一种航磁补偿校准质量的自动评估方法及装置与流程

1.本发明涉及航磁补偿校准质量的评估技术，可应用于自动化计算对校准圈航磁补偿效果的评估指标，属于航空磁补偿领域。


背景技术：

2.航空磁补偿是一种旨在减少飞机在地球磁场中飞行时产生的磁干扰的技术。通过分析航空平台自身磁干扰的类型和性质，建立航空平台磁干扰数学模型，然后在校准飞行过程中按照规定的方法测得磁总场及三分量数据，并将其用来解算航空平台磁干扰数学模型的系数。用于解算补偿模型系数的数据来自于fom校准圈，一个完整的fom校准圈包括四个正交方向，在每个方向上航空平台进行三种机动，分别是俯仰、横滚和偏航。fom是一种用于衡量补偿算法能力的指标，定义为四个方向所有机动对应的补偿后结果的峰峰值之和。但是当前的fom计算过程需要人工操作来识别各方向的机动，而这项工作往往需要耗费大量时间并且限制了fom的自动化应用。因此需要在计算fom的过程中自动化的识别各方向的机动，以达到航磁补偿校准质量的自动评估。


技术实现要素：

3.本发明的目的是为了解决当前fom计算过程需要人工操作来识别各方向的机动，不仅费时，而且限制了fom的自动化应用的问题，提供一种航磁补偿校准质量的自动评估方法及装置。
4.本发明所述的一种航磁补偿校准质量的自动评估方法包括：
5.根据公式得到平飞圈聚类中心为c
s
的聚类数据其中，m表示平飞圈所包含的航向数量，d
s
表示航向s的采样数据的聚类，n
s
表示d
s
所包含的采样点的数量，为d
s
中第i个采样点对应的数据；；
6.将平飞圈d
s
中远离聚类中心的转弯数据删除，得到平飞圈不同航向的有效的聚类数据其中，l
s
和r
s
分别表示航向s两端被删除的采样点的数量；
7.根据公式得到平飞圈每个航向对应的高斯混合模型，其中，p(b
s
|g
s
)表示高斯混合密度，b
s
中的元素表示空间直角坐标系下x、y和z三分量磁场特征的组合，x表示平行于平台横轴的方向，y表示平行于平台纵轴的方向，z表示垂直于水平面的方向，g
s
表示高斯模型参数，其中，是航向s中满足约束的混合权重，k表示高斯分
布的数目，和分别是航向s的第j个高斯分布的均值和协方差矩阵；
8.根据公式得到fom校准圈聚类中心为c
s
的聚类数据
9.将fom校准圈d
s
中远离聚类中心的转弯数据删除，得到fom校准圈不同航向的有效的聚类数据
10.根据公式计算后验概率
11.将满足的数据作为校准圈不同航向的机动数据，其中，t
h
为预设的阈值；
12.计算得到的机动数据的峰峰值之和，以此作为该校准圈的补偿效果评估指标fom的值。
13.可选地，其中，表示航向s第i个采样点对应的地磁场h的标量形式，表示航向s第i个采样点对应的航向角，表示航向s第i个采样点对应的地磁场倾角。
14.可选地，所述高斯混合模型参数g
s
通过em算法估计得到。
15.可选地，不同航向、不同采样点对应的的值相等，不同航向、不同采样点对应的地磁场倾角的值相等。
16.本发明所述的一种航磁补偿校准质量的自动评估装置，包括：
17.第一聚类模块，其配置成根据公式得到平飞圈聚类中心为c
s
的聚类数据其中，m表示平飞圈所包含的航向数量，d
s
表示航向s的采样数据的聚类，n
s
表示d
s
所包含的采样点的数量，为d
s
中第i个采样点对应的数据；
18.第一删除模块，其配置成将平飞圈d
s
中远离聚类中心的转弯数据删除，得到平飞圈不同航向的有效的聚类数据其中，l
s
和r
s
分别表示航向s两端被删除的采样点的数量；
19.高斯混合模型获得模块，其配置成根据公式得到平飞圈每个航向对应的高斯混合模型，其中，p(b
s
|g
s
)表示高斯混合密度，b
s
中的元素表示空间直角坐标系下x、y和z三分量磁场特征的组合，x表示平行于平台横轴的方向，y表示平行于平台纵轴的方向，z表示垂直于水平面的方向，g
s
表示高斯模型参数，其中，是航向s中满足约束的混合权重，k表示高斯分布的数目，和分别是航向s的第j个高斯分布的均值和协方差矩阵；
20.第二聚类模块，其配置成根据公式得到fom校准圈聚类中心为c
s
的聚类数据
21.第二删除模块，其配置成将fom校准圈d
s
中远离聚类中心的转弯数据删除，得到fom校准圈不同航向的有效的聚类数据
22.后验概率计算模块，其配置成根据公式计算后验概率
23.比较模块，其配置成将满足的数据作为校准圈不同航向的机动数据，其中，t
h
为预设的阈值；和
