CN102252674A - 水下地磁定位导航装置 - Google Patents

Abstract

一种新型的水下地磁定位和导航装置，本系统依托新型的MEMS谐振微磁传感器，以及低频磁通信技术进行母艇定位，利用母艇通过缆绳拖拽飞艇，从而对水下地磁场进行3分量测量，并求出总强度F，基于F所建立的曲面Spline模型和实际分布图，经过叠加后形成综合底图，再利用单点匹配、图像匹配(Homography Algorithm，Imaging Mosaic Algorithm)等方式进行匹配、定位、导航，最后通过视频输出。

Description

水下地磁定位导航装置

技术领域

本发明涉及水下地磁定位、磁通信、谐振式微磁传感器以及地磁模型等技术领域。

背景技术

水下定位对于导航、勘探，甚至国防军事都具重要的使用价值。目前常用的水下定位手段如GPS浮标-超声中继定位、GPS浮标-线缆定位、水下低频无线定位等手段，其中较为常用的GPS浮标-超声中继定位技术尽管定位精度较高，但是存在着超声信号易被发现问题的影响、难以进行潜艇定位和导航。近年来，有关水下定位导航的技术在世界各国都是研究的热点，Smith等于2009年12月申请了在变化环境中对于一系列设备进行准确定位和跟踪的专利(专利号：US7626545)，该系统利用一系列传感器进行测量，利用一个处理器通过接收到的测量信息进行定位。系统依赖高频率的处理器进行计算定位，精度较高，但需要高精度的传感器和定位仪器，导致成本较高。还存在其发出的低频无线信号易受干扰、产品成本高、测区范围有限等问题。Dorrance等利用在海底设置两套有声应答器对船只进行定位(专利号：US4110726)，每套仪器通过对询问信号进行声学测距并对信号进行识别，船的通信系统接收到包含声音传播延迟信息后，通过数据处理系统确定相对于两套仪器的船的位置。该套系统设计合理、定位相对准确，但是造价高昂、对环境要求较高。而本套装置利用了环氧树脂做仪器的外壳材料，同时应用了较为常用的电子仪器，大大降低了成本，并能较好地达到预期目标。

发明内容

针对当前水下定位技术的一些问题，我们利用地磁场进行定位导航。由于地磁场是地球的固有物理场，在任意一点都具有差异性和唯一性，因此完全可以通过对其进行测量、建模，并通过单点匹配、图像匹配进行定位、导航。本发明主要是提供一种基于水下地磁场进行定位导航的装置。利用地磁场这一自然源进行导航，属于被动式导航。由于是在水下进行操作，而水下环境有时会存在铁磁干扰(如母艇、沉船等)，因此必须在特定航道上消除或尽量抑制周围干扰，方可进行较为准确可靠的地磁定位导航。其技术方案是这样实现的：通过一种谐振式巨磁阻抗非晶丝传感器(组)固定在拖拽式水下飞艇的拖拽杆尾部进行测区的地磁场测量，该传感器能够测量测区地磁场的北向分量X，东向分量Y和垂直分量Z，其他4分量可通过转换公式计算得到，但是考虑到水中的漂浮和指北问题，因此通过3分量计算得到总强度F，基于此进行定位，该装置使用高精度的谐振式传感器(组)进行测量，若进行图像匹配，则利用4个传感器构成2×2的阵列式传感器组，进行小区域测量，并将实测数据通过数据线传到母艇的电脑上，飞艇上还装载了低频无线数据接收装置，考虑到可能会存在铁磁干扰，因此包括飞艇在内的大部份材料都是用了无磁性环氧树脂材料制成，并在飞行内各部分间用铝合金隔板进行格挡。在终端电脑上安置了无线数据接收模块，在飞艇航行时，利用低频磁通信技术(LFMC)进行定位，艇内的低频信号接收装置和岸上的低频信号发射塔进行实时定位，并利用飞艇尾部携带的谐振式微磁传感器进行实时测量，母艇上的电脑接受到现场磁测数据后，建立起测区曲面Spline模型，并绘制了测区地磁底图，结合飞艇进行海底地磁图板块的测量和数据融合，绘制成测区综合实际底图，将两种底图相叠加，形成了测区的综合底图。实际进行测区定位导航时，可分为单点匹配和图像匹配两种方法，单点匹配也称最优点匹配或最小距离匹配，通过设定一定值的容差在区域网格模型中选取最合适的匹配点，以此进行匹配；图像匹配是利用两种现较为成熟的匹配方法--Homography算法和ImagingMosaic算法完成，这两种方法各有特点，结合在一起使用，可提高局部图像匹配的准确度。经过算法匹配后，在飞艇上收到低频无线电定位信号，通过VC++程序在上位机即时地绘制出飞艇在综合底图上的运动轨迹，并实时进行视频输出。

