3以及日变站探头4的测量数据。
所述系统还包括数据处理装置，所述数据处理装置与所述数据收录设备5连接，所述数据处理装置内嵌入以下模块：
第一计算模块，其配置成根据公式HHeadingError＝Htest-Hreference计算HHeadingError，其中，Htest为所述光泵磁力仪的输出，Hreference为所述日变探头的输出；
第二计算模块，其配置成根据下述公式计算矩阵B：
B＝[cos x,cos y,cos z,cos2 x,cos2 y,cos2 z,cos x cos y,cos x cos z,cosy cos z]T
其中，vx,vy,vz是所述三分量磁力仪在空间三轴上的输出；和
第三计算模块，其配置成根据公式Hheading error＝BT A，利用递推最小二乘法估计矩阵A。
利用上述光泵磁力仪探头转向误差磁干扰校准系统，按照上述光泵磁力仪探头转向误差磁干扰校准方法的步骤，可以实现光泵磁力仪探头转向误差磁干扰的校准。
实施例二
本实施例提供了一种航磁补偿校准质量的自动评估方法，可用于对实施例一的光泵磁力仪探头转向误差磁干扰校准方法的校准质量进行自动评估。
首先，需要在飞机上安装三分量磁力仪和总场磁力仪(即光泵磁力仪)，然后，使飞机在四个正交方向(如北、东、南、西)完成平飞；
所述的航磁补偿校准质量的自动评估方法的原理如图3所示，具体包括以下步骤：
步骤S1、根据公式得到平飞圈聚类中心为cs的聚类数据/>其中，ai是三分量磁力仪输出的全部X和Y分量，/>是通过k-means算法得到的每类数据(航向s)，/> 表示航向s第i个采样点对应的地磁场H的标量形式，表示航向s第i个采样点对应的航向角，/>表示航向s第i个采样点对应的地磁场倾角，m表示平飞圈所包含的航向数量，对于标准的飞行圈，m＝4，如果飞行圈包含多个航向，则m等于平飞圈实际包含的航向数量；
Ds表示航向s的采样数据的聚类，ns表示Ds所包含的采样点的数量，为Ds中第i个采样点对应的数据；
cs是k-means算法得到是聚类中心，K-means算法是优化D是全部s个聚类的集合；
步骤S2、将平飞圈Ds中远离聚类中心的转弯数据删除，得到平飞圈不同航向的有效的聚类数据其中，ls和rs分别表示航向s两端被删除的采样点的数量，删除的具体方法为：设定一个欧拉距离的阈值，将距离cs的欧拉距离超过阈值的数据删除；
步骤S3、根据公式得到平飞圈每个航向对应的高斯混合模型，其中，p(bs|Gs)表示高斯混合密度，bs中的元素/>表示空间直角坐标系下三分量磁力仪输出的X、Y和Z三分量磁场特征的组合，X表示平行于平台横轴的方向，Y表示平行于平台纵轴的方向，Z表示垂直于水平面的方向，Gs表示高斯模型参数，/>根据公式/>构造似然函数，利用EM算法估计Gs，/>是航向s中满足约束/>的混合权重，k表示高斯分布的数目，/>和/>分别是航向s的第j个高斯分布的均值和协方差矩阵；需要注意的是，平飞圈所包含的航向数量可能是四个，也可能不是四个，通常情况下是四个，上述步骤S3的目的是得到平飞圈每个航向对应的高斯混合模型，只要得到的所有高斯混合模型对应的航向中包含要计算的FOM机动圈中包含的航向，就可以根据已有的高斯混合模型计算所有后验概率得知FOM机动圈中某航向(这里也再应用一遍聚类算法分离不同航向数据)对应哪个高斯混合模型，进而确定该航向对应的平飞部分，然后确定机动部分；
步骤S4、根据公式得到FOM校准圈聚类中心为cs的聚类数据
步骤S5、将FOM校准圈Ds中远离聚类中心的转弯数据删除，得到FOM校准圈不同航向的有效的聚类数据
步骤S6、根据公式计算后验概率/>步骤S6的目的是为了计算属于哪个高斯混合模型，这里的/>指是FOM机动圈(也称FOM校准圈)某方向的磁场数据；
步骤S7、将满足的数据作为校准圈不同航向的机动数据，其中，Th为预设的阈值；
步骤S8、计算得到的机动数据的峰峰值之和，以此作为该校准圈的补偿效果评估指标FOM的值。
其中，不同航向、不同采样点对应的的值相等，不同航向、不同采样点对应的地磁场倾角/>的值相等。
上述航磁补偿校准质量的自动评估方法，根据航空平台平飞状态数据的特点，利用高斯混合模型(Gaussian Mixture Model，GMM)模型识别出航空平台在各个航向处于平飞状态的数据段，进而得到航空平台在各个航向处于机动状态的数据段，并根据机动状态的数据计算评价校准圈补偿效果的指标FOM，实现光泵磁力仪探头转向误差磁干扰校准质量的自动评估。
在上述两个实施例中，所述的数据处理装置6可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本申请实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、获取其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL))或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘Solid State Disk(SSD))等。
专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的数据处理装置，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，所述数据处理装置的功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令处理器完成，所述的程序可以存储于计算机可读存储介质中，所述存储介质是非短暂性(英文：non-transitory)介质，例如随机存取存储器，只读存储器，快闪存储器，硬盘，固态硬盘，磁带(英文：magnetic tape)，软盘(英文：floppy disk)，光盘(英文：optical disc)及其任意组合。
