一种降低固定翼无人机平台磁干扰的航迹生成方法技术

本发明专利技术涉及一种降低固定翼无人机平台磁干扰的航迹生成方法，适用于固定翼无人机航电设备的磁干扰控制，属于磁传感技术领域。本发明专利技术在固定翼无人机预先进行磁补偿无法完全消除平台磁干扰的前提下，通过生成不妨碍任务执行的、特定的航迹点，进一步降低固定翼无人机磁场对机载高精度设备的干扰；具有下述优点：成本低，操作简单，航迹点精度高，易实现等优点。此外，本发明专利技术即使在缺乏专业知识背景的情况下也能进行操作，能够在固定翼无人机工程应用中广泛应用于任务航迹规划。

A track generation method to reduce the magnetic interference of fixed wing UAV platform

【技术实现步骤摘要】
一种降低固定翼无人机平台磁干扰的航迹生成方法
本专利技术涉及一种降低固定翼无人机平台磁干扰的航迹生成方法，适用于固定翼无人机航电设备的磁干扰控制，属于磁传感

技术介绍
随着固定翼无人机及其相关技术的蓬勃发展，固定翼无人机在各个领域展现出了独特的优势，得到了越来越多的应用，人们对于降低对机载设备各类干扰的需求日益增加。以固定翼无人机为平台的各类应用系统相较于其它陆基、空基应用系统具有成本低、采样范围大、效率高、使用方便等优势，从而有较好的应用前景。而磁干扰作为固定翼无人机机载设备的主要干扰源之一，对磁罗盘、磁探仪等精密航电设备造成巨大的干扰，导致导航出现误差、测量不准确等不利现象。为获得更佳的设备工作效果，必须对固定翼无人机平台磁干扰进行控制。在固定翼无人机航电设备的磁干扰控制领域，需要固定翼无人机搭载一些高精度设备来对海洋、道路、矿产资源等特定的目标进行长距离、长时间检测；在检测过程中，需要这些高精度设备保持良好的工作状态，为此，需要克服诸多对高精度设备的干扰，而固定翼无人机平台磁场是航电设备(如导航设备)主要的干扰源之一，需要对平台磁干扰进行控制。近年来，对于固定翼无人机平台磁干扰的控制已经应用在了包括矿产探测、电力巡线和海洋监测在内的多个领域。二十世纪五十年代，Tolles和Lawson基于固定翼飞机在地磁场影响下产生磁场的机理，提出了描述固定翼飞机磁干扰场的Tolles-Lawson方程(固定翼无人机磁干扰模型)，即T-L方程。此后，人们基于T-L方程进行了大量的磁控工作。根据控制对象的不同，目前针对固定翼无人机磁控的方法主要分为两类：第一类是对固定翼无人机上的磁性元件进行屏蔽。磁元件屏蔽主要针对飞行过程中偏转的电动致动器进行磁控，如舵机等。此类磁干扰变化无规律，根据飞行要求不断变化。对于这种磁干扰场，大多采用多层坡莫合金屏蔽罩等对舵机进行物理屏蔽，具有良好的效果，在工程实践中也得到了广泛的应用。第二类是基于T-L方程对固定翼无人机磁干扰场进行算法磁补偿等。算法补偿主要针对固定翼无人机机体产生的磁干扰场进行磁控。在我国，根据《DZ-T0142-94航空磁测技术规范》，测量相应固定翼无人机的T-L方程系数，然后对磁干扰场进行补偿。磁补偿效果较好，因磁补偿方法出现了磁补偿仪等磁控仪器。由于T-L方程的复共线性，最小二乘估计及其改进算法估算得到的磁模型系数均为真实磁模型系数的有偏估计，也即，磁干扰无法被完全消除。综上所述，由于磁屏蔽元件的局限性和T-L方程参数估计矩阵的病态，因此两种方法均无法完全消除平台磁干扰的影响。同时，考虑到固定翼无人机体积较小，搭载机载磁补偿设备会占用大量的固定翼无人机载荷且成本高昂。近年来，航迹规划方法由于规划效率更高、航迹更为优化等得到了广泛的关注。在航迹规划中，通常可以考虑多个任务目标对载具的航迹进行规划。将固定翼无人机的运动参数等作为状态变量，在可行域内寻找最优状态变量的解集使得目标函数值达到最值。考虑到固定翼飞行器磁模型(T-L方程)与飞行器的姿态角有密切关系，因此，可以从新的航迹规划的角度对固定翼无人机任务航迹进行规划，到达任务执行过程中磁干扰的最低。