基于门控循环单元的飞机磁罗盘误差校准方法与流程
本发明涉及罗盘校准，尤其涉及基于门控循环单元的飞机磁罗盘误差校准方法。
背景技术：
1、磁罗盘是一种利用地磁场来测量载体方向的装置。与传统导航设备相比，磁罗盘具有体积小、重量轻、无误差累积、能够自动寻北等诸多优点，且具有价格优势，广泛应用航空、航海等领域。但由于磁罗盘使用载体的局部地磁场易受到各种铁磁、电磁的影响而产生畸变，以及磁罗盘安装结构、电子线路的差异，从而致使根据磁罗盘测量出来的方向与实际方向之间存在误差，从而影响载体导航的方向测量。因此，对磁罗盘定期进行精度校准，对于保障载体导航安全具有重要意义。
2、程玮玮等人在2019年5月25日于《计算机测量与控制》期刊发表的论文《多旋翼无人机磁罗盘校准方法》中通过详细分析无人机磁罗盘误差产生的原因，并结合多旋翼应用，将磁罗盘干扰划分为机体坐标系静态干扰、机体坐标系动态干扰、导航坐标系静态干扰、导航坐标系动态干扰四大类，针对机体坐标系动态干扰，结合多旋翼应用背景，通过事先逐个测试电机在不同转速指令下产生的干扰磁场，拟合出对应关系式，在动态飞行过程中，根据每个电机的控制指令求得其产生的干扰磁场，叠加后即为合成的动态干扰磁场，将磁罗盘原始数据减去合成的动态干扰磁场，即可得到准确的磁场数据。该方法忽略了静态测试与动态飞行的环境差异，易导致测试数据不准确，进一步，所采用的数据拟合方式，易受异常数据的影响，导致拟合曲线偏离真实情况，另外数据拟合模型的选用，对拟合结果也会造成较大差异，从而影响磁罗盘误差校准的准确性。
3、因此，如何提高飞机磁罗盘的校准效率和校准精度，是导航领域需要解决的难点问题。
技术实现思路
1、为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供了基于门控循环单元的飞机磁罗盘误差校准方法，以提高飞机磁罗盘地面校准的校准效率。
2、为实现上述目的，本发明公开的基于门控循环单元的飞机磁罗盘误差校准方法，包括以下步骤：
3、（s1）建立包括输入层、隐藏层和输出层的基于门控循环单元设计循环神经网络预测模型，该模型用于预测罗盘误差并进行校准；
4、（s2）采用校准装置测量飞机磁罗盘的误差数据，获得预测模型的输入层样本数据；所述校准装置包括基准磁罗盘、定位传感器和误差数据计算单元，其中基准磁罗盘设置在飞机纵轴的机头方向，两个所述定位传感器分别沿飞机纵轴线设置在飞机的机头和机尾两端；在磁罗盘校正场牵引飞机原地旋转，在旋转过程中，所述基准磁罗盘的指向数据、定位传感器的定位数据传输至所述误差数据计算单元；所述误差数据计算单元以所述基准磁罗盘的指向为真磁北方向，在数字地图上按顺时针方向计算飞机的真实磁方位角，并与机载磁罗盘的指示角度进行对比，获得各旋转周同一真实磁方位角的误差数据，并作为所述预测模型输入层的输入样本数据；
5、（s3）误差预测：隐藏层以所述输入样本为数据，采用循环神经网络法预测误差并将其输出至输出层， t时刻的预测误差满足关系式：
6、；
7、其中，表示（ t-1）时刻的预测误差，表示为：
8、；
9、其中，表示为：
10、；
11、上式中，为sigmoid激活函数，为双曲正切激活函数，、为门控循环单元的连接权重，、表示为门控循环单元的偏置，、表示门控循环单元的输入样本数据；
12、（s4）将所述循环神经网络预测模型输出的预测误差作为校准数据，对飞机罗盘进行校准。
13、优选地，所述门控循环单元的损失函数为均方误差函数，表示为：
14、；
15、其中， n表示磁罗盘误差样本个数，表示第 i个磁罗盘误差的真实值，表示第 i个罗盘误差的预测值。
16、优选地，所述磁罗盘校正场为表面光滑平坦的圆形或多边形非磁性材料制成的场地，其上方0.5米~1.5米并以校正场中心为圆心，以80米为半径的圆柱形空域内，测量任何两点间的地球磁场水平分量方向的磁方位角误差不大于0.2°。
17、优选地，所述基准磁罗盘的校准标准是磁方位角误差不大于0.5°。
18、优选地，所述定位传感器在飞机上的设置方法为：在飞机纵轴线的首尾两端各悬挂一个铅锤，所述定位传感器的定位信号接收天线设置在飞机纵轴的首尾两端，并且其位置与所述铅锤在同一垂直平面内。
