技术领域
[0001] 本
申请涉及航空磁梯度张量仪器校正领域，特别涉及一种航空磁梯度张量探测中校正飞行的地面模拟方法及系统。
背景技术
[0002] 航空磁梯度张量探测是利用
飞行器装载磁梯度张量仪寻找地下
磁性异常的活动。在此过程中，张量数据
质量既受仪器误差的影响，也受飞行器磁干扰的影响，故每次探测飞行前，都需要进行校正飞行来获得校正系数，以去掉系统误差和飞行器磁干扰的影响。但其校正
算法的研究和评估却进展缓慢，主要原因是基于实际的校正飞行，必然存在
风险高、花费大和反馈慢等问题。
[0003] 在航空磁探测中，磁梯度张量仪装载于飞行器上，其测量数据受到两方面的影响。一方面来自张量仪内部的系统误差，比如，标度因子误差、零位误差，非
正交误差，安装误差等。另一方面来自飞行器产生的磁干扰，包括硬磁干扰、软磁干扰和
涡流磁干扰。故在实际的探测飞行前必须对其进行充分校正，否则有效数据会淹没在运动噪声中。
[0004] 为研究如何校正张量仪的误差和补偿飞行器的机动性对张量仪的磁干扰或评估相关校正方法的性能，一般会采用两种方法。第一种是采用实际的校正飞行，即飞行器装载张量仪后，爬升到磁梯度很低的高空某区域，飞行员再按照预定飞行路线和规定的机动方式进行飞行，获取数据以备校正所用。这种方法适合校正方法和飞行器都相对固定的阶段，在研发阶段并不适合，因为存在风险大、
费用高和反馈慢等缺点。第二种是制作多
自由度有磁或无磁平台，即在地面上模拟高空飞行过程中飞行器的机动性以及飞行器的部分磁干扰。采用运动平台模拟有三个缺点，首先，多自由度运动平台采用机械机构，普遍存在响应速度较慢的问题，难以模拟飞行器快速切割地
磁场等产生的涡流磁干扰。其次，固定的机械结构也使得运动平台难以模拟不同飞行器所具有的不同磁特性，特别不适合当前航空磁测灵活采用多种飞行器的现状。最后，无论是有磁或无磁平台都存在制作难度大、造价高的缺点，特别是需要模拟六自由度的情况。
发明内容
[0005] 本申请的目的在于提供一种航空磁梯度张量探测中校正飞行的地面模拟方法及系统，能够在地面上模拟出高空飞行时的磁场环境，用于仪器的校正和仪器校正算法的研究和评估。
[0006] 为实现上述目的，本申请一方面提供了一种航空磁梯度张量探测中校正飞行的地面模拟方法，所述方法包括：通过预设飞行仿真系统接收飞行器的控制参数，并基于空
气动力学模型对所述控制参数进行解算，以根据解算结果驱动飞行器飞行；确定所述飞行器在飞行过程中对应的
地磁场和磁干扰磁场，以计算所述飞行器在飞行过程中张量仪所处的高空磁场环境值；基于计算的高空磁场环境值，确定三轴线圈的输入
电流，以使得所述三轴线圈在所述输入电流的作用下生成所述高空磁场环境值。
[0007] 进一步地，在根据解算结果驱动飞行器飞行之后，所述方法还包括：
[0008] 所述预设飞行仿真系统获取飞行器在飞行过程中的状态数据，并基于所述状态数据调整所述飞行器的飞行状态，以使得所述飞行器按照预定航迹飞行；其中，所述状态数据包括六自由度信息。
[0009] 进一步地，根据以下公式确定所述飞行器在飞行过程中对应的地磁场：
[0010] Bb＝Rb/nvB
[0011] 其中，Bb表示仪器
坐标系下的地磁场，Rb/nv表示从大地坐标系到仪器坐标系的旋转矩阵，B表示大地坐标系下的地磁场。
[0012] 进一步地，所述从大地坐标系到仪器坐标系的旋转矩阵按照下述公式确定：
[0013]
[0014] 其中，ψ表示航向
角，θ表示
俯仰角， 表示
横滚角，c表示余弦函数，s表示正弦函数。
[0015] 进一步地，按照下述公式确定所述飞行器在飞行过程中对应的磁干扰磁场：
[0016]
