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基于模型数据混合驱动的干扰磁场补偿方法

张德慧,  张金生,  李婷,  马啸宇,  廖守亿,  倪静,  魏豪

张德慧,张金生,李婷,等. 基于模型数据混合驱动的干扰磁场补偿方法[J]. 北京航空航天大学学报,2026,52(9):3202-3210
引用本文: 张德慧,张金生,李婷,等. 基于模型数据混合驱动的干扰磁场补偿方法[J]. 北京航空航天大学学报,2026,52(9):3202-3210
Zhang D H,Zhang J S,Li T,et al. An interference magnetic field compensation method based on a model-data hybrid drive[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2026,52(9):3202-3210 (in Chinese)
Citation: Zhang D H,Zhang J S,Li T,et al. An interference magnetic field compensation method based on a model-data hybrid drive[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2026,52(9):3202-3210 (in Chinese)

基于模型数据混合驱动的干扰磁场补偿方法

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2025.0141
基金项目: 

国家自然科学基金(62473377);陕西省自然科学基础研究计划(2024JC-YBQN-0657);飞行器数字敏捷设计全国重点实验室基金(KFJJ-2024-I-03-05)

详细信息
    通讯作者:

    E-mail:772108312@qq.com

  • 中图分类号: V249.32;TP183;P318

An interference magnetic field compensation method based on a model-data hybrid drive

Funds: 

National Natural Science Foundation of China (62473377); Natural Science Basic Research Program of Shaanxi (2024JC-YBQN-0657); The National Key Laboratory of Digital and Agile Aircraft Design (KFJJ-2024-I-03-05)

More Information
  • 摘要:

    载体自身干扰磁场的精确补偿是提升地磁导航精度的关键挑战。针对传统补偿方法受限于线性假设和难以适应复杂场景的泛化需求等问题,提出2种基于模型数据混合驱动的磁干扰协同补偿方案。在预处理阶段,采用主成分分析方法对数据进行降维处理,并利用物理模型所求补偿参数对神经网络进行初始化处理;方案一通过分析传统补偿模型的缺陷,利用神经网络求解补偿参数,打破传统模型求解范式并预防可能存在的复共线问题,同时,在干扰磁场中引入随机因子项模拟非线性较强的随机干扰磁场;方案二通过构造损失函数联动数据驱动与模型驱动,将磁场特征的高效提取与干扰场的物理约束深度耦合。实验结果表明:所提方法较纯模型和纯数据补偿方法具有补偿精度高、泛化能力强等优点,在不同高度、不同地域进行泛化能力测试的最高补偿精度分别提高了69.64%和69.39%,验证了所提方法的有效性。

     

  • 图 1  载体坐标系

    Figure 1.  Carrier coordinate system

    图 2  BP神经网络

    Figure 2.  BP neural network

    图 3  方案一训练过程

    Figure 3.  Training process of scheme one

    图 4  方案二训练过程

    Figure 4.  Training process of scheme two

    图 5  神经网络的训练过程

    Figure 5.  The training process of neural networks

    图 6  不同激活函数的对比曲线

    Figure 6.  Comparative curves of different activation functions

    图 7  不同方案的补偿效果

    Figure 7.  The compensatory effects of different schemes

    图 8  不同航线泛化能力测试结果

    Figure 8.  Test results of generalization ability for different routes

    表  1  2种方案的共同网络参数设置

    Table  1.   Common network parameter settings for the two schemes

    模型输入学习率批量大小迭代次数L1正则化系数L2正则化系数激活函数优化器
    45个特征0.000 11283000.000 010.000 001Swish(·)函数Adam
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    表  2  不同航线数据解读

    Table  2.   Interpretation of data for different routes

    航线编号描述
    1003.02安大略省东部400 m高度自由飞行
    1003.04安大略省东部800 m高度自由飞行
    1003.08伦弗鲁省400 m高度自由飞行
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    表  3  神经网络的输入、标签信息描述

    Table  3.   Description of input and label information for neural networks

    特征量描述
    mag_4_iuc4号标量磁力计未经补偿的磁异常数据
    flux_b_x磁通门B的X轴方向的磁场大小
    flux_b_y磁通门B的Y轴方向的磁场大小
    flux_b_z磁通门B的Z轴方向的磁场大小
    cur_strb频闪灯的电流传感器
    cur_ac_hi空调风扇高速的电流传感器
    cur_heat惯性导航系统加热器的电流传感器
    vol_bat_1电池1的电压传感器
    vol_block模块的电压传感器
    mag_1_ic1号标量磁力计经补偿后的磁异常数据
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    表  4  不同方案的补偿能力对比

    Table  4.   Comparison of compensation capabilities of different schemes

    方案RMSE/nTR2
    岭回归33.9440.985 83
    神经网络9.3010.998 82
    方案一6.8710.999 36
    方案二7.3130.999 27
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    表  5  不同方案的泛化能力对比

    Table  5.   Comparison of generalization capabilities of different schemes

    方案 RMSE/nT R2
    1003.02航线 1003.04航线 1003.08航线 1003.02航线 1003.04航线 1003.08航线
    岭回归 86.490 73.191 133.078 0.834 9 0.811 4 −0.836 4
    神经网络未初始化 14.561 31.465 31.153 0.995 7 0.963 4 0.895 3
    神经网络初始化 10.849 13.302 16.574 0.997 6 0.993 5 0.970 4
    方案一 9.796 9.552 9.536 0.998 0 0.996 6 0.990 2
    方案二 9.746 9.761 10.304 0.998 3 0.996 5 0.988 5
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出版历程
  • 收稿日期:  2025-03-20
  • 录用日期:  2025-05-27
  • 网络出版日期:  2025-07-01
  • 整期出版日期:  2026-09-01

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