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有固定翼无人机平台磁控效果差的问题，提供一种降低固定翼无人机平台磁干扰的航迹生成方法；该方法在固定翼无人机预先进行磁补偿无法完全消除平台磁干扰的前提下，通过生成不妨碍任务执行的、特定的航迹点，进一步降低固定翼无人机磁场对机载高精度设备的干扰；具有下述优点：成本低，操作简单，航迹点精度高，易实现等优点。此外，本专利技术即使在缺乏专业知识背景的情况下也能进行操作，能够在固定翼无人机工程应用中广泛应用于任务航迹规划。本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。本专利技术公开的一种降低固定翼无人机平台磁干扰的航迹生成方法，包含：(1)T-L方程的线性化及模型参数(a11～a33和P1～P3)获取；(2)航迹点生成，共两大部分，包括如下步骤：(1)T-L方程的线性化及模型参数(a11～a33和P1～P3)获取；步骤1：航迹规划所需北东地坐标系、机体坐标系的定义及坐标系转换关系，和固定翼无人机欧拉角正方向的定义。参考坐标系采用北东地坐标系和机体坐标系。其中，机体坐标系x轴指向固定翼无人机左机翼，y轴指向机头，z轴在固定翼无人机纵向平面内，指向下。North指向地磁北极，方位角X为地磁矢量Be与机体坐标系x轴的方位夹角；方位角Y为地磁矢量Be与机体坐标系y轴的方位夹角；方位角Z为地磁矢量Be与机体坐标系z轴的方位夹角；θ为地理北极(北东地坐标系x轴)与地磁北极的夹角，即地磁偏角；为地磁矢量Be与地磁北极的夹角，即地磁倾角。固定翼无人机的欧拉角定义如下：λ为固定翼无人机的俯仰角；Ψ为固定翼无人机的滚转角；Ω为固定翼无人机的偏航角；为简化公式形式，使s代表sin，使c代表cos。那么，方位角X、Y、Z与欧拉角的关系表示如下：那么，地磁矢量到机体坐标系的坐标转换关系如式(2)所示，其中，Bbex为地磁矢量在机体坐标系x轴上的分量，Bbey为地磁矢量在机体坐标系y轴上的分量，Bbez为地磁矢量在机体坐标系z轴上的分量；为地磁矢量投影到北东地坐标系的转换矩阵；R(x)、R(y)、R(z)为采用坐标旋转法时，北东地坐标系向机体系转换的旋转矩阵，其中，R(y)为北东地坐标系绕y轴旋转ψ的转换矩阵，R(z)为北东地坐标系绕z轴旋转Ω的转换矩阵，R(x)为北东地坐标系绕x轴旋转λ的转换矩阵，三个转换矩阵连续左乘可实现北东地坐标系到机体坐标系的转换。通过式(2)，就可得到地磁矢量到机体坐标系的坐标转换关系，即地磁矢量在机体坐标系的分量。上述4个转换矩阵的表达如式(3)所示步骤2：T-L方程的线性化。T-L方程是描述固定翼飞行器平台磁场的模型。但是T-L方程具有较强的非线性，在表述磁干扰场与欧拉角的关系方面不够直观，更重要的是在任务规划方面；根据T-L方程，固定翼无人机平台可视为沿机体坐标系三个坐标轴的铁磁性杆，其磁干扰可据此分为固定磁场、感应磁场和涡流磁场。固定磁场由铁磁性物质产生，大小为常数，其表达式为：式中，P1、P2、P3为固定磁场的系数，为机体坐标系三轴正方向的单位向量。感应磁场由固定翼无人机软磁材料在地磁场作用下磁化生成，其表达式为：其中，Bidx为感应磁场在机体坐标系x轴的分量，Bidy为感应磁场在机体坐标系y轴的分量，Bidz为感应磁场在机体坐标系z轴的分量；a11为固定翼无人机因Bbex在机体坐标系x轴产生的感应磁场分量系数，a12为固定翼无人机因Bbey在机体坐标系x轴产生的感应磁场分量系数，a13为固定翼无人机因Bbez在机体坐标系x轴产生的感应磁场分量系数，a21为固定翼无人机因Bbex在机体坐标系y轴产生的感应磁场分量系数，a22为固定翼无人机因Bbey在机体坐标系y轴产生的感应磁场分量系数，a2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种降低固定翼无人机平台磁干扰的航迹生成方法，其特征在于：包括如下步骤：/n(1)T-L方程的线性化及模型参数(a

