基于FlightGear的航磁數(shù)據(jù)仿真平臺

竇振家， 孫宇慧， 胡 凱， 韓 琦

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 哈爾濱 150001)

0 引 言

航空磁探是指利用搭載于飛機平臺上的磁力儀對地磁場進行測量，并期望從磁力儀輸出信號中檢測出感興趣的目標(biāo)磁場信號，在磁法勘探、磁力反潛、地質(zhì)研究等領(lǐng)域有著極高應(yīng)用價值。然而，機載磁力儀輸出信號中不僅包括地磁場和感興趣的目標(biāo)磁場信號，還包括飛機自身產(chǎn)生的磁干擾。并且，飛機產(chǎn)生的磁干擾通常與感興趣的目標(biāo)磁場信號形成頻帶重疊，無法直接采用傳統(tǒng)濾波方法對其予以去除，因此通常需要所謂的航磁干擾補償技術(shù)[1]。另外，為了從磁力儀輸出信號中提取感興趣的目標(biāo)磁場信號，通常需要相應(yīng)的航磁異常檢測算法[2]。不難看出，航磁干擾補償算法和航磁異常檢測算法是實現(xiàn)航磁探測設(shè)計應(yīng)用目標(biāo)的前提。

為了研究航磁干擾補償算法和航磁異常檢測算法，顯然需要高質(zhì)量的航磁探測數(shù)據(jù)。然而，實際中獲取航磁探測數(shù)據(jù)的經(jīng)濟成本較高，并且由于受到磁力儀安裝、機載電磁環(huán)境等航磁探測系統(tǒng)外部因素的影響，采集到的航磁數(shù)據(jù)質(zhì)量參差不齊[3]，直接利用這些數(shù)據(jù)對航磁干擾補償和航磁異常檢測算法進行驗證可能會得出錯誤結(jié)論。再者，在算法研究與改進過程中，必須充分掌握測試方法的前提假設(shè)以及測試數(shù)據(jù)的特征屬性，因此通常需要暫時屏蔽或排除其它無關(guān)因素所帶來的干擾。眾所周知，利用計算機進行數(shù)字仿真便能夠做到對各種實驗條件和環(huán)境要素的控制與調(diào)整，即可以利用計算機仿真生成機載磁力儀的輸出數(shù)據(jù)。

另一方面，機載磁力儀輸出信號中飛機產(chǎn)生的磁干擾和地磁場均與飛機飛行過程中的姿態(tài)、位置信息高度相關(guān)，因此，為了仿真機載磁力儀的輸出數(shù)據(jù)必須事先得到可靠、可信的飛機飛行姿態(tài)和位置數(shù)據(jù)，而這可以通過模擬飛行軟件來完成。鑒于開源模擬飛行軟件FlightGear[4]已經(jīng)在航空工業(yè)界和學(xué)術(shù)界得到充分認(rèn)可和廣泛引用，本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于FlightGear的航磁數(shù)據(jù)仿真平臺。

1 數(shù)字仿真平臺的總體設(shè)計

航磁數(shù)據(jù)仿真平臺的總體架構(gòu)如圖 1所示，主要由2部分構(gòu)成：上層是飛行仿真子系統(tǒng)，下層是干擾磁場仿真子系統(tǒng)。其中，飛行仿真子系統(tǒng)用于生成飛機飛行過程中的姿態(tài)和位置數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)將用于干擾磁場仿真子系統(tǒng)計算飛機平臺產(chǎn)生的磁干擾和地磁場。干擾磁場仿真子系統(tǒng)輸出的磁場數(shù)據(jù)包括標(biāo)量形式和矢量形式2種，這2種磁場數(shù)據(jù)最終將用于測試驗證航磁干擾補償算法和航磁異常檢測算法。

圖1 航磁數(shù)據(jù)仿真平臺的總體架構(gòu)

