固定翼无人机航磁探测系统的磁补偿模型分析

近年来,无人机的应用日益广泛,逐渐用于航空物探。在使用固定翼无人机搭载磁力仪进行航磁测量时,必然引入飞行平台干扰,包括与机动无关的干扰和与机动有关的干扰。去除和飞机机动有关的磁干扰,即为磁补偿工作。航磁补偿的经典TOLLES-LAWSON模型将磁干扰分为剩余磁场、感应磁场和涡流磁场。对于固定翼无人机,涡流磁场可以不考虑,将剩余磁场和感应磁场合称为稳态干扰场。主要对飞机干扰的来源和性质进行分析,并在地面设计实验验证铁磁性材料的性质,以加深对磁补偿模型的假设和推导过程的理解。最后,在地面实验平台上测量了飞机磁干扰场的平面分布图,指导航空磁力仪的安装。在将TOLLES-LAWSON模型应用于固定翼无人机航磁探测系统的磁补偿工作时,无人机与有人机相比,在结构和材料方面都有较大差异,因此对模型的物理意义和假设条件的深入理解至关重要,此即本文所述工作成果的出发点。     

一型国产无人机直升机铯光泵航磁系统补偿方法研究和试验

随着无人机平台的逐渐成熟,近年来无人机广泛应用于航空物探领域。文章设计了一型无人机航磁系统,采用国产铯光泵磁力仪,载机平台为100 kg级汽油动力无人直升机,基于直升机的操作特性研究了不同于固定翼飞机的定点悬停补偿方法。依据《航空磁测技术规范》进行了地面静态噪声测试、磁补偿飞行、动态噪声测试及切割线飞行。结果表明,采用定点悬停的磁补偿方法,系统的磁补偿精度、动态噪声水平及航磁总精度同样能够达到《航空磁测技术规范》要求的一类设备水平,且更易于操作,从而该航磁系统也可应用于大比例尺低飞航磁项目中。     

姿态航向参考系统中磁罗盘安装误差补偿研究

在飞行状态下,姿态航向参考系统的航向由磁航姿计算机的姿态和磁罗盘的磁通量算得,由于磁罗盘和航姿计算机在机上有安装误差,使得算出的航向有一定偏差,针对这一问题,文章提出了一种补偿机上磁罗盘安装误差的方法。机上试验表明:该方法补偿了磁罗盘在机上的安装误差,可有效提高磁航向的精度。     

三维捷联磁传感器误差分析及补偿

磁传感器在导航系统中的应用日益广泛。在车载导航系统工作环境中,外界干扰磁场复杂,严重影响了磁航向测量的精度。因此对磁航向进行适当的罗差补偿是提高磁航向测量精度的有效途径。文中介绍了用磁传感器进行磁航向测量的原理,分析了由于磁场矢量叠加产生的罗差,提出了基于傅立叶级数的罗差模型和补偿方法。工程实践表明,上述方法的使用收到了较好的效果。     

空中加油变质量建模与干扰补偿控制

为抑制空中加油给飞机带来的变质量影响,将质量的变化等效为对飞机的干扰力和干扰力矩,建立了变质量飞机的一般动力学模型,并经过小扰动线性化得到飞机带干扰的纵向状态方程.采用比例积分观测器(PIO)对干扰进行观测,基于观测值设计了补偿控制器以实现对变质量干扰的抑制.以受油机为例进行计算机仿真,结果表明,该模型有效地反映了变质量受油机的动力学特性,干扰补偿控制器能够实现对变质量受油机的精确控制.     

无人机磁航向测量的自动罗差补偿研究

 利用地球磁场测量无人机的航向时,需要对机上铁磁材料引起的罗差进行补偿。为了降低补偿费用,减小补偿试验时周围环境的影响,提出一种利用飞机左右盘旋飞行时采样数据实现罗差自动补偿的方法。采用椭圆假设算法,可利用飞机平飞时在多于5个不同方向的采样数据来自动补偿平飞时的罗差。在任意姿态飞行时,把飞机左右盘旋时采样的数据分解为4个椭圆,并求出它们相对于椭圆假设的24个系数。再利用这24个系数和飞机的俯仰角、倾斜角以及地磁场垂直分量求出任意姿态下罗差补偿所需的12个系数。实验结果表明,该方法效果良好,方便可行。某无人机补偿前最大误差为21.5°;用传统方法补偿后最大误差为2.3°;用本文方法几乎不需要额外的费用,补偿后最大误差为1.6°。     

