直升機(jī)平臺(tái)磁干擾小信號(hào)模型補(bǔ)償機(jī)制

張博文，王巍

直升機(jī)平臺(tái)磁干擾小信號(hào)模型補(bǔ)償機(jī)制

張博文，王巍

（新疆五家渠 69008 部隊(duì)，新疆 五家渠 831300）

通過在直升機(jī)底部中心附近懸掛的吊艙內(nèi)安裝磁場(chǎng)測(cè)量設(shè)備，探測(cè)直升機(jī)平臺(tái)高精度的磁異常，需要補(bǔ)償磁干擾，因此，平臺(tái)磁干擾的建模與求解就成為十分重要的內(nèi)容。主要對(duì)直升機(jī)平臺(tái)磁干擾小信號(hào)模型補(bǔ)償展開分析，希望可以為同行業(yè)人員提供參考。

直升機(jī)平臺(tái)；小信號(hào)模型；補(bǔ)償機(jī)制；磁干擾

直升機(jī)和固定翼飛機(jī)屬于航空磁性探測(cè)平臺(tái)中的兩個(gè)平臺(tái)。而這兩平臺(tái)中，大部分時(shí)候，安裝磁探設(shè)備位于固定翼飛機(jī)的機(jī)尾。而直升機(jī)由于是吊艙位置，所以會(huì)將磁探儀懸掛在離艙外有一定的距離的外部位置。當(dāng)前，無論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，對(duì)于直升機(jī)平臺(tái)背景磁干擾的補(bǔ)償機(jī)制都開展了多年的分析和研究。在這些研究中，美國(guó)的TOLLES W E以及LAWSON Q B這兩位所提出的Tolles-Lawson方程在其中是最為經(jīng)典的模型；而中國(guó)專家學(xué)者趙國(guó)澤等人則主要研究航空電磁法方面，并在此領(lǐng)域取得了一定的成績(jī)。但是有一現(xiàn)象令人困惑不解，無論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，對(duì)于直升機(jī)外掛安裝磁探儀的吊艙系統(tǒng)平臺(tái)磁干擾的補(bǔ)償相關(guān)方面的資料和研究非常稀缺。

1 平臺(tái)背景磁干擾建模

直升機(jī)平臺(tái)的航空磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)主要采用艙外懸吊的方式，選擇將磁場(chǎng)測(cè)量設(shè)備在懸掛于直升機(jī)底部中心周圍的吊艙內(nèi)進(jìn)行安裝。因?yàn)榇艌?chǎng)測(cè)量吊艙系統(tǒng)與直升機(jī)機(jī)體采用柔性連接，所以對(duì)于磁場(chǎng)形成干擾的大小不僅僅只與飛機(jī)的飛行姿態(tài)有關(guān)，還與吊艙和飛機(jī)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)有關(guān)[1]。

2 直升機(jī)平臺(tái)磁干擾小信號(hào)模型

根據(jù)平臺(tái)可以將背景干擾磁場(chǎng)分解成三個(gè)部分：①在對(duì)系統(tǒng)平穩(wěn)懸吊進(jìn)行測(cè)量的過程中，根據(jù)直升機(jī)的航行地點(diǎn)與航向、磁性以及吊艙的懸吊位置等，直升機(jī)載體才可以對(duì)系統(tǒng)吊艙處的干擾磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量；②磁場(chǎng)為吊艙受風(fēng)阻等相關(guān)的影響，并且在平衡位置附近發(fā)生擺動(dòng)時(shí)，由于飛機(jī)的載體位置與測(cè)量點(diǎn)發(fā)生了偏移，導(dǎo)致飛機(jī)載體干擾磁場(chǎng)的結(jié)果發(fā)生了變化，主要原因是吊艙的位置發(fā)生了偏移；③吊艙與大地坐標(biāo)的位置磁有所波動(dòng)，這是由于地磁場(chǎng)在高度和水平方向上都具有空間梯度，從而產(chǎn)生了干擾噪聲[2]。