[0017] 其中，BR表示所述磁干扰磁场，Bp、K、L为预设磁干扰系数，Bb表示仪器坐标系下的地磁场；
[0018] 相应地，所述高空磁场环境值按照下述公式确定：
[0019] T＝Bb+BR
[0020] 其中，T表示所述高空磁场环境值。
[0021] 进一步地，所述三轴线圈的输入电流按照下述公式确定：
[0022]
[0023] 其中，I表示所述三轴线圈的输入电流，C表示磁场和电流的关系矩阵，Rb/nv表示从大地坐标系到仪器坐标系的旋转矩阵，B表示大地坐标系下的地磁场，Bp、K、L为预设磁干扰系数。
[0024] 为实现上述目的，本申请还提供一种航空磁梯度张量探测中校正飞行的地面模拟系统，所述系统包括：预设飞行仿真机构，用于接收飞行器的控制参数，并基于
空气动力学模型对所述控制参数进行解算，以根据解算结果驱动飞行器飞行；高空磁场环境值计算机构，用于确定所述飞行器在飞行过程中对应的地磁场和磁干扰磁场，以计算所述飞行器在飞行过程中张量仪所处的高空磁场环境值；三轴线圈输入电流确定机构，用于基于计算的高空磁场环境值，确定三轴线圈的输入电流，以使得所述三轴线圈在所述输入电流的作用下生成所述高空磁场环境值。
[0025] 进一步地，所述高空磁场环境值计算机构根据以下公式确定所述飞行器在飞行过程中对应的地磁场：
[0026] Bb＝Rb/nvB
[0027] 其中，Bb表示仪器坐标系下的地磁场，Rb/nv表示从大地坐标系到仪器坐标系的旋转矩阵，B表示大地坐标系下的地磁场。
[0028] 进一步地，所述高空磁场环境值计算机构按照下述公式确定所述飞行器在飞行过程中对应的磁干扰磁场：
[0029]
[0030] 其中，BR表示所述磁干扰磁场，Bp、K、L为预设磁干扰系数，Bb表示仪器坐标系下的地磁场；
[0031] 相应地，所述高空磁场环境值按照下述公式确定：
[0032] T＝Bb+BR
[0033] 其中，T表示所述高空磁场环境值。
[0034] 进一步地，所述三轴线圈输入电流确定机构按照下述公式确定所述三轴线圈的输入电流：
[0035]
[0036] 其中，I表示所述三轴线圈的输入电流，C表示磁场和电流的关系矩阵，Rb/nv表示从大地坐标系到仪器坐标系的旋转矩阵，B表示大地坐标系下的地磁场，Bp、K、L为预设磁干扰系数。
[0037] 由上可见，本申请通过控
制模拟飞行器沿预定轨迹飞行，模拟出飞行员驾驶飞行器在高空进行校正飞行时的状态，并实时计算高空磁场环境值及通过地面的三轴线圈生成张量仪在此过程中所经历的高空磁场环境。本申请提供的方法及系统，相较于实际校正飞行，具有零风险、费用低和反馈快等优点。相较于地面多自由度运动平台，则具有制作简单、动态特性和实际飞行一致和适应不同飞行器等特点。从而在地面上模拟出高空飞行时的磁场环境，用于仪器的校正和仪器校正算法的研究和评估，从而不必频繁进行实际高空飞行，具有风险低、成本低、反馈快等优点。
附图说明
[0038] 图1为本申请中飞行器的飞行控制
框图；
[0039] 图2为本申请中系统的总体结构图；
[0040] 图3为本申请中模拟飞行和实际飞行的对比示意图。
具体实施方式
[0041] 为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施方式，都应当属于本申请保护的范围。
[0042] 本申请提供一种航空磁梯度张量探测中校正飞行的地面模拟方法，所述方法包括：通过预设飞行仿真系统接收飞行器的控制参数，并基于
空气动力学模型对所述控制参数进行解算，以根据解算结果驱动飞行器飞行；确定所述飞行器在飞行过程中对应的地磁场和磁干扰磁场，以计算所述飞行器在飞行过程中张量仪所处的高空磁场环境值；基于计算的高空磁场环境值，确定三轴线圈的输入电流，以使得所述三轴线圈在所述输入电流的作用下生成所述高空磁场环境值。
