直升機平臺磁干擾小信號模型補償機制

張博文，王巍

直升機平臺磁干擾小信號模型補償機制

張博文，王巍

（新疆五家渠 69008 部隊，新疆 五家渠 831300）

通過在直升機底部中心附近懸掛的吊艙內安裝磁場測量設備，探測直升機平臺高精度的磁異常，需要補償磁干擾，因此，平臺磁干擾的建模與求解就成為十分重要的內容。主要對直升機平臺磁干擾小信號模型補償展開分析，希望可以為同行業人員提供參考。

直升機平臺；小信號模型；補償機制；磁干擾

直升機和固定翼飛機屬于航空磁性探測平臺中的兩個平臺。而這兩平臺中，大部分時候，安裝磁探設備位于固定翼飛機的機尾。而直升機由于是吊艙位置，所以會將磁探儀懸掛在離艙外有一定的距離的外部位置。當前，無論是國內還是國外，對于直升機平臺背景磁干擾的補償機制都開展了多年的分析和研究。在這些研究中，美國的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典的模型；而中國專家學者趙國澤等人則主要研究航空電磁法方面，并在此領域取得了一定的成績。但是有一現象令人困惑不解，無論是國內還是國外，對于直升機外掛安裝磁探儀的吊艙系統平臺磁干擾的補償相關方面的資料和研究非常稀缺。

1 平臺背景磁干擾建模

直升機平臺的航空磁場測量系統主要采用艙外懸吊的方式，選擇將磁場測量設備在懸掛于直升機底部中心周圍的吊艙內進行安裝。因為磁場測量吊艙系統與直升機機體采用柔性連接，所以對于磁場形成干擾的大小不僅僅只與飛機的飛行姿態有關，還與吊艙和飛機的相對運動有關[1]。

2 直升機平臺磁干擾小信號模型

根據平臺可以將背景干擾磁場分解成三個部分：①在對系統平穩懸吊進行測量的過程中，根據直升機的航行地點與航向、磁性以及吊艙的懸吊位置等，直升機載體才可以對系統吊艙處的干擾磁場進行測量；②磁場為吊艙受風阻等相關的影響，并且在平衡位置附近發生擺動時，由于飛機的載體位置與測量點發生了偏移，導致飛機載體干擾磁場的結果發生了變化，主要原因是吊艙的位置發生了偏移；③吊艙與大地坐標的位置磁有所波動，這是由于地磁場在高度和水平方向上都具有空間梯度，從而產生了干擾噪聲[2]。

2.1 飛機載體磁干擾

在沿著直航向直升機作小幅度機動飛行時，可以將地磁場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（）的穩定量和變化量，當Δi（）≤6°的時候，可以保證i（）=i+i（）的誤差不會大于0.5%。

而直升機載體在測量吊艙處的磁場期間，可以通過采用經典的Tolles-Lawson模型來對此進行表示：

而在直航線的附近，載體磁干擾所引起的波動為：

1（）= Δ1（+）－Δ1（） （3）

由式（1）、式（2）、式（3）可以得出：

2.2 在擺動過程中吊艙引起的磁干擾

2.2.1 磁測吊艙軌跡計算

為了可以更方便地分析，使用建立坐標系的方式將會產生較好的效果。將吊艙懸掛在直升機上的那個點當作原點1，并建立地磁坐標系1111，而其中，1軸指東，1軸垂直向下，1軸指北，代表的是機載坐標系，而它的結構如圖1所示。

1處于機載坐標系中，其位置坐標是（，，），那么對于吊艙在機載坐標系中進行測量的時候，它的位置坐標可以表示為：

在應用過程中，為了求解磁干擾模型的參數，飛行員在平穩飛行這一基礎上，需要依次進行俯仰機動、橫滾機動等動作；對目標進行探測的過程中，飛行員應使直升機保持直航向平穩飛行一段時間。因此直升機在同一時刻內只有一種機動動作。直升機在變換旋轉時，對于直升機姿態旋轉變換的順序所帶來的影響，可以不予考慮，而由于三個旋轉的矩陣在同一時間的時候，只有一個矩陣可以在其中起作用，可將剩下的兩個矩陣視為單位矩陣[3]。

2.2.2 航跡波動引起的磁干擾

如果直升機的北向速度分量為x，那么可以將x變成一個起伏量x與一個均勻量x0的和。x=x0+x，而從時刻0到，這時的直升機北向偏移距離為：

式（6）中：x0（－0）為趨勢項，代表正在勻速進行運動時引起的北向偏移；（）為起伏量，計算時，北向瞬時偏移能夠通過其緯度數據來進行換算。

3 磁干擾小信號模型求解

=（1，2，…，7）=（1，2，1，2，1，1，1）

0（）=（）－x（）－h（）

0（）=11+22+33+44+55+66+77

為了對模型參數進行求解，通常會選擇讓直升機在8個直航向上作幅度較小的飛行，每一航向K=（1K，2K，3K），+=1~8，然后同步連續采集剩余的樣本數據，并計算公式。

求出模型系數以后，可以得到直升機平臺的背景磁干擾，從而最后對直升機平臺背景磁干擾進行補償[4]。

4 仿真計算與補償機制

結合飛行過程中的姿態變化和吊艙軌跡的規律，根據磁場磁偶極子陣列模型，然后進行仿真條件的設定。在初始狀態中，地磁場強度的大小=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；直升機直航向的飛行速度是100 m/s，將與直升機的機動主頻全部設置成5°；其中，吊繩長度=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應的吊艙擺動主頻的幅度在最大的時候也是5°；對于所生成平均磁航向進行仿真，依次為0°、90°、180°、270°、45°、135°、225°、315°等八個航向以及30°、120°、210°、300°、70°、160°、250°、340°等八個航向上的兩組平臺背景磁干擾數據。

利用得出的第一組直升機平臺背景磁干擾數據，然后結合模型磁干擾小信號模型，并在每個航向上對航向的系數分別求解。根據求出的模型參數，對直升機平臺的背景磁干擾進行反求，并對此進行補償。可以看出具有非常好的補償效果。然后通過將前兩個航線的的補償結果通過作圖的形式表現出來，通過利用第一組的數據求解模型參數，然后補償第二組的磁干擾數據，也具有良好的補償效果。如果補償率能夠達到90%以上，就可以說明直升機平臺背景磁干擾小信號模型的建立具有適應性、正確性以及精確性。

5 總結

對直升機平臺背景磁干擾建模和磁干擾小信號模型進行了分析，對磁干擾小信號模型求解進行了簡單計算，對直升機平臺磁干擾小信號模型補償機制進行了簡單論述。

［1］張寧，趙建揚，林春生，等.直升機平臺背景磁干擾小信號模型求解與補償［J］.電子學報，2017，45（1）：83-88.

［2］都長平.機載弱磁信號檢測平臺的磁干擾補償方法［D］.成都：電子科技大學，2015.

［3］張昌達．航空磁力梯度張量測量——航空磁測技術的最新進展［J］.工程地球物理學報，2006，3（5）：354-361．

［4］林春生，周建軍，楊振宇.一種基于總強度監測的三軸線圈磁場發生器精確校準方法［J］.海軍工程大學學報，2013，10（5）：1-5.

V248

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.13.018

2095－6835（2019）13－0043－02

〔編輯：嚴麗琴〕