Fig.1Thearchitectureoftheaeromagneticdatasimulationplatform

2 飛行仿真子系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

飛行仿真子系統(tǒng)的核心模塊是開源模擬飛行軟件FlightGear。Flightgear是航空工業(yè)界和學(xué)術(shù)界應(yīng)用最為廣泛的飛行動力學(xué)引擎，主要包括動力學(xué)系統(tǒng)、飛行器模塊、時間系統(tǒng)、視景系統(tǒng)、音效系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、坐標(biāo)系系統(tǒng)、平顯分系統(tǒng)、日志分系統(tǒng)等。

在航磁數(shù)據(jù)仿真平臺中利用FlightGear生成的飛機姿態(tài)位置數(shù)據(jù)具體包括飛機飛行期間的航向角、俯仰角、橫滾角、經(jīng)度、緯度和海拔高度。為此，如圖 1所示，需要制定仿真計劃，包括設(shè)置飛機初始位置、初始姿態(tài)、飛行環(huán)境、飛行速度、飛行軌跡及飛機型號等。

當(dāng)前時刻的飛行姿態(tài)位置等狀態(tài)信息首先將被輸入到自適應(yīng)控制模塊中，并根據(jù)環(huán)境參數(shù)處理模塊輸出的環(huán)境參數(shù)對其輔以自適應(yīng)調(diào)整，隨后將被發(fā)送到FlightGear輸入/輸出接口中進行打包，而打包后的數(shù)據(jù)則被發(fā)送到FlightGear仿真引擎中。該引擎將根據(jù)當(dāng)前時刻的飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)計算下一時刻飛機的飛行狀態(tài)，并將其返回到FlightGear輸入/輸出模塊，該模塊將負(fù)責(zé)對飛機的飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)進行拆包，同時將全部狀態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到環(huán)境參數(shù)處理模塊中，而將其中的飛機姿態(tài)位置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到干擾磁場仿真子系統(tǒng)中。

這里環(huán)境參數(shù)處理模塊的作用是根據(jù)當(dāng)前飛機飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)更新飛行環(huán)境參數(shù)，如風(fēng)速、氣壓等，再將相應(yīng)結(jié)果輸入到自適應(yīng)控制模塊中。

3 干擾磁場仿真子系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

干擾磁場仿真子系統(tǒng)主要包括地磁場仿真子系統(tǒng)和飛機平臺磁干擾仿真子系統(tǒng)，其中飛機平臺磁干擾仿真子系統(tǒng)需要的輸入數(shù)據(jù)除飛機姿態(tài)位置及飛機型號外，還需要地磁場數(shù)據(jù)，因此本節(jié)首先將探討地磁場的仿真方法。

3.1 地磁場仿真

地球及靠近地面的空間中存在的磁場統(tǒng)稱地磁場，而地磁場強度、地磁傾角和地磁偏角統(tǒng)稱為“地磁三要素”[5]。為了仿真飛機產(chǎn)生的磁干擾，必須事先知道地磁三要素，為此航磁數(shù)據(jù)仿真平臺采用了WMM2015模型。

世界地磁場模型(World Magnetic Model，WMM)是受北大西洋公約組織等軍事機構(gòu)所托，由美國國家海洋與大氣管理局國家地球物理數(shù)據(jù)中心和英國地質(zhì)勘查局共同研制的12階球諧模型。該模型報告每五年由美英聯(lián)合發(fā)布一次，對舊模型系數(shù)和其它指標(biāo)等相關(guān)要素進行更新和說明，是當(dāng)前地磁研究領(lǐng)域最為權(quán)威的地磁模型。WMM2015是迄至目前的最新模型，有效期為2015年1月1日到2020年1月1日。航磁數(shù)據(jù)仿真平臺利用WMM2015模型生成飛機飛行過程中的地磁場數(shù)據(jù)，只要輸入時間、經(jīng)度、緯度和高度信息便能利用該模型計算出相應(yīng)的地磁三要素。

3.2 飛機平臺磁干擾仿真

根據(jù)文獻[1]可知，飛機平臺產(chǎn)生的磁干擾分為恒定磁場、感應(yīng)磁場和渦流磁場3種類型，只要分別對這3種類型干擾磁場進行仿真，最后將所得結(jié)果相加便能得到飛機產(chǎn)生的磁干擾。研究內(nèi)容可分述如下。