[0043] 在本实施方式中，在根据解算结果驱动飞行器飞行之后，所述方法还包括：
[0044] 所述预设飞行仿真系统获取飞行器在飞行过程中的状态数据，并基于所述状态数据调整所述飞行器的飞行状态，以使得所述飞行器按照预定航迹飞行；其中，所述状态数据包括六自由度信息。
[0045] 在本实施方式中，可以根据以下公式确定所述飞行器在飞行过程中对应的地磁场：
[0046] Bb＝Rb/nvB
[0047] 其中，Bb表示仪器坐标系下的地磁场，Rb/nv表示从大地坐标系到仪器坐标系的旋转矩阵，B表示大地坐标系下的地磁场。
[0048] 在本实施方式中，所述从大地坐标系到仪器坐标系的旋转矩阵按照下述公式确定：
[0049]
[0050] 其中，ψ表示航向角，θ表示俯仰角， 表示横滚角，c表示余弦函数，s表示正弦函数。
[0051] 在本实施方式中，可以按照下述公式确定所述飞行器在飞行过程中对应的磁干扰磁场：
[0052]
[0053] 其中，BR表示所述磁干扰磁场，Bp、K、L为预设磁干扰系数，Bb表示仪器坐标系下的地磁场；
[0054] 相应地，所述高空磁场环境值按照下述公式确定：
[0055] T＝Bb+BR
[0056] 其中，T表示所述高空磁场环境值。
[0057] 在本实施方式中，所述三轴线圈的输入电流按照下述公式确定：
[0058]
[0059] 其中，I表示所述三轴线圈的输入电流，C表示磁场和电流的关系矩阵，Rb/nv表示从大地坐标系到仪器坐标系的旋转矩阵，B表示大地坐标系下的地磁场，Bp、K、L为预设磁干扰系数。
[0060] 具体地，本申请结合了开源飞行模拟
软件FlightGear中的非线性空气动力学模型和TOLLES-LAWSON方程描述的飞行器磁干扰模型，通过控制模拟飞行器沿预定轨迹飞行，模拟出飞行员驾驶飞行器在高空进行校正飞行时的状态，并实时计算及通过三轴线圈产生张量仪在此过程中所经历的磁环境，克服了实际高空飞行高风险、高费用和多自由度平台制作难度大、动态特性与实际飞行不一致的缺点，具有零风险、费用低、动态特性好和研究算法反馈快等优点。
[0061] 为获得用于校正磁梯度张量仪的高空磁场环境，本申请的模拟过程分为三个部分，第一部分是模拟飞行器的控制，第二部分是高空校正飞行过程中环境磁场的计算，第三部分是环境磁场的地面生成。
[0062] 第一部分，模拟飞行器的控制。FlightGear是一个完整的飞行仿真系统，包含空气动力学系统、控制系统、飞行器系统、时间系统、场景系统、通信系统等多个子系统。其中集成的非线性空气动力学模型YAsim，是整个系统的核心。YAsim是通过模拟飞行器不同部分的气流来实现，能比较好地反映飞行器实际飞行状态，动态特性与实际飞行一致。FlightGear集成全双工通信
接口，飞行控制命令输入和飞行器状态数据输出十分方便。外部软件如MATLAB、LabVIEW等可以通过TCP/IP或者UDP网络协议向FlightGear发送飞行控制命令来控制飞行器飞行，并驱动3D视景显示，同时FlightGear向外部软件回传飞行器状态数据。
[0063] 请参阅图1，在本实施方式中可以采用UDP通信协议，使用LabVIEW作为主
控制器，代替飞行员，所述LabVIEW中可以包括航迹控制器、速度控制器以及
姿态角控制器，以对飞行器的飞行状态进行控制。它将飞行器的控制参数通过通信模
块发送给,FlightGear，FlightGear调用内部空气动力学模型进行解算，驱动模拟飞行器飞行，同时将飞行器6自由度等空气动力学信息反馈至LabVIEW的输入端，形成反馈控制，使飞行器按照预定的航迹飞行。