【技术特征摘要】
1.一种降低固定翼无人机平台磁干扰的航迹生成方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)T-L方程的线性化及模型参数(a11～a33和P1～P3)获取；
步骤1：航迹规划所需北东地坐标系、机体坐标系的定义及坐标系转换关系，和固定翼无人机欧拉角正方向的定义；
参考坐标系采用北东地坐标系和机体坐标系；其中，机体坐标系x轴指向固定翼无人机左机翼，y轴指向机头，z轴在固定翼无人机纵向平面内，指向下；North指向地磁北极，方位角X为地磁矢量Be与机体坐标系x轴的方位夹角；方位角Y为地磁矢量Be与机体坐标系y轴的方位夹角；方位角Z为地磁矢量Be与机体坐标系z轴的方位夹角；θ为地理北极与地磁北极的夹角，即地磁偏角；为地磁矢量Be与地磁北极的夹角，即地磁倾角；
固定翼无人机的欧拉角定义如下：λ为固定翼无人机的俯仰角；Ψ为固定翼无人机的滚转角；Ω为固定翼无人机的偏航角；为简化公式形式，使s代表sin，使c代表cos；那么，方位角X、Y、Z与欧拉角的关系表示如下：



那么，地磁矢量到机体坐标系的坐标转换关系如式(2)所示，



其中，Bbex为地磁矢量在机体坐标系x轴上的分量，Bbey为地磁矢量在机体坐标系y轴上的分量，Bbez为地磁矢量在机体坐标系z轴上的分量；为地磁矢量投影到北东地坐标系的转换矩阵；R(x)、R(y)、R(z)为采用坐标旋转法时，北东地坐标系向机体系转换的转换矩阵，其中，R(y)为北东地坐标系绕y轴旋转ψ的转换矩阵，R(z)为北东地坐标系绕z轴旋转Ω的转换矩阵，R(x)为北东地坐标系绕x轴旋转λ的转换矩阵，R(x)、R(y)和R(z)连续左乘即实现北东地坐标系到机体坐标系的转换；通过式(2)，得到地磁矢量到机体坐标系的坐标转换关系，即地磁矢量在机体坐标系的分量；上述4个转换矩阵的表达如式(3)所示：



步骤2：T-L方程的线性化；
根据T-L方程，固定翼无人机平台视为沿机体坐标系三个坐标轴的铁磁性杆，其磁干扰据此分为固定磁场、感应磁场和涡流磁场；
固定磁场由铁磁性物质产生，大小为常数，其表达式为：



式中，P1、P2、P3为固定磁场的系数，为机体坐标系三轴正方向的单位向量；
感应磁场由固定翼无人机软磁材料在地磁场作用下磁化生成，其表达式为：



其中，Bidx为感应磁场在机体坐标系x轴的分量，Bidy为感应磁场在机体坐标系y轴的分量，Bidz为感应磁场在机体坐标系z轴的分量；a11为固定翼无人机因Bbex在机体坐标系x轴产生的感应磁场分量系数，a12为固定翼无人机因Bbey在机体坐标系x轴产生的感应磁场分量系数，a13为固定翼无人机因Bbez在机体坐标系x轴产生的感应磁场分量系数，a21为固定翼无人机因Bbex在机体坐标系y轴产生的感应磁场分量系数，a22为固定翼无人机因Bbey在机体坐标系y轴产生的感应磁场分量系数，a23为固定翼无人机因Bbez在机体坐标系y轴产生的感应磁场分量系数，a31为固定翼无人机因Bbex在机体坐标系z轴产生的感应磁场分量系数，a32为固定翼无人机因Bbey在机体坐标系z轴产生的感应磁场分量系数，a33为固定翼无人机因Bbez在机体坐标系z轴产生的感应磁场分量系数；
涡流磁场是由固定翼无人机软磁材料切割磁感线引起的干扰磁场，与地磁矢量在机体坐标系上分量的时间变化率有关，其表达式为：




为涡流磁场系数矩阵，为Bbex的时间变化率，为Bbey的时间变化率，为Bbez的时间...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘莉，葛佳昊，康杰，王正平，董欣心，贺云涛，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11