所述的低频磁通信技术是一种简单可行的“无线”通信手段，非常适合某些近距离传输数据应用，具有穿透能力强，能够有限但精确的控制距离。运用低频设计技术，即可使用一般的运放、晶体管和其它积木块，电路的制作和检测也较容易。同时它还具有低功耗，低成本等优点。

所述的消除或尽量抑制水下铁磁干扰(母艇、沉船等)是为了减少对磁测数据的影响，而这些干扰主要来自于母艇发动机、艇壳和天然源(沉船、铁磁矿等)。母艇发动机、艇壳是潜艇所携带铁磁性物质，还包括内部的电子设备及电流，天然源主要来源于日间电离层、磁层及其感应层，还用洋流磁场的干扰。对于天然源的干扰，我们通过航道上多次的实验积累数据，参考周围地磁台的预报、以使外部干扰达到最小。洋流磁场强度很小，可忽略不计；我们将母艇本身的铁磁性物质可进行如消磁处理，延长拖拽光缆的长度，这样可大幅降低母艇对磁测的影响，在操作过程中，也可通过预先测量其磁场强度，通过差分而消除，这样可将外部干扰降到最低，大幅提高了地磁传感器测量数据的真实有效性，从而使定位导航的精度有所提高。

所述的谐振式微磁传感器是本专利的关键部件，其所使用的磁敏材料非晶丝是由Co基或/和Ni基或/和Fe基等材料为主添加其它一种或多种元素经特殊工艺加工而成的非晶丝，其直径可为1～200微米，其灵敏系数高达4000。所述的非晶丝磁敏材料在成为惠斯通电桥臂前采用PDMS灌封胶、环氧树脂灌封胶或其它相似材料进行固封，形成一种嵌入式结构。该材料根据不同测量要求，可以固封成薄膜、长方体、立方体、球体等各种形状。该非晶丝磁敏材料可以设计成单根丝、相交的双丝、网状平面结构、网状二维结构、网状立体结构等多种结构形式。通过多种形式的组合，该非晶丝材料可以检测拉、压、弯、剪切、扭转等应力变形。

所述的水下拖拽式飞艇是一种带低频无线定位装置和地磁测量装置的水下仪器，其形状与飞弹类似，飞艇通过约50米长的缆绳与母艇相连接，艇身两侧有一对水平舵翼，尾部有一个垂直尾翼，机械转动装置控制航行的方向和姿态，母艇(如潜艇)可对飞艇进行远距离遥控操作，并可进行直线、圆弧形水下航行，飞艇所获得的定位信息和磁测信息可通过数据线传向母艇上的电脑中。

所述的曲面Spline模型，其特点是其基于过点插值的方法建模并绘图，它能表达了地磁场的所有内源场部分，包含了许多地表浅层的异常信息，所以绘制的图形其等值线较为弯曲，在局部区域会出现若干正负异常，造成该现象的另一原因是实测点的数目及分布情况，不同的测点数及其分布状态，通过Spline模型会产生不同的分布图。因此通过均匀、高精度地对测区进行测量，所建立的Spline模型能够较为真实地反映测区磁场空间分布情况。

曲面Spline模型的表达式如下所示：

$W=a_0+a_{1}x+a_{2}y+\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{F}_i{r}_i^2\ln (r_i^2+\mathrm{\ϵ})$

$\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{F}_i=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{F}_i=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i{F}_i=0$

其中，W是任意地磁分量；x是纬度，y是经度；r_i ²＝(x_i-x)²+(y_i-y)²；N是测点数；a₀、a₁、a₂和F_i是需求系数；ε是控制表面曲率变化的小量，为1×10^-7，共有N+3个系数。地磁场的强度单位：纳特(nT)，角度单位：角度(°)。

所述的单点匹配，由于在水中存在水流、浮力等影响，因此根据测点3地磁分量(X、Y、Z)测量值并利用转换公式获得总强度F，通过设定一个容错值，按照实测值的F分量和模型F分量值进行测点匹配识别，在一些未测区域，采用Spline方法进行外插作为测量值。最后会有一个容错区域，凡是满足该容错区域的背景实测点中选取离实测点距离最近且数值最为接近的点进行匹配，这就是最近距离判断和最优点匹配方法，通过该方法定位，经多次试验，准确率较高。该方法的前提是在容错域中的数据点要尽可能少，这样就便于判断和选择。当数据点较多时，该方法就容易出错。

