直升机平台磁干扰小信号模型补偿机制

张博文，王巍

直升机平台磁干扰小信号模型补偿机制

张博文，王巍

（新疆五家渠 69008 部队，新疆 五家渠 831300）

通过在直升机底部中心附近悬挂的吊舱内安装磁场测量设备，探测直升机平台高精度的磁异常，需要补偿磁干扰，因此，平台磁干扰的建模与求解就成为十分重要的内容。主要对直升机平台磁干扰小信号模型补偿展开分析，希望可以为同行业人员提供参考。

直升机平台；小信号模型；补偿机制；磁干扰

直升机和固定翼飞机属于航空磁性探测平台中的两个平台。而这两平台中，大部分时候，安装磁探设备位于固定翼飞机的机尾。而直升机由于是吊舱位置，所以会将磁探仪悬挂在离舱外有一定的距离的外部位置。当前，无论是国内还是国外，对于直升机平台背景磁干扰的补偿机制都开展了多年的分析和研究。在这些研究中，美国的TOLLES W E以及LAWSON Q B这两位所提出的Tolles-Lawson方程在其中是最为经典的模型；而中国专家学者赵国泽等人则主要研究航空电磁法方面，并在此领域取得了一定的成绩。但是有一现象令人困惑不解，无论是国内还是国外，对于直升机外挂安装磁探仪的吊舱系统平台磁干扰的补偿相关方面的资料和研究非常稀缺。

1 平台背景磁干扰建模

直升机平台的航空磁场测量系统主要采用舱外悬吊的方式，选择将磁场测量设备在悬挂于直升机底部中心周围的吊舱内进行安装。因为磁场测量吊舱系统与直升机机体采用柔性连接，所以对于磁场形成干扰的大小不仅仅只与飞机的飞行姿态有关，还与吊舱和飞机的相对运动有关[1]。

2 直升机平台磁干扰小信号模型

根据平台可以将背景干扰磁场分解成三个部分：①在对系统平稳悬吊进行测量的过程中，根据直升机的航行地点与航向、磁性以及吊舱的悬吊位置等，直升机载体才可以对系统吊舱处的干扰磁场进行测量；②磁场为吊舱受风阻等相关的影响，并且在平衡位置附近发生摆动时，由于飞机的载体位置与测量点发生了偏移，导致飞机载体干扰磁场的结果发生了变化，主要原因是吊舱的位置发生了偏移；③吊舱与大地坐标的位置磁有所波动，这是由于地磁场在高度和水平方向上都具有空间梯度，从而产生了干扰噪声[2]。

2.1 飞机载体磁干扰

在沿着直航向直升机作小幅度机动飞行时，可以将地磁场的三分量方向余弦表示为：

i=cos[i0+Δi（）]

=cosi0cosΔi0（）－sini0sini0（）

=i+i（）

=1~3 （1）

式（1）中：i=cosi0和i（）=－sin·Δi（）分别为i（）的稳定量和变化量，当Δi（）≤6°的时候，可以保证i（）=i+i（）的误差不会大于0.5%。

而直升机载体在测量吊舱处的磁场期间，可以通过采用经典的Tolles-Lawson模型来对此进行表示：

而在直航线的附近，载体磁干扰所引起的波动为：

1（）= Δ1（+）－Δ1（） （3）

由式（1）、式（2）、式（3）可以得出：

2.2 在摆动过程中吊舱引起的磁干扰

2.2.1 磁测吊舱轨迹计算

为了可以更方便地分析，使用建立坐标系的方式将会产生较好的效果。将吊舱悬挂在直升机上的那个点当作原点1，并建立地磁坐标系1111，而其中，1轴指东，1轴垂直向下，1轴指北，代表的是机载坐标系，而它的结构如图1所示。