3.2.1 恒定磁場的仿真

恒定磁場主要由飛機上的硬磁物質(zhì)產(chǎn)生且不隨飛機的機動變化而變化。為了模擬恒定場的產(chǎn)生，可使用磁偶極子陣列模型，即將飛機上所有硬鐵材料細(xì)分成磁偶極子的有序陣列。

(1)

其三分量形式表示為：

(2)

因此恒定磁場在磁力儀探頭處的磁場強度為：

(3)

3.2.2 感應(yīng)磁場的仿真

感應(yīng)場由飛機的軟鐵材料構(gòu)成，隨地磁場的變化而變化，與地磁場的方向一致。

為了模擬感應(yīng)場生成，將其抽象成在飛機上一根根忽略橫截面積的軟鐵桿，飛機的感應(yīng)場由軟鐵桿產(chǎn)生。每一根軟鐵桿在該點處產(chǎn)生的場強大小由公式(4)計算得到，即：

(4)

3.2.3 渦流磁場的仿真

在飛機蒙皮、骨架處會等效成一個個線圈，而地磁場會緩慢變化，就造成通過蒙皮和骨架處的磁通量發(fā)生變化，從而產(chǎn)生渦流電流，并且該電流會不斷變化，由此形成渦流磁場。渦流場產(chǎn)生機理釋義則如圖 2所示。

圖2 渦流磁場產(chǎn)生機理

通過線圈內(nèi)部的磁通量φ(Wb)可用式(5)計算得到：

φ=πr2μμ0H0

(5)

其中，μ為空氣的磁導(dǎo)率，且μ≈1；μ0為真空磁導(dǎo)率，且μ0=4π×10-7H/m；H0為地磁場強度。

由于線圈匝與匝之間是互相串聯(lián)的，整個線圈的總電動勢是各匝所產(chǎn)生的電動勢之和，即：

(6)

因此,t時刻所產(chǎn)生的感應(yīng)電流為：

(7)

其中，I(t)代表全電流，即位移電流與傳導(dǎo)電流之和。則單位長度內(nèi)的電流為：

(8)

也就是，在長度dl內(nèi)共有電流ιdl。這時的電動勢均為感生電動勢，產(chǎn)生的電流為渦旋電流，電流可近似看作是連續(xù)地沿環(huán)向分布的。取線圈軸線為X軸，取其離參考點M較近的一端O為原點，M點與O點的距離為x，則在M點處產(chǎn)生的磁感應(yīng)場強度都是沿著軸線方向的，數(shù)值大小為：

(9)

利用式(9)便可以計算出沿笛卡爾坐標(biāo)系3個軸向上的渦流磁場強度。

對仿真得出的恒定磁場、感應(yīng)磁場以及渦流磁場進行矢量疊加便可以得到飛機平臺產(chǎn)生的磁干擾，而將其進一步與仿真出的地磁場疊加就可以得到仿真的機載磁力儀輸出數(shù)據(jù)。

4 測試結(jié)果與分析

利用該新型航磁數(shù)字仿真平臺所生成的總場數(shù)據(jù)以及磁場三分量數(shù)據(jù)依次如圖 3和圖 4所示。從圖中可以看出，總場波形和磁場三分量信號波形與實際航磁探測數(shù)據(jù)的波形十分接近。

圖3 仿真生成的總場數(shù)據(jù)

圖4 仿真生成的磁場三分量信號

5 結(jié)束語

本文設(shè)計并實現(xiàn)的航磁數(shù)字仿真平臺對于航磁干擾補償與航磁異常信號檢測算法的研究具有十分重要的價值和意義，該平臺首先降低了航磁數(shù)據(jù)的獲取成本，其次該數(shù)字仿真平臺具有極高的靈活性，通過調(diào)整和控制某些因素有助于對航磁干擾補償和航磁異常算法的深入理解與研究改進。