所述的Homography算法和Imaging Mosaic算法，其中Homography算法(HomographyAlgorithm)，它是以图像的几何变换关系进行校准匹配；另一种是图像匹配(Imaging MosaicAlgorithm)，它对前后两幅图像的相同区域对比后，根据图像中特征点的匹配来实现定位导航。较适宜应用于地磁定位匹配。Homography算法的采用减小了图像匹配时对场景的依赖，线性几何的变换可以使大为降低图像匹配的运算量，为实时匹配奠定了基础。本课题组提出图像镶嵌的算法则可以简化绘制参考图像的约束条件。这种算法的采用可以使得探测器在很短的时间内在探测区域自动测绘参考图。在战争或者非常时期自动绘制地磁参考图将为我们提供非常大的帮助。图像匹配首先通过测量阵列数据以及曲面Spline模型建立其局部模型图，将其与测区综合底图相比对，分别利用homography和图像匹配两种方法进行定位匹配，最后输出区域位置信息。

本发明与现有技术相比，具有以下显著特点和积极效果：

1.本发明使用了谐振式微磁传感器结合水下拖拽式飞艇进行水下测量，具有灵敏度高、反应快、精度高、稳定性好、抗冲击能力强的特点；

2.利用曲面Spline模型建立水下区域模型，该方法能较为真实地反映航道测区内的地磁场真实分布情况；

3.利用单点匹配和图像匹配两种方式进行定位；

4利用低频磁通信技术进行飞艇定位。

附图说明

图1为水下地磁定位导航装置的整体结构示意图；

图2为水下定位导航的低频无线定位接收装置的结构示意图；

图3为主机电路板原理框图；

图4为上位机分析软件功能框图。

具体实施方式

本专利主要分为三部分：数据采集，模型建立和匹配定位导航。附图1为水下地磁定位导航装置的整体结构。飞艇外壳主要有环氧树脂制成，1为谐振式微磁传感器，它被密封包装在铝壳中，2为拖拽杆，也是由环氧树脂做成，3为飞艇尾舵翼，它和7水平尾翼一起控制飞艇运行方向和姿态，它们受到舵翼控制器5控制，4为低频无线定位接收线圈，6为牵引环，它可通过缆绳以连接飞艇和母艇。飞艇通过约50m长的缆绳拖拽在母艇后，通过低频磁通信接收装置进行定位，同时将采集到的地磁数据通过数据线传到母艇，从而结合综合地图进行定位导航。

图2为水下定位导航的低频无线定位接收装置的结构示意图。在接受设备8接收到无线低频信号后，将其传送到前置放大器9进行信号放大，同时通过低通滤波器10将高频信号都过滤掉，再利用A/D转换器11将模拟信号转换为数字信号，最后将数字信号传入处理芯片12进行数字信号处理，并同外围设备13如FLASH等相连接。

图3为无线数传电路板原理框图，其中14为RS485-光缆接口，用以实现远距离信号传输，同时也能实现飞艇与母舰的数据通信，15为GPS接口，采集GPS数据实现对磁场数据和航向角的补偿和矫正，16为SD卡的接口，用于实时对所测地磁场数据进行存储，图17为微磁传感器接口，用于连接谐振式微磁传感器，并传输3分量数据，18为无线传输接口，用于实现数据的无线传输，19为电源电路部分，实现整个系统的电源管理，20为内部时钟，为系统提供准确的及时、定时功能，辅助SD存储文件等工作，21为USB接口，用以实现地磁场数据的高速传输。在系统整体启动后，19开始工作，首先进行参数初始化，接着利用1进行地磁数据采集，利用14采集数据，同时利用15进行辅助定位，接口17收到数据后，通过数据线将数据传到ARM处理器中进行数据预处理(筛选等)，同时20开始工作，并将处理后的数据通过16进行存储，再通过18进行无线传输到电脑，或直接利用21进行快速数据存储，为下一步的匹配工作做准备。

