基于不变量逻辑关系的无人机载磁梯度张量系统姿态校正研究

无人机载磁梯度张量系统将成为航空磁测的重要发展方向之一，但无人机在飞行中动态稳定性差，使得姿态校正成为其系统研发的一个核心问题。常规方法是引入辅助系统直接测量姿态角，一方面辅助系统的功耗、重量、体积、磁干扰等因素阻碍着整个张量系统在无人机上的应用，另一方面校正效果受制于辅助系统的精度、响应速度、稳定性等诸多方面。本项目旨在挖掘磁张量数据自身的潜力，利用其不变量具有坐标变换不变性的特点以及合理设计探头阵列的结构，形成三维空间的逻辑关系。探索新的数据结构和运算法则以完成三维逻辑关系的组织、表达、运算，以及其结合磁梯度张量不变量的应用方法，最终揭示三维空间中多个不变量所构成的逻辑关系表达坐标系的机理，进而得出飞行过程中坐标系的变化关系，达到姿态校正的目的。本研究丰富运动平台下张量探测系统的姿态校正理论，使其无需辅助设备支撑，消除常规系统的一个瓶颈，为构建实用的高精度小型张量系统提供理论基础。

无人机载磁梯度张量系统在飞行中动态稳定性差，使得姿态校正成为其系统研发的一个核心问题。本项目旨在挖掘磁张量数据自身的潜力，利用其不变量具有坐标变换不变性的特点，反演出飞行器的姿态角，从而克服辅助装置的缺点，达到校正的目的。项目组首先推导了理想目标体在空间中的张量分布情况，以及不同探头阵列形成的张量表达式，确定各种探头结构的误差模型，形成研究不变量逻辑关系的理论基础。然后推导了不变量逻辑关系表达磁偶极子方位的公式，并对其产生的特殊的非球面误差进行校正，从而获得利用磁偶极子的不变量反演飞行器姿态的算法。项目组利用LabVIEW软件和飞行器3D可视化平台，仿真了实际飞行过程中的姿态变化，并通过仿真验证所提出的不变量反演飞行器姿态方法的正确性。为进行野外实验，项目组研制了带球形反馈线圈的磁通门张量仪，此设计使得磁通门工作在最佳的工作环境中，即零磁空间，大幅提高磁通门张量仪的测量精度。最后，项目组利用带球形反馈线圈的磁通门张量仪先后进行了无人机载的实验，获得张量信息和无人机噪声情况。发现无人机干扰大，且载重能力较弱。故又进行了滑翔机载的实际飞行实验，从而成功获得真实的飞行姿态信息。通过对比实际飞行姿态数据和仿真飞行数据，验证了计算机仿真算法的正确性，以及所提出的不变量获得姿态的方法的可行性。本项目研究成果对促进我国基于运动平台的磁梯度张量探测技术的发展具有积极意义。本项目的部分研究成果有2篇发表在国际知名杂志上，皆被SCI和EI同时检索，在国内相关领域杂志发表论文1篇，申请国家发明专利1项，培养研究生3名，达到预期研究成果要求。