19、本发明具有以下有益效果：
20、（1）提高了磁罗盘校准效率
21、目前实施的磁罗盘校准方法，通常是按一定角度间隔，采用牵引飞机旋转的方式，将飞机纵轴精确对准每个待校准方位角，依次测量各待校准方位角时飞机磁罗盘实测磁方位角与真实磁方位角的误差。这种校准方式操作难度较大，校准时间长，校准效率低。而在本发明所公开的技术方案中，基于门控循环单元设计循环神经网络预测模型，用于预测磁罗盘误差并进行校准设置，将磁罗盘的误差数据作为预测模型的输入样本数据，采用循环神经网络预测提高误差数据的准确性，通过设置基准磁罗盘、定位传感器等，牵引飞机旋转多周，采用数据处理的方式获得机载磁罗盘的误差数据样本，基于预测模型获得磁罗盘预测误差，进行磁罗盘校准。简化了牵引飞机过程，缩短了罗盘校准时间。进一步提高了磁罗盘校准效率。
22、（2）减少了校准环节
23、目前实施的磁罗盘校准方法，校准环节比较多且过程繁琐，在校准过程的牵引环节中，由于飞机的惯性，很难一次牵引就能完成一个待校准角度位置对准，经常会出现牵引车停车过早或过晚的现象，每个位置的牵引过程都非常繁琐。而在本发明所公开的技术方案中，只需要牵引飞机旋转多周，旋转过程中间不需要停车对准，即可完成所有待校准角度的牵引过程，后续的校准环节只需要通过对采集传感器定位数据进行数据处理就可获得机载磁罗盘的误差数据样本，即采用数据处理过程替代机械过程，避免了现有校准方法中复杂、高难度的牵引过程，从而大幅减少了校准环节，简单易操作。因此，相对于现有技术来说，本发明所公开的技术方案，减少了校准环节，大幅降低了校准难度。
24、（3）校准精度高
25、在现有技术中，对机载磁罗盘的误差校准，通常是采用地面测量的方式获得磁罗盘误差数据，再进行校准。这种校准方式所获得的误差数据仅代表了当前或之前的磁罗盘误差，不能代表磁罗盘的未来工作状态。而在本发明所公开的技术方案中，基于门控循环单元设计循环神经网络预测模型，通过采集磁罗盘的误差样本数据，预测磁罗盘误差，以达到与磁罗盘的未来工作状态更贴合的目的。因此，与现有技术相比，本发明所公开的技术方案，提高了磁罗盘的校准精度。
技术特征：
1.基于门控循环单元的飞机磁罗盘误差校准方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于门控循环单元的飞机磁罗盘误差校准方法，其特征在于，所述门控循环单元的损失函数为均方误差函数，表示为：
3.根据权利要求2所述的基于门控循环单元的飞机磁罗盘误差校准方法，其特征在于，所述磁罗盘校正场为表面光滑平坦的圆形或多边形非磁性材料制成的场地，其上方0.5米~1.5米并以校正场中心为圆心，以80米为半径的圆柱形空域内，测量任何两点间的地球磁场水平分量方向的磁方位角误差不大于0.2°。
4.根据权利要求2所述的基于门控循环单元的飞机磁罗盘误差校准方法，其特征在于，所述基准磁罗盘的校准标准是磁方位角误差不大于0.5°。
5.根据权利要求2所述的基于门控循环单元的飞机磁罗盘误差校准方法，其特征在于，所述定位传感器在飞机上的设置方法为：在飞机纵轴线的首尾两端各悬挂一个铅锤，所述定位传感器的定位信号接收天线设置在飞机纵轴的首尾两端，并且其位置与所述铅锤在同一垂直平面内。
技术总结
本发明公开了基于门控循环单元的飞机磁罗盘误差校准方法，涉及罗盘校准技术领域。在该方法中，基于门控循环单元设计循环神经网络预测模型，用于预测磁罗盘误差并进行校准，该模型包括输入层、基于门控循环单元的隐藏层和输出层；采用校准装置测量飞机磁罗盘的误差数据，获得所述预测模型的输入层样本数据，校准装置包括基于无线WiFi网络可相互交换数据的基准磁罗盘、定位传感器和误差数据计算单元；以所述输入样本为数据，采用循环神经网络法预测磁罗盘误差并将其输出至输出层，对飞机磁罗盘进行校准。与现有技术相比，本发明减少了校准环节，提高了校准效率。
技术研发人员：孙甜甜,牛文斌,刘晓阳,吴晨
受保护的技术使用者：烟台初心航空科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23