以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种光泵磁力仪探头转向误差磁干扰校准方法，其特征在于，包括：
在磁性清洁平台的旋转中心处安装光泵磁力仪，在所述磁性清洁平台旋转臂的远端安装第一三分量磁力仪，在远离磁性清洁平台的场地内安装日变站探头；
令所述磁性清洁平台旋转360°，并在旋转过程中控制光泵磁力仪绕其自身的三轴转动，记录所述光泵磁力仪不同状态下所述光泵磁力仪和所述第一三分量磁力仪的输出；
构造矩阵HHeadingError和矩阵B：
其中HHeadingError＝Htest-Hreference，Htest为所述光泵磁力仪的输出，Hreference为所述日变站探头的输出；
B＝[cos x,cos y,cos z,cos2x,cos2y,cos2z,cos xcos y,cos x cos z,cos y cosz]T，其中，
vx,vy,vz是所述第一三分量磁力仪在空间三轴上的输出；
根据公式Hheading error＝BTA计算矩阵A，完成光泵磁力仪探头转向误差磁干扰的校准；
在飞机上安装第二三分量磁力仪和总场磁力仪，使飞机在四个正交方向完成平飞；
所述方法还包括：
步骤S1、根据公式得到平飞圈聚类中心为cs的聚类数据/>其中，ai是第二三分量磁力仪输出的全部X和Y分量，/>是通过k-means算法得到的每类数据，/>表示航向s第i个采样点对应的地磁场H的标量形式，/>表示航向s第i个采样点对应的航向角，/>表示航向s第i个采样点对应的地磁场倾角，m表示平飞圈所包含的航向数量；Ds表示航向s的采样数据的聚类，ns表示Ds所包含的采样点的数量，/>为Ds中第i个采样点对应的数据；
步骤S2、将平飞圈Ds中远离聚类中心的转弯数据删除，得到平飞圈不同航向的有效的聚类数据其中，ls和rs分别表示航向s两端被删除的采样点的数量，删除的具体方法为：设定一个欧拉距离的阈值，将距离cs的欧拉距离超过阈值的数据删除；
步骤S3、根据公式得到平飞圈每个航向对应的高斯混合模型，其中，p(bs|Gs)表示高斯混合密度，bs中的元素/>表示空间直角坐标系下第二三分量磁力仪输出的X、Y和Z三分量磁场特征的组合，X表示平行于平台横轴的方向，Y表示平行于平台纵轴的方向，Z表示垂直于水平面的方向，Gs表示高斯模型参数，/>根据公式/>构造似然函数，利用EM算法估计Gs，/>是航向s中满足约束/>的混合权重，k表示高斯分布的数目，/>和分别是航向s的第j个高斯分布的均值和协方差矩阵；
步骤S4、根据公式得到FOM校准圈聚类中心为cs的聚类数据
步骤S5、将FOM校准圈Ds中远离聚类中心的转弯数据删除，得到FOM校准圈不同航向的有效的聚类数据
步骤S6、根据公式计算后验概率/>
步骤S7、将满足的数据作为校准圈不同航向的机动数据，其中，Th为预设的阈值；
步骤S8、计算得到的机动数据的峰峰值之和，以此作为该校准圈的补偿效果评估指标FOM的值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
选取校准场地，所述校准场地附近一定范围内无外界磁干扰，所述校准场地用于布置所述磁性清洁平台与所述日变站探头。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述外界磁干扰包括高压电线、电力变电器、大功率射频辐射源、以及大型铁磁性物质。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述场地内水平梯度小于1nT/m。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述场地附近一定范围为场地附近50m范围内。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据公式Hheadingerror＝BTA计算矩阵A的具体方法为：根据公式Hheadingerror＝BTA，利用递推最小二乘法估计矩阵A。
7.一种光泵磁力仪探头转向误差磁干扰校准系统，其特征在于，包括磁性清洁平台、光泵磁力仪、第一三分量磁力仪、日变站探头以及数据收录设备；所述系统采用如权利要求1-6中任一项所述的方法完成对光泵磁力仪探头转向误差磁干扰的校准和评估；
所述光泵磁力仪安装在所述磁性清洁平台的旋转中心处，所述第一三分量磁力仪安装在所述磁性清洁平台旋转臂的远端，所述日变站探头安装在远离磁性清洁平台的位置，所述数据收录设备用于采集所述光泵磁力仪、第一三分量磁力仪以及日变站探头的测量数据，
所述系统还包括数据处理装置，所述数据处理装置与所述数据收录设备连接，所述数据处理装置内嵌入以下模块：
第一计算模块，其配置成根据公式HHeadingError＝Htest-Hreference计算HHeadingError，其中，Htest为所述光泵磁力仪的输出，Hreference为所述日变站探头的输出；
第二计算模块，其配置成根据下述公式计算矩阵B：
B＝[cosx,cosy,cosz,cos2x,cos2y,cos2z,cosxcosy,cosxcosz,cosycosz]T
其中，vx,vy,vz是所述第一三分量磁力仪在空间三轴上的输出；和
第三计算模块，其配置成根据公式Hheadingerror＝BTA计算矩阵A；
所述根据公式Hheadingerror＝BTA计算矩阵A的具体方法为：根据公式Hheadingerror＝BTA，利用递推最小二乘法估计矩阵A。
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