[0064] 第二部分，校正飞行中环境磁场的计算。高空校正飞行通常是选择在一块磁场均匀的500米高空区域，飞行员按事先规划的路径如矩形进行飞行，仪器采集数据进行后续算法校正。高空区域磁场可认为是恒定不变的，但飞行器飞行过程中六自由度变化会对张量仪测量的数据带来干扰，使采集所得数据既有地磁场又有磁干扰。根据相对运动的原理，高空飞行过程中的磁场不变和仪器6自由度变化，可以等效为在地面上保持仪器不动和让磁场持续变化。磁场数据的变化来源于飞行器的6自由度变化和飞行器磁干扰，飞行器的6自由度变化由FlightGear提供，飞行器磁干扰由TOLLES-LAWSON方程描述的模型来提供。
[0065] 仪器的坐标系随飞行器姿态的变化而不断变化，因此所测量的地磁场需要按一定的旋转顺序转换到仪器坐标系。按照Z-Y-X的次序进行旋转，即依次以大地坐标系的Z轴，中间坐标系的Y轴，二次中间坐标系的X轴作为旋
转轴，并依次旋转航向角ψ，俯仰角θ，横滚角欧拉角由FlightGear提供。经过坐标旋转，得到从大地坐标系到仪器坐标系的旋转矩阵Rb/nv：
[0066]
[0067] 式中，s与c分别表示正弦和余弦函数。
[0068] 从大地坐标系下地磁场B到仪器坐标系下地磁场Bb：
[0069] Bb＝Rb/nvB. (2)
[0070] 根据TOLLES-LAWSON方程对飞行器磁干扰的描述，磁干扰可以分为三类：第一类，硬磁干扰。飞行器上大量的硬磁材料磁化后难以退磁，形成方向与
机身固连，大小恒定的永久磁场，称为恒定磁场；第二类，软磁干扰。软磁材料被外磁场磁化后产生的磁场随着飞行器姿态、外磁场的变化而产生相应的变化，称为感应磁场；第三类，涡流干扰。飞行器的机身、旋翼等金属材料因切割地磁场产生的涡流，涡流产生的磁场称为涡流磁场。设飞行器磁干扰为BR，由于仪器坐标系和飞行器坐标系固连，则三类磁干扰可以写成如下形式：
[0071]
[0072] 综上，校正飞行过程中张量仪所处的磁场环境T为：
[0073]
[0074] 式中，T为三轴线圈产生的磁场，Bp、K、L为预设磁干扰系数。采用本装置可以灵活地改变各个参数来模拟不同飞行器所产生的磁干扰，特别适合校正方法的研究和评估。
[0075] 第三部分，环境磁场的地面生成。请参阅图2，均匀磁场通过三轴线圈来产生。LabVIEW将计算得到的高空环境磁场通过串口传送给
单片机，单片机根据磁场电流关系计算得到电流值，再根据
电压电流转换
电路关系计算得到高
精度D/A所需输出的电压值。高精度D/A
输出电压，经过电压电流转换电路，得到三轴线圈驱动电流，电流激发三轴线圈形成真实的磁场环境。其中磁场电流关系是通过实验测定的，电压电流转换电路中电压电流成线性关系。
[0076] 在制作三轴线圈过程中，三个轴不可能完全正交，当线圈通入电流时，磁场的3个分量不仅与对应轴向线圈中的电流有关，还与其它两个线圈中的电流有关。这种误差无法避免，但可以通过磁场和电流关系系数矩阵进行校正。
[0077]
[0078] 其中T为三轴线圈产生的磁场，I为三轴线圈通入的电流，矩阵C为磁场和电流的关系矩阵，此矩阵各元素的值是可以在磁屏蔽室环境中测定的，比如利用KEITHLEY 6221DC Current Source向其中一个轴的线圈中通入电流，其余两轴不通电流，不断改变电流值，测得磁场三个分量。三个轴分别进行实验，即可获得矩阵C的每个元素。
[0079] 综上，由公式(4)(5)可得，线圈需要通入的电流：
[0080]