图4为上位机分析软件功能框图，主要将实测地磁数据22传到电脑中，进行数据检测23，将其中一些异常的数据进行剔除等操作，接着将检测后的数据存在数据库内24，基于若干个已测数据建立测区的曲面Spline模型25，并绘制出测区高分辨率的地磁底图，在利用上位机软件进行图像融合26，将地磁底图和测区实际低频无线电地图进行图像叠加，形成综合底图，接着就涉及匹配和导航的工作。利用小飞艇在实际航行过程中所测的任意点3分量数据传输到母舰计算机中，利用单点匹配与综合底图中的左右数据点进行匹配，还可组成阵列式传感器组进行小区域测量并绘图，将局部图形和整体综合底图进行图像匹配27，以实现较好的匹配定位，最后相匹配好的图像，利用识别软件在上位机视频输出定位轨迹图28，同时由于已经建立了综合底图，通过预设下一个目标位置的总强度信息以进行测区导航29。

以上所述，仅是本发明的较佳实施方式，不应被视为对本发明范围的限制，而且本发明所主张的权利要求范围并不局限于此，凡熟悉此领域技艺的人士，依照本发明所披露的技术内容，可轻易思及的等效变化，均应落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种水下地磁定位和导航装置，该装置由拖拽式水下飞艇、谐振式微磁传感器、无线数传电路板、低频磁通信数据收发装置、上位机、下位机软件构成。其特征在于：本发明主要是提供一种基于水下地磁场进行定位导航的装置。利用地磁场这一自然源进行导航，属于被动式导航。由于是在水下进行操作，而水下环境有时会存在铁磁干扰(如母艇、沉船等)，因此必须在特定航道上消除或尽量抑制周围干扰，方可进行较为准确可靠的地磁定位导航。其技术方案是这样实现的：通过一种谐振式巨磁阻抗非晶丝传感器(组)固定在拖拽式水下飞艇的拖拽杆尾部进行测区的地磁场测量，该传感器能够测量测区地磁场的北向分量X，东向分量Y和垂直分量Z，其他4分量可通过转换公式计算得到，但是考虑到水中的漂浮和指北问题，因此通过3分量计算得到总强度F，基于此进行定位，该装置使用高精度的谐振式传感器(组)进行测量，若进行图像匹配，则利用4个传感器构成2×2的阵列式传感器组，进行小区域测量，并将实测数据通过数据线传到母艇的电脑上，飞艇上还装载了低频无线数据接收装置，考虑到可能会存在铁磁干扰，因此包括飞艇在内的大部份材料都是用了无磁性环氧树脂材料制成，并在飞行内各部分间用铝合金隔板进行格挡。在终端电脑上安置了无线数据接收模块，在飞艇航行时，利用低频磁通信技术(LFMC)进行定位，艇内的低频信号接收装置和岸上的低频信号发射塔进行实时定位，并利用飞艇尾部携带的磁传感器实时测量，母艇上的电脑接受到现场磁测数据后，建立了测区曲面Spline模型，并绘制了测区地磁底图，结合飞艇进行海底地磁图板块的测量和数据融合，绘制成测区综合实际底图，将两种底图相叠加，形成了测区的综合底图。实际进行测区定位导航时，可分为单点匹配和图像匹配两种方法，单点匹配也称最优点匹配或最小距离匹配，通过设定一定值的容差在区域网格模型中选取最合适的测点，以此进行匹配；图像匹配是利用两种现较为成熟的匹配方法--Homography算法和Imaging Mosaic算法完成，这两种方法各有特点，结合在一起使用，可提高局部图像匹配的准确度。经过算法匹配后，在飞艇上收到低频无线电定位信号，通过VC++程序在上位机即时地绘制出飞艇在综合底图上的运动轨迹，并进行实时视频输出。

2.权利要求1所述的水下地磁定位和导航装置仪，其特征在于：所述的低频磁通信技术是一种简单可行“无线”通信手段，非常适合某些近距离传输数据应用，具有穿透能力强，能够有限但精确的控制距离。运用低频设计技术，即可使用一般的运放、晶体管和其它积木块，电路的制作和检测也较容易。同时它还具有低功耗，低成本等优点。

3.权利要求1所述的水下地磁定位和导航装置，其特征在于：消除或尽量抑制水下铁磁干扰(母艇、沉船等)是为了减少对磁测数据的影响，而这些干扰主要来自于母艇发动机、艇壳和天然源(沉船、铁磁矿等)。母艇发动机、艇壳是潜艇所携带铁磁性物质，还包括内部的电子设备及电流，天然源主要来源于日间电离层、磁层及其感应层，还用洋流磁场的干扰。对于天然源的干扰，我们通过航道上多次的实验积累数据，参考周围地磁台的预报、以使外部干扰达到最小。洋流磁场强度很小，可忽略不计；我们将母艇本身的铁磁性物质可进行如消磁处理，延长拖拽光缆的长度，这样可大幅降低母艇对磁测的影响，在操作过程中，也可通过预先测量其磁场强度，通过差分而消除，这样可将外部干扰降到最低，大幅提高了地磁传感器测量数据的真实有效性，从而使定位导航的精度有所提高。