不对称推力完全自动补偿技术

研究了一种适用于多发飞机的不对称推力完全自动补偿策略,并针对发动机失效后的不对称推力飞行特性进行研究。首先,推导了横航向达到平衡状态的条件,提出了一种基于发动机转子转速信号的自动补偿控制方法,在保证补偿效果的同时,解决了自动补偿系统可靠性低的问题,该自动补偿控制方法将高压转子转速信号与低压转子转速信号进行逻辑运算,结合高压转子转速差控制副翼和方向舵偏转,再与主飞行控制系统共同作用使飞机达到平衡状态。然后,基于横航向主飞行控制系统具有滚转角保持功能的特点,优化自动补偿控制系统。最后,全包线内建立飞机达到平衡状态的线性化数学模型,设计了不对称推力完全自动补偿控制律。通过MATLAB/Simulink建模并进行仿真验证,仿真结果表明完全自动补偿控制方法对不对称推力飞行具有良好的补偿效果。     

飞机纵向静稳定度补偿

讨论了利用飞行控制系统对静不稳定飞机的三种补偿方式：延迟俯仰速度反馈、迎角反印刷品几法向过载负反馈。从而改变了飞机特性，诸如减轻质量，提高升阻比，增强机动性等。最后对三种补偿方案进行了比较，采用迎角反馈补偿是最直接有效的手段，但在工程实践中，往往采用俯仰速率和迎角混合反馈补偿方式。     

空间探测原子磁强计的主动磁补偿实验

在空间探测过程中,采用高灵敏无自旋交换弛豫(SERF)原子磁强计在行星表面进行磁场测量是原位物质成分分析的有效手段之一。为了提高SERF原子磁强计的磁场测量灵敏度,必须减小外界磁场扰动对其原子自旋SERF态质量的影响,基于SERF原子磁强计的测量原理,设计了一套主动磁补偿系统。首先,通过测量驱动激光光强获得3个方向的磁场信息;在此基础上,控制电流源和线圈主动产生一个与外界磁场扰动大小相同、方向相反的磁场来补偿扰动,以提高原子自旋SERF态的质量;最后,结合现有的SERF原子磁强计实验平台进行了实验验证。实验结果表明,与手动补偿方式相比,采用本文所述的主动磁补偿系统,可以实时跟踪磁场补偿点,降低系统信号的噪声,补偿了外界磁场的扰动,验证了磁强计主动磁补偿技术的有效性,为后续样机的研制奠定了技术基础。     

飞控调参对飞行品质的补偿作用分析

以某型机为例,分析了飞机变形导致气动导数变化后,如何利用飞行控制系统对飞行品质进行补偿的问题。仿真曲线表明,利用飞行控制系统是可以补偿飞机变形导致的飞机性能变化的。     

Small Signal Compensation of Magnetic Fields Resulting from Aircraft Maneuvers

Tolles and Lawson identified three permanent, five induced, and eight eddy-current fields as sources of magnetic interference associated with airframe maneuvers. Small signal approximations are used here to separate the eddy-current terms and thus decouple the sixteen equations into two sets of eight equations. It was found that a singularity exists in the small signal equations for the permanent and induced terms. This causes an ambiguity amoung three of the coefficients which can be resolved mathematically by resorting to large maneuvers. Flight test data exhibit a large amount of magnetic hysteresis and the magnetic anomality detector (MAD) equipped aircraft will not remain compensated from one flight to the next. This complicates the problem of resolving the dip angle ambiguity. Furthermore, significant differences exist in the compensation terms as determined from manual pilot maneuvers and the terms when the maneuvers are performed by the automatic pilot. This has been attributed to differences in altitude stability and the frequency content of the maneuvers. It was found that both optimal frequency filtering and altitude compensation can be used to improve the figure of merit (FOM) resulting from pilot maneuvers.     

A method for aircraft magnetic interference compensation based on small signal model and LMS algorithm

Aeromagnetic interference could not be compensated effectively if the precision of parameters which are solved by the aircraft magnetic field model is low. In order to improve the compensation effect under this condition, a method based on small signal model and least mean square（LMS） algorithm is proposed. According to the method, the initial values of adaptive filter＇s weight vector are calculated with the solved model parameters through small signal model at first,then the small amount of direction cosine and its derivative are set as the input of the filter, and the small amount of the interference is set as the filter＇s expected vector. After that, the aircraft magnetic interference is compensated by LMS algorithm. Finally, the method is verified by simulation and experiment. The result shows that the compensation effect can be improved obviously by the LMS algorithm when original solved parameters have low precision. The method can further improve the compensation effect even if the solved parameters have high precision.     