[0081] 请参阅图2，本实施方式中，LabVIEW规划航迹，并向FlightGear发送控制命令，同时FlightGear将空气动力学数据如6自由度、速度等回传给LabVIEW，这些数据既作为反馈量用于更好地控制飞行器按照预定航迹飞行，又作为磁场变化的来源，利用公式(2)得到旋转磁场，旋转磁场加入磁干扰后就得到需要模拟产生的高空磁场值，然后通过三轴线圈产生实际磁场。当校正飞行过程中的环境磁场可以实际生成后，将张量仪放入到三轴线圈内部，就可以采集磁场数据进行后续的校正。
[0082] 请参阅图3，为验证系统的有效性，可以将模拟飞行实验和实际高空飞行进行对比。模拟飞行和实际高空飞行过程中，使用相同的仪器采集数据，之后再用相同的校正算法进行校正。如果两者的校正效果相当，那么就可以认为模拟装置产生的磁场十分接近高空飞行的磁场，地面模拟产生的磁环境同样可以用于仪器的校正，可以达到与实际高空飞行校正一样的效果。
[0083] 本申请还提供一种航空磁梯度张量探测中校正飞行的地面模拟系统，所述系统包括：预设飞行仿真机构，用于接收飞行器的控制参数，并基于空气动力学模型对所述控制参数进行解算，以根据解算结果驱动飞行器飞行；高空磁场环境值计算机构，用于确定所述飞行器在飞行过程中对应的地磁场和磁干扰磁场，以计算所述飞行器在飞行过程中张量仪所处的高空磁场环境值；三轴线圈输入电流确定机构，用于基于计算的高空磁场环境值，确定三轴线圈的输入电流，以使得所述三轴线圈在所述输入电流的作用下生成所述高空磁场环境值。
[0084] 在本实施方式中，所述高空磁场环境值计算机构根据以下公式确定所述飞行器在飞行过程中对应的地磁场：
[0085] Bb＝Rb/nvB
[0086] 其中，Bb表示仪器坐标系下的地磁场，Rb/nv表示从大地坐标系到仪器坐标系的旋转矩阵，B表示大地坐标系下的地磁场。
[0087] 在本实施方式中，所述高空磁场环境值计算机构按照下述公式确定所述飞行器在飞行过程中对应的磁干扰磁场：
[0088]
[0089] 其中，BR表示所述磁干扰磁场，Bp、K、L为预设磁干扰系数，Bb表示仪器坐标系下的地磁场；
[0090] 相应地，所述高空磁场环境值按照下述公式确定：
[0091] T＝Bb+BR
[0092] 其中，T表示所述高空磁场环境值。
[0093] 在本实施方式中，所述三轴线圈输入电流确定机构按照下述公式确定所述三轴线圈的输入电流：
[0094]
[0095] 其中，I表示所述三轴线圈的输入电流，C表示磁场和电流的关系矩阵，Rb/nv表示从大地坐标系到仪器坐标系的旋转矩阵，B表示大地坐标系下的地磁场，Bp、K、L为预设磁干扰系数。
[0096] 由上可见，本申请通过控制模拟飞行器沿预定轨迹飞行，模拟出飞行员驾驶飞行器在高空进行校正飞行时的状态，并实时计算高空磁场环境值及通过地面的三轴线圈生成张量仪在此过程中所经历的高空磁场环境。本申请提供的方法及系统，相较于实际校正飞行，具有零风险、费用低和反馈快等优点。相较于地面多自由度运动平台，则具有制作简单、动态特性和实际飞行一致和适应不同飞行器等特点。从而在地面上模拟出高空飞行时的磁场环境，用于仪器的校正和仪器校正算法的研究和评估，从而不必频繁进行实际高空飞行，具有风险低、成本低、反馈快等优点。
[0097] 上面对本申请的各种实施方式的描述以描述的目的提供给本领域技术人员。其不旨在是穷举的、或者不旨在将本发明限制于单个公开的实施方式。如上所述，本申请的各种替代和变化对于上述技术所属领域技术人员而言将是显而易见的。因此，虽然已经具体讨论了一些另选的实施方式，但是其它实施方式将是显而易见的，或者本领域技术人员相对容易得出。本申请旨在包括在此已经讨论过的本发明的所有替代、
修改、和变化，以及落在上述申请的精神和范围内的其它实施方式。