24.fom计算模块，其配置成计算得到的机动数据的峰峰值之和，以此作为该校准圈的补偿效果评估指标fom的值。
25.可选地，所述第一聚类模块中，其中，表示航向s第i个采样点对应的地磁场h的标量形式，表示航向s第i个采样点对应的航向角，表示航向s第i个采样点对应的地磁场倾角。
26.可选地，所述高斯混合模型参数g
s
通过em算法估计得到。
27.可选地，不同航向、不同采样点对应的的值相等，不同航向、不同采样点对应的地磁场倾角的值相等。
28.本发明的一种航磁补偿校准质量的自动评估方法及装置，根据航空平台平飞状态数据的特点，利用高斯混合模型(gaussian mixture model，gmm)模型识别出航空平台在各个航向处于平飞状态的数据段，进而得到航空平台在各个航向处于机动状态的数据段，并根据机动状态的数据计算评价校准圈补偿效果的指标fom，实现航磁补偿校准质量的自动评估。
附图说明
29.图1为具体实施方式所述的一种航磁补偿校准质量的自动评估方法的原理框图；
30.图2为具体实施方式所述的一种航磁补偿校准质量的自动评估方法的示意性流程图；
31.图3为具体实施方式所述的一种航磁补偿校准质量的自动评估装置的结构示意图。
具体实施方式
32.本实施方式提供了一种航磁补偿校准质量的自动评估方法，所述方法一般性地可以包括：
33.步骤s1、根据公式得到平飞圈聚类中心为c
s
的聚类数据其中，a
i
是三分量磁力仪输出的全部x和y分量，是通过k
‑
means算法得到的航向s的每类数据，表示航向s第i个采样点对应的地磁场h的标量形式，表示航向s第i个采样点对应的航向角，表示航向s第i个采样点对应的地磁场倾角，m表示平飞圈所包含的航向数量，对于标准的飞行圈，m＝4，如果飞行圈包含多个航向，则m等于平飞圈实际包含的航向数量；
34.d
s
表示航向s的采样数据的聚类，n
s
表示d
s
所包含的采样点的数量，为d
s
中第i个采样点对应的数据；
35.c
s
是k
‑
means算法得到是聚类中心，k
‑
means算法是优化d是全部s个聚类的集合；
36.步骤s2、将平飞圈d
s
中远离聚类中心的转弯数据删除，得到平飞圈不同航向的有效的聚类数据其中，l
s
和r
s
分别表示航向s两端被删除的采样点的数量，删除的具体方法为：设定一个欧拉距离的阈值，将距离c
s
的欧拉距离超过阈值的数据删除；
37.步骤s3、根据公式得到平飞圈每个航向对应的高斯混合模型，其中，p(b
s
|g
s
)表示高斯混合密度，b
s
中的元素表示空间直角坐标系下三分量磁力仪输出的x、y和z三分量磁场特征的组合，x表示平行于平台横轴的方向，y表示平行于平台纵轴的方向，z表示垂直于水平面的方向，g
s
表示高斯模型参数，根据公式构造似然函数，利用em算法估计g
s
，是航向s中满足约束的混合权重，k表示高斯分布的数目，和分别是航向s的第j个高斯分布的均值和协方差矩阵；需要注意的是，平飞圈所包含的航向数量通常情况下是四个，但某些情况下也可能不是四个，上述步骤s3的目的是得到平飞圈每个航向对应的高斯混合模型，只要得到的所有高斯混合模型对应的航向中包含要计算的fom机动圈中包含的航向，就可以根据已有的高斯混合模型计算所有后验概率得知fom机动圈中某航向(这里也再应用一遍聚类算法分离不同航向数据)对应哪个高斯混合模型，进而确定该航向对应的平飞部分，然后确定机动部分；
38.步骤s4、根据公式得到fom校准圈聚类中心为c
s
的聚类数据
39.步骤s5、将fom校准圈d
s
中远离聚类中心的转弯数据删除，得到fom校准圈不同航向的有效的聚类数据
40.步骤s6、根据公式计算后验概率步骤s6的目的是为了计算属于哪个高斯混合模型，这里的指是fom机动圈(也称fom校准圈)某方向的磁场
数据；
41.步骤s7、将满足的数据作为校准圈不同航向的机动数据，其中，t
h
为预设的阈值；
42.步骤s8、计算得到的机动数据的峰峰值之和，以此作为该校准圈的补偿效果评估指标fom的值。
43.作为本发明的优选实施例，不同航向、不同采样点对应的的值相等，不同航向、不同采样点对应的地磁场倾角的值相等。
44.本实施方式所述的一种航磁补偿校准质量的自动评估方法，其原理如下：
45.磁力仪传感器测得的矢量磁场是地磁场在航空平台的三个主轴上的投影。将平行于平台横轴的分量记为x，平行于平台纵轴的分量记为y，垂直于水平面的分量为z。地磁场h的倾角记录为φ，航向角为θ，定义为从北到y