高超声速飞行器强鲁棒自适应控制器设计新方法

针对高超声速飞行器飞行过程系统参数大范围剧烈变化以及存在严重不确定性的特点,同时考虑外界环境干扰复杂,内部干扰严重的特殊问题,提出了一种新型强鲁棒自适应控制器构型。该新型强鲁棒自适应控制器将控制器分为标称控制器和补偿控制器。标称控制器可采用成熟的控制理论来设计,主要考虑闭环系统的性能;采用合适的手段估计系统参数大范围剧烈变化、系统的不确定性以及内、外部干扰等“系统扰动”作为补偿控制器的输入,通过设计强鲁棒补偿控制器对“系统扰动”进行补偿,使整个闭环控制系统对“系统扰动”具有强鲁棒性。将新型强鲁棒自适应控制器应用于高超声速飞行器的姿态控制系统的设计,大大提高了高超声速飞行器控制系统对内、外部干扰的抑制和对系统参数大范围剧烈变化以及严重不确定性的适应能力,可满足高超声速飞行器飞行控制的需求。     

强磁干扰环境下磁航向误差补偿技术研究

解决强磁环境下磁强计易受干扰的问题,能够提高微型姿态参照系统航向角测量精度。建立了磁强计误差两次补偿模型,首先采用椭圆坐标修正法对磁强计进行罗差补偿,以减小环境磁场的干扰;其次采用最小二乘拟合法对获得的磁航向角进行二次补偿,提高系统航向角测量精度。试验结果显示：系统航向角测量值的误差均方值由补偿前的3．982°降为补偿后的0．386°,精度提高近10．3倍,表明该补偿方法能够有效降低磁场环境的干扰,提高系统航向角测量精度。     

航班延误经济补偿的策略模型

在航空公司提供的各种航班延误经济补偿方式中,现金补偿是中国旅客最易接受的一种方式。然而由于目前航空公司缺乏科学合理的补偿策略,致使补偿措施迟迟得不到落实,导致航空公司支付的补偿费用很高,但对旅客的补偿效果却不好。分析了当前国内航空公司航班不正常的各种补偿方式的特点,重点分析了现金补偿的3种策略,并从兼顾航空公司和旅客双方利益的前提出发,在航空公司支付总补偿费用一定的条件下,以全部旅客的经济补偿效用最高为目标,构建出了3种策略的数学规划模型。通过对3个模型分别求解计算,比较了3种补偿策略的效果,确定了航班不正常时的最优补偿策略。     

高速再入飞行试验再入条件优化设计

飞行器返回再入时将经历极高的气动热环境,因此深空探测返回飞行器,尤其是载人飞船需要通过实际飞行试验验证相关性能,为降低成本和研制风险,通常采用大再入角和相对第二宇宙速度较低的再入速度进行飞行试验。为获得能实现高热流密度验证的最小能量再入任务方案,采用优化设计手段对飞行试验的再入角和速度以及倾侧角控制进行设计,经仿真分析表明,优化结果可达到飞行试验要求的热流密度,并可将再入速度需求降低约2．1 km／s。     

一种划定反舰导弹飞行航区的方法研究

考虑到反舰导弹试验与训练的安全性,引入反舰导弹飞行航区的定义.探讨了4个影响飞行航区划定因素:舰面干扰、风干扰、陀螺漂移干扰、导弹故障干扰,构建了反舰导弹干扰作用下的全弹道模型.进而以设定的导弹参数为例,划定飞行航区,通过与实际靶试对照,验证了该方案的合理性与优越性.     

Near Magnetic Field Investigation,Instrumentation, Spacecraft Magnetics and Data Access

The primary objective of the investigation is the search for a body-wide magnetic field of the near Earth asteroid Eros. The Near Earth Asteroid Rendezvous (NEAR) 3-axis fluxgate magnetometer includes a sensor mounted on the high-gain antenna feed structure. The NEAR Magnetic Facility Instrument (MFI) is a joint hardware effort between GSFC and APL. The design and magnetics approach achieved by the NEAR MFI effort entailed low-cost, up-front attention to engineering solutions which did not impact the schedule. The goal of the magnetometer is reliable magnetic field measurements within 5 nT, which necessitates the use of an extensive spacecraft magnetic interference model but is achievable with the full year's orbital data set. Such a goal has been shown viable with recent in-flight calibration data and comparisons to the WIND magnetometer data. The NEAR MFI effort has succeeded in providing magnetic field measurements for the first flight in NASA's Discovery line.