2.1 飛機(jī)載體磁干擾

在沿著直航向直升機(jī)作小幅度機(jī)動(dòng)飛行時(shí)，可以將地磁場(chǎng)的三分量方向余弦表示為：

i=cos[i0+Δi（）]

=cosi0cosΔi0（）－sini0sini0（）

=i+i（）

=1~3 （1）

式（1）中：i=cosi0和i（）=－sin·Δi（）分別為i（）的穩(wěn)定量和變化量，當(dāng)Δi（）≤6°的時(shí)候，可以保證i（）=i+i（）的誤差不會(huì)大于0.5%。

而直升機(jī)載體在測(cè)量吊艙處的磁場(chǎng)期間，可以通過采用經(jīng)典的Tolles-Lawson模型來對(duì)此進(jìn)行表示：

而在直航線的附近，載體磁干擾所引起的波動(dòng)為：

1（）= Δ1（+）－Δ1（） （3）

由式（1）、式（2）、式（3）可以得出：

2.2 在擺動(dòng)過程中吊艙引起的磁干擾

2.2.1 磁測(cè)吊艙軌跡計(jì)算

為了可以更方便地分析，使用建立坐標(biāo)系的方式將會(huì)產(chǎn)生較好的效果。將吊艙懸掛在直升機(jī)上的那個(gè)點(diǎn)當(dāng)作原點(diǎn)1，并建立地磁坐標(biāo)系1111，而其中，1軸指東，1軸垂直向下，1軸指北，代表的是機(jī)載坐標(biāo)系，而它的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1處于機(jī)載坐標(biāo)系中，其位置坐標(biāo)是（，，），那么對(duì)于吊艙在機(jī)載坐標(biāo)系中進(jìn)行測(cè)量的時(shí)候，它的位置坐標(biāo)可以表示為：

在應(yīng)用過程中，為了求解磁干擾模型的參數(shù)，飛行員在平穩(wěn)飛行這一基礎(chǔ)上，需要依次進(jìn)行俯仰機(jī)動(dòng)、橫滾機(jī)動(dòng)等動(dòng)作；對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)的過程中，飛行員應(yīng)使直升機(jī)保持直航向平穩(wěn)飛行一段時(shí)間。因此直升機(jī)在同一時(shí)刻內(nèi)只有一種機(jī)動(dòng)動(dòng)作。直升機(jī)在變換旋轉(zhuǎn)時(shí)，對(duì)于直升機(jī)姿態(tài)旋轉(zhuǎn)變換的順序所帶來的影響，可以不予考慮，而由于三個(gè)旋轉(zhuǎn)的矩陣在同一時(shí)間的時(shí)候，只有一個(gè)矩陣可以在其中起作用，可將剩下的兩個(gè)矩陣視為單位矩陣[3]。

2.2.2 航跡波動(dòng)引起的磁干擾

如果直升機(jī)的北向速度分量為x，那么可以將x變成一個(gè)起伏量x與一個(gè)均勻量x0的和。x=x0+x，而從時(shí)刻0到，這時(shí)的直升機(jī)北向偏移距離為：

式（6）中：x0（－0）為趨勢(shì)項(xiàng)，代表正在勻速進(jìn)行運(yùn)動(dòng)時(shí)引起的北向偏移；（）為起伏量，計(jì)算時(shí)，北向瞬時(shí)偏移能夠通過其緯度數(shù)據(jù)來進(jìn)行換算。

3 磁干擾小信號(hào)模型求解

=（1，2，…，7）=（1，2，1，2，1，1，1）

0（）=（）－x（）－h(huán)（）

0（）=11+22+33+44+55+66+77

為了對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行求解，通常會(huì)選擇讓直升機(jī)在8個(gè)直航向上作幅度較小的飛行，每一航向K=（1K，2K，3K），+=1~8，然后同步連續(xù)采集剩余的樣本數(shù)據(jù)，并計(jì)算公式。