‑
轴的角度。因此，总场的三个分量可以表示为：
[0046][0047]
其中h是由总场磁力仪测得的数据，h可以近似看成是三分量磁力仪测量的x、y、z三个方向磁场数据的矢量和，h是h的标量形式。
[0048]
对于具有n个采样点的数据集，使用a
i
＝(x
i
,y
i
)
t
(i＝1,2,
…
,n)表示x和y分量的集合。根据公式(1)，可以得到a
i
＝h
i cosφ
i
(sinθ
i
,cosθ
i
)
t
。
[0049]
假设机动圈依次沿北、东、南、西四个航向，则四个不同航向对应的(sinθ
i
,cosθ
i
)会聚集成为四个部分。由于飞行区域是有限的，可以将h和φ视为常数。因此，a
i
在某一航向的变化范围也很小。可以使用聚类方法区分不同的航向对应的数据，如k
‑
means算法。
[0050]
假设航向s包含n
s
个采样点，对应的磁场分量为聚类中心可以表示为：
[0051][0052]
其中，d
s
表示航向s的采样数据的聚类，该聚类包含n
s
个采样点，为d
s
中第i个采样点对应的数据。
[0053]
根据每个采样数据到聚类中心的欧拉距离迭代计算直到聚类中心不再改变。最后，将远离聚类中心的转弯数据删除，得到代表不同航向的采样数据的聚类，对应的磁场特征为其中l
s
和r
s
是被去除的采样点的个数。
[0054]
在校准飞行期间，航空平台在每个航向执行三组机动(横滚、俯仰、偏航)，机动会引起磁力仪输出信号的变化。当航空平台在执行机动动作时对应的数据比较分散，而在平飞时数据分布非常集中。因此，假如知道平飞时的数据分布，就可以间接地识别出机动。可以使用高斯混合模型拟合平飞时的数据分布，机动的识别原理如图1所示。
[0055]
为了更准确地描述机动数据特征，同时考虑z分量，并将三分量的组合(x
i
,y
i
,z
i
)
t
记为对于航向s的三分量磁场特征，其高斯混合密度表
示为：
[0056][0057]
其中，k是一个常数，表示高斯分布的数目。和分别是航向s的第j个高斯分布的均值和协方差矩阵，w
j
是满足约束的混合权重。航向s的平飞数据对应的高斯混合模型参数可以使用em算法估计得到。
[0058]
使用训练好的gmm模型可以识别出航空平台在各个航向处于平飞的数据段。
[0059]
航向s对应的平飞数据段的后验概率符合如下决策函数：
[0060][0061]
假设所有航向的先验概率(即p(g
s
))相等(即fom机动圈的每个航向出现的概率是相等的)，磁场均匀分布，则p(g
s
)和可以视为常数，决策函数可以简化为：
[0062][0063]
对于校准飞行的每个航向，飞机处于平飞时的数据通常满足
[0064][0065]
其中t
h
为接近0的很小的常数。根据上述过程，校准飞行的各个航向中的机动部分都可以被自动的识别出来。
[0066]
综上，本实施方式的方法首先得到机动圈的每个航向中的机动段；由总场磁力仪得到总场，将得到的机动段对应到总场上，得到校准圈的补偿效果评估指标fom的值。
[0067]
采用本实施方式所述的一种航磁补偿校准质量的自动评估方法进行航磁补偿校准质量自动评估具体包括以下步骤：
[0068]
第一步，在飞机上安装三分量磁力仪和总场磁力仪；
[0069]
第二步，使飞机在四个正交方向(如北、东、南、西)完成平飞；
[0070]
第三步，根据公式(2)得到平飞圈聚类中心为c
s
的聚类数据将远离聚类中心的转弯数据删掉，得到平飞圈不同航向的有效的聚类数据
[0071]
第四步，根据公式(3)得到平飞圈四个航向对应的高斯混合模型，模型参数为
[0072]
第五步，使飞机在四个正交方向(如北、东、南、西)完成fom校准圈飞行；
[0073]
第六步，根据公式(2)得到fom校准圈聚类中心为c
s
的聚类数据将远离聚类中心的转弯数据去掉得到fom校准圈不同航向的有效的聚类数据
[0074]
第七步，根据公式(5)计算后验概率将与预设的阈值t
h
做比较，大于阈值t
h
的所对应的数据为校准圈的平飞数据，剩余数据即为校准圈的机
动数据；
[0075]
第八步，计算上一步得到的机动数据的峰峰值之和，以此作为该校准圈的磁补偿校准质量的评估指标fom的值。
[0076]
本实施方式提供了一种航磁补偿校准质量的自动评估装置，如图3所示，所述装置一般性地可以包括：
[0077]
第一聚类模块1，其配置成根据公式得到平飞圈聚类中心为c
s
的聚类数据其中，m表示平飞圈所包含的航向数量，d