4.权利要求1所述的水下地磁定位和导航装置，其特征在于：所述的谐振式微磁传感器是本专利的关键部件，其所使用的磁敏材料非晶丝是由Co基或/和Ni基或/和Fe基等材料为主添加其它一种或多种元素经特殊工艺加工而成的非晶丝，其直径可为1～200微米，其灵敏系数高达4000。所述的非晶丝磁敏材料在成为惠斯通电桥臂前采用PDMS灌封胶、环氧树脂灌封胶或其它相似材料进行固封，形成一种嵌入式结构。该材料根据不同测量要求，可以固封成薄膜、长方体、立方体、球体等各种形状。该非晶丝磁敏材料可以设计成单根丝、相交的双丝、网状平面结构、网状二维结构、网状立体结构等多种结构形式。通过多种形式的组合，该非晶丝材料可以检测拉、压、弯、剪切、扭转等应力变形。

5.权利要求1所述的水下地磁定位和导航装置，其特征在于：水下拖拽式飞艇是一种带低频无线定位装置和地磁测量装置的水下仪器，其形状与飞弹类似，飞艇通过约50米长的缆绳与母艇相连接，艇身两侧有一对水平舵翼，尾部有一个垂直尾翼，机械转动装置控制航行的方向和姿态，母艇(如潜艇)可对飞艇进行远距离遥控操作，并可进行直线、圆弧形水下航行，飞艇所获得的定位信息和磁测信息可通过数据线传向母艇上的电脑中。

6.权利要求1所述的水下地磁定位和导航装置，其特征在于：曲面Spline模型，其特点是其基于过点插值的方法建模并绘图，它能表达了地磁场的所有内源场部分，包含了许多地表浅层的异常信息，所以绘制的图形其等值线较为弯曲，在局部区域会出现若干正负异常，造成该现象的另一原因是实测点的数目及分布情况，不同的测点数及其分布状态，通过Spline模型会产生不同的分布图。因此通过均匀、高精度地对测区进行测量，所建立的Spline模型能够较为真实地反映测区磁场空间分布情况。首先需建立Spline模型并绘制测区的整体地磁底图。通过实时测量地磁数据，分别利用传感器单点测量，也利用基于阵列式传感器进行测量，传感器呈2×2矩阵分布，因此每测一次就会有4组数据，然后通过模型实时绘制局部图形，基于测区实际分布形成综合底图后，再分别利用单点匹配或图像匹配进行定位导航。

7.权利要求1所述的水下地磁定位和导航装置，其特征在于：单点匹配，是根据测点5个地磁分量测量值以及地磁场7分量的差异性和容错性，分别按照Z分量、F分量、H分量、Y分量和X分量的顺序进行测点匹配识别，在一些不曾测到的区域，采用Spline方法进行外插作为测量值。最后会有一个绝对值±10nT的容错区域，凡是满足该容错区域的背景实测点中选取离实测点距离最近且数值最为接近的点进行匹配，这就是最近距离判断和最优点匹配方法，通过该方法定位，经多次试验，准确率较高。该方法的前提是在容错域中的数据点要尽可能少，这样就便于判断和选择。当数据点较多时，该方法就容易出错。

8.权利要求1所述的水下地磁定位和导航装置，其特征在于：Homography算法和ImagingMosaic算法，其中Homography算法是以图像的几何变换关系进行校准匹配；ImagingMosaic算法是对前后两幅图像的相同区域对比后，根据图像中特征点的匹配来实现定位导航。较适宜应用于地磁定位匹配。Homography算法的采用减小了图像匹配时对场景的依赖，线性几何的变换可以使大为降低图像匹配的运算量，为实时匹配奠定了基础。本课题组提出图像镶嵌的算法则可以简化绘制参考图像的约束条件。这种算法的采用可以使得探测器在很短的时间内在探测区域自动测绘参考图。在战争或者非常时期自动绘制地磁参考图将为我们提供非常大的帮助。图像匹配首先通过测量阵列数据以及曲面Spline模型建立其局部模型图，将其与测区综合底图相比对，分别利用Homography和Imaging Mosaic匹配两种方法进行定位匹配，最后输出区域位置信息。

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