1处于机载坐标系中，其位置坐标是（，，），那么对于吊舱在机载坐标系中进行测量的时候，它的位置坐标可以表示为：

在应用过程中，为了求解磁干扰模型的参数，飞行员在平稳飞行这一基础上，需要依次进行俯仰机动、横滚机动等动作；对目标进行探测的过程中，飞行员应使直升机保持直航向平稳飞行一段时间。因此直升机在同一时刻内只有一种机动动作。直升机在变换旋转时，对于直升机姿态旋转变换的顺序所带来的影响，可以不予考虑，而由于三个旋转的矩阵在同一时间的时候，只有一个矩阵可以在其中起作用，可将剩下的两个矩阵视为单位矩阵[3]。

2.2.2 航迹波动引起的磁干扰

如果直升机的北向速度分量为x，那么可以将x变成一个起伏量x与一个均匀量x0的和。x=x0+x，而从时刻0到，这时的直升机北向偏移距离为：

式（6）中：x0（－0）为趋势项，代表正在匀速进行运动时引起的北向偏移；（）为起伏量，计算时，北向瞬时偏移能够通过其纬度数据来进行换算。

3 磁干扰小信号模型求解

=（1，2，…，7）=（1，2，1，2，1，1，1）

0（）=（）－x（）－h（）

0（）=11+22+33+44+55+66+77

为了对模型参数进行求解，通常会选择让直升机在8个直航向上作幅度较小的飞行，每一航向K=（1K，2K，3K），+=1~8，然后同步连续采集剩余的样本数据，并计算公式。

求出模型系数以后，可以得到直升机平台的背景磁干扰，从而最后对直升机平台背景磁干扰进行补偿[4]。

4 仿真计算与补偿机制

结合飞行过程中的姿态变化和吊舱轨迹的规律，根据磁场磁偶极子阵列模型，然后进行仿真条件的设定。在初始状态中，地磁场强度的大小=55 000 nT，而地磁的倾角g=45°，地磁的北纬梯度是5.9lnT nT/km，高度梯度为－25.9lnT nT/km；直升机直航向的飞行速度是100 m/s，将与直升机的机动主频全部设置成5°；其中，吊绳长度=40，采样频率s=20 Hz，吊舱平衡位置的倾角=70°，而与吊舱倾角和偏角相对应的吊舱摆动主频的幅度在最大的时候也是5°；对于所生成平均磁航向进行仿真，依次为0°、90°、180°、270°、45°、135°、225°、315°等八个航向以及30°、120°、210°、300°、70°、160°、250°、340°等八个航向上的两组平台背景磁干扰数据。

利用得出的第一组直升机平台背景磁干扰数据，然后结合模型磁干扰小信号模型，并在每个航向上对航向的系数分别求解。根据求出的模型参数，对直升机平台的背景磁干扰进行反求，并对此进行补偿。可以看出具有非常好的补偿效果。然后通过将前两个航线的的补偿结果通过作图的形式表现出来，通过利用第一组的数据求解模型参数，然后补偿第二组的磁干扰数据，也具有良好的补偿效果。如果补偿率能够达到90%以上，就可以说明直升机平台背景磁干扰小信号模型的建立具有适应性、正确性以及精确性。

5 总结

对直升机平台背景磁干扰建模和磁干扰小信号模型进行了分析，对磁干扰小信号模型求解进行了简单计算，对直升机平台磁干扰小信号模型补偿机制进行了简单论述。

［1］张宁，赵建扬，林春生，等.直升机平台背景磁干扰小信号模型求解与补偿［J］.电子学报，2017，45（1）：83-88.

［2］都长平.机载弱磁信号检测平台的磁干扰补偿方法［D］.成都：电子科技大学，2015.

［3］张昌达．航空磁力梯度张量测量——航空磁测技术的最新进展［J］.工程地球物理学报，2006，3（5）：354-361．

［4］林春生，周建军，杨振宇.一种基于总强度监测的三轴线圈磁场发生器精确校准方法［J］.海军工程大学学报，2013，10（5）：1-5.

V248

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.13.018

2095－6835（2019）13－0043－02

〔编辑：严丽琴〕