s
表示航向s的采样数据的聚类，n
s
表示d
s
所包含的采样点的数量，为d
s
中第i个采样点对应的数据；
[0078]
第一删除模块2，其配置成将平飞圈d
s
中远离聚类中心的转弯数据删除，得到平飞圈不同航向的有效的聚类数据其中，l
s
和r
s
分别表示航向s两端被删除的采样点的数量；
[0079]
高斯混合模型获得模块3，其配置成根据公式得到平飞圈每个航向对应的高斯混合模型，其中，p(b
s
|g
s
)表示高斯混合密度，b
s
中的元素表示空间直角坐标系下x、y和z三分量磁场特征的组合，x表示平行于平台横轴的方向，y表示平行于平台纵轴的方向，z表示垂直于水平面的方向，g
s
表示高斯模型参数，其中，是航向s中满足约束的混合权重，k表示高斯分布的数目，和分别是航向s的第j个高斯分布的均值和协方差矩阵；
[0080]
第二聚类模块4，其配置成根据公式得到fom校准圈聚类中心为c
s
的聚类数据
[0081]
第二删除模块5，其配置成将fom校准圈d
s
中远离聚类中心的转弯数据删除，得到fom校准圈不同航向的有效的聚类数据
[0082]
后验概率计算模块6，其配置成根据公式计算后验概率
[0083]
比较模块7，其配置成将满足的数据作为校准圈不同航向的机动数据，其中，t
h
为预设的阈值；和
[0084]
fom计算模块8，其配置成计算得到的机动数据的峰峰值之和，以此作为该校准圈的补偿效果评估指标fom的值。
[0085]
作为本发明的优选实施例，所述第一聚类模块中，其中，表示航向s第i个采样点对应的地磁场h的标量形式，表示航向s第i个采样点对应
的航向角，表示航向s第i个采样点对应的地磁场倾角。
[0086]
作为本发明的优选实施例，所述高斯混合模型参数g
s
通过em算法估计得到。
[0087]
作为本发明的优选实施例，不同航向、不同采样点对应的的值相等，不同航向、不同采样点对应的地磁场倾角的值相等。
[0088]
本实施方式的航磁补偿校准质量的自动评估装置能够实现本实施方式的航磁补偿校准质量的自动评估方法的步骤，其原理与本实施方式的航磁补偿校准质量的自动评估方法相同，在此不再赘述。
[0089]
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本申请实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、获取其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(dsl))或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，dvd)、或者半导体介质(例如固态硬盘solid state disk(ssd))等。
[0090]
专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
[0091]
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令处理器完成，所述的程序可以存储于计算机可读存储介质中，所述存储介质是非短暂性(英文：non
‑
transitory)介质，例如随机存取存储器，只读存储器，快闪存储器，硬盘，固态硬盘，磁带(英文：magnetic tape)，软盘(英文：floppy disk)，光盘(英文：optical disc)及其任意组合。
[0092]
以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种航磁补偿校准质量的自动评估方法，其特征在于，包括：根据公式得到平飞圈聚类中心为c
s
的聚类数据其中，m表示平飞圈所包含的航向数量，d
s
表示航向s的采样数据的聚类，n
s
表示d
s
所包含的采样点的数量，为d
s
中第i个采样点对应的数据；将平飞圈d
s
中远离聚类中心的转弯数据删除，得到平飞圈不同航向的有效的聚类数据其中，l
s
和r
s
分别表示航向s两端被删除的采样点的数量；根据公式得到平飞圈每个航向对应的高斯混合模型，其中，p(b
s
|g
s
)表示高斯混合密度，b
s
中的元素表示空间直角坐标系下x、y和z三分量磁场特征的组合，x表示平行于平台横轴的方向，y表示平行于平台纵轴的方向，z表示垂直于水平面的方向，g
s