求出模型系數(shù)以后，可以得到直升機(jī)平臺(tái)的背景磁干擾，從而最后對(duì)直升機(jī)平臺(tái)背景磁干擾進(jìn)行補(bǔ)償[4]。

4 仿真計(jì)算與補(bǔ)償機(jī)制

結(jié)合飛行過程中的姿態(tài)變化和吊艙軌跡的規(guī)律，根據(jù)磁場(chǎng)磁偶極子陣列模型，然后進(jìn)行仿真條件的設(shè)定。在初始狀態(tài)中，地磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小=55 000 nT，而地磁的傾角g=45°，地磁的北緯梯度是5.9lnT nT/km，高度梯度為－25.9lnT nT/km；直升機(jī)直航向的飛行速度是100 m/s，將與直升機(jī)的機(jī)動(dòng)主頻全部設(shè)置成5°；其中，吊繩長(zhǎng)度=40，采樣頻率s=20 Hz，吊艙平衡位置的傾角=70°，而與吊艙傾角和偏角相對(duì)應(yīng)的吊艙擺動(dòng)主頻的幅度在最大的時(shí)候也是5°；對(duì)于所生成平均磁航向進(jìn)行仿真，依次為0°、90°、180°、270°、45°、135°、225°、315°等八個(gè)航向以及30°、120°、210°、300°、70°、160°、250°、340°等八個(gè)航向上的兩組平臺(tái)背景磁干擾數(shù)據(jù)。

利用得出的第一組直升機(jī)平臺(tái)背景磁干擾數(shù)據(jù)，然后結(jié)合模型磁干擾小信號(hào)模型，并在每個(gè)航向上對(duì)航向的系數(shù)分別求解。根據(jù)求出的模型參數(shù)，對(duì)直升機(jī)平臺(tái)的背景磁干擾進(jìn)行反求，并對(duì)此進(jìn)行補(bǔ)償?？梢钥闯鼍哂蟹浅：玫难a(bǔ)償效果。然后通過將前兩個(gè)航線的的補(bǔ)償結(jié)果通過作圖的形式表現(xiàn)出來，通過利用第一組的數(shù)據(jù)求解模型參數(shù)，然后補(bǔ)償?shù)诙M的磁干擾數(shù)據(jù)，也具有良好的補(bǔ)償效果。如果補(bǔ)償率能夠達(dá)到90%以上，就可以說明直升機(jī)平臺(tái)背景磁干擾小信號(hào)模型的建立具有適應(yīng)性、正確性以及精確性。

5 總結(jié)

對(duì)直升機(jī)平臺(tái)背景磁干擾建模和磁干擾小信號(hào)模型進(jìn)行了分析，對(duì)磁干擾小信號(hào)模型求解進(jìn)行了簡(jiǎn)單計(jì)算，對(duì)直升機(jī)平臺(tái)磁干擾小信號(hào)模型補(bǔ)償機(jī)制進(jìn)行了簡(jiǎn)單論述。

［1］張寧，趙建揚(yáng)，林春生，等.直升機(jī)平臺(tái)背景磁干擾小信號(hào)模型求解與補(bǔ)償［J］.電子學(xué)報(bào)，2017，45（1）：83-88.

［2］都長(zhǎng)平.機(jī)載弱磁信號(hào)檢測(cè)平臺(tái)的磁干擾補(bǔ)償方法［D］.成都：電子科技大學(xué)，2015.

［3］張昌達(dá)．航空磁力梯度張量測(cè)量——航空磁測(cè)技術(shù)的最新進(jìn)展［J］.工程地球物理學(xué)報(bào)，2006，3（5）：354-361．

［4］林春生，周建軍，楊振宇.一種基于總強(qiáng)度監(jiān)測(cè)的三軸線圈磁場(chǎng)發(fā)生器精確校準(zhǔn)方法［J］.海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，10（5）：1-5.

V248

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.13.018

2095－6835（2019）13－0043－02

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