表示高斯模型参数，其中，是航向s中满足约束的混合权重，k表示高斯分布的数目，和分别是航向s的第j个高斯分布的均值和协方差矩阵；根据公式得到fom校准圈聚类中心为c
s
的聚类数据将fom校准圈d
s
中远离聚类中心的转弯数据删除，得到fom校准圈不同航向的有效的聚类数据根据公式计算后验概率将满足的数据作为校准圈不同航向的机动数据，其中，t
h
为预设的阈值；计算得到的机动数据的峰峰值之和，以此作为该校准圈的补偿效果评估指标fom的值。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中，表示航向s第i个采样点对应的地磁场h的标量形式，表示航向s第i个采样点对应的航向角，表示航向s第i个采样点对应的地磁场倾角。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高斯混合模型参数g
s
通过em算法估计得到。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，不同航向、不同采样点对应的的值相等，不同航向、不同采样点对应的地磁场倾角的值相等。5.一种航磁补偿校准质量的自动评估装置，其特征在于，包括：第一聚类模块，其配置成根据公式得到平飞圈聚类中心为c
s
的聚类数据其中，m表示平飞圈所包含的航向数量，d
s
表示航向s的采样
数据的聚类，n
s
表示d
s
所包含的采样点的数量，为d
s
中第i个采样点对应的数据；第一删除模块，其配置成将平飞圈d
s
中远离聚类中心的转弯数据删除，得到平飞圈不同航向的有效的聚类数据其中，l
s
和r
s
分别表示航向s两端被删除的采样点的数量；高斯混合模型获得模块，其配置成根据公式得到平飞圈每个航向对应的高斯混合模型，其中，p(b
s
|g
s
)表示高斯混合密度，b
s
中的元素表示空间直角坐标系下x、y和z三分量磁场特征的组合，x表示平行于平台横轴的方向，y表示平行于平台纵轴的方向，z表示垂直于水平面的方向，g
s
表示高斯模型参数，其中，是航向s中满足约束的混合权重，k表示高斯分布的数目，和分别是航向s的第j个高斯分布的均值和协方差矩阵；第二聚类模块，其配置成根据公式得到fom校准圈聚类中心为c
s
的聚类数据第二删除模块，其配置成将fom校准圈d
s
中远离聚类中心的转弯数据删除，得到fom校准圈不同航向的有效的聚类数据后验概率计算模块，其配置成根据公式计算后验概率p(b
is
|g
s
)；比较模块，其配置成将满足的数据作为校准圈不同航向的机动数据，其中，t
h
为预设的阈值；fom计算模块，其配置成计算得到的机动数据的峰峰值之和，以此作为该校准圈的补偿效果评估指标fom的值。6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第一聚类模块中，其中，表示航向s第i个采样点对应的地磁场h的标量形式，表示航向s第i个采样点对应的航向角，表示航向s第i个采样点对应的地磁场倾角。7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述高斯混合模型参数g
s
通过em算法估计得到。8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，不同航向、不同采样点对应的的值相等，不同航向、不同采样点对应的地磁场倾角的值相等。
技术总结
一种航磁补偿校准质量的自动评估方法及装置，涉及航磁补偿领域。目的是为了解决当前FOM计算过程需要人工操作来识别各方向的机动，不仅费时，而且限制了FOM的自动化应用的问题。所述方法包括：获得平飞圈聚类数据；将所述聚类数据中的转弯处的数据删除；建立平飞圈各航向的高斯混合模型；获得FOM校准圈聚类数据；将所述聚类数据中的转弯处的数据删除；计算FOM校准圈数据的后验概率；将后验概率与预设阈值做比较，筛选出机动数据，根据机动数据计算校准圈的补偿效果评估指标FOM的值。所述装置包括：第一聚类模块、第一删除模块、训练模块、第二聚类模块、第二删除模块、后验概率计算模块、比较模块和FOM计算模块。比较模块和FOM计算模块。比较模块和FOM计算模块。


技术研发人员：韩琦 王艺臻 李尤 李琼 王莘
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：2021.02.28
技术公布日：2021/6/29