CN102445201A - 用于水下载体的地磁异常特征点匹配导航方法 - Google Patents

Abstract

用于水下载体的地磁异常特征点匹配导航方法，属于水下导航技术领域。它解决了现有技术中无法根据地磁场信息判断水下载体的位置的问题。所述方法为：获得水下载体当前位置的目标磁矩矢量和水下载体当前位置至目标磁性源的相对位置矢量；构建水下目标磁性源的地图；结合水下载体绝对位置，进行坐标转换，获得该地图的地理坐标；计算本次采样时刻水下载体在所述地图中的位置，以及所述采样时刻水下载体的地理坐标；更新目标磁性源的位置；更新水下目标磁性源的地图；重量上述相关过程，完成对水下载体的匹配导航。本发明适用于对水下载体的导航。

Description

用于水下载体的地磁异常特征点匹配导航方法

技术领域

本发明涉及一种用于水下载体的地磁异常特征点匹配导航方法，属于水下导航技术领域。

背景技术

利用地磁进行导航由来已久。从四千多年前的指南车，到公元十二世纪简单的船用罗经，再到如今地磁指向在军用飞机、导弹制导和海洋船只等方面得到的广泛应用。除了简单的指向功能，地磁指向还可用来确定载体位置，这种应用，已在小卫星定轨和导弹制导方面得到了广泛和深入的研究。但地磁定位在水下载体中还没有得到应用，主要是由于水下地磁场强度随时间和空间变化，且易受干扰。同时水下地磁场由于具有频带宽(由高频部分的几十甚至几万Hz到长期变化的几十年周期)，动态范围大(低到0.001nT，高达几百nT(nT为纳特斯拉(nanoteslas)的缩写，是电磁场中的一种单位，与其他单位T换算关系为：1T＝1000mT＝1000000μT＝1000000000nT)的特点，使得当前地磁还未成熟用于水下载体导航。

如中国专利《一种基于多尺度估计的地磁辅助导航算法》，公开号为CN101354252，公开日为20090128，利用实测地磁信息与地磁图匹配导航，考虑到地磁信息的变化，将地磁图进行多尺度的分解，滤除噪声后进行匹配。

但地磁图匹配的方法不适用于水下，主要是随着测量高度的增加，磁异常幅度会迅速减小，测量点距离磁源的高度超过一定值时，磁异常将消失在背景磁场中。而有效的地磁图通常由卫星探测完成，全球地磁模型所用磁测资料平均测量高度为400km，只能描述探测面的地磁规律，不能描述海底所有地质变化和铁磁性物体产生的空间磁异常。载体在水下航行时，地磁分量的测量值中除了有地磁模型描述的地磁特征，还有一些无法预测的磁异常影响。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中无法根据地磁场信息判断水下载体的位置的问题，提供一种用于水下载体的地磁异常特征点匹配导航方法。

本发明所述用于水下载体的地磁异常特征点匹配导航方法，它包括以下步骤：

步骤一：采用水下载体上设置的磁力仪测量获得载体当前位置的地磁场分量，根据已知地磁图分离出产生的地磁异常，经计算，获得水下载体当前位置的目标磁矩矢量和水下载体当前位置至目标磁性源的相对位置矢量；

步骤二：根据步骤一中获得的目标磁矩矢量和相对位置矢量，构建水下目标磁性源的地图；

步骤三：将步骤二中构建的水下目标磁性源的地图，结合水下载体绝对位置，进行坐标转换，获得该地图的地理坐标；

步骤四：进行下一次采样，根据磁力仪采集获得的载体当前位置的地磁场分量，计算本次采样时刻水下载体在所述地图中的位置，以及所述采样时刻水下载体的地理坐标；

步骤五：根据步骤四中计算获得的水下载体的地理坐标，更新目标磁性源的位置；

步骤六：根据步骤五中获得的目标磁性源的位置，更新水下目标磁性源的地图；

步骤七：重复步骤四至步骤六，完成对水下载体的匹配导航。

所述步骤一中磁力仪测量获得载体当前位置的地磁场分量的X轴地磁场分量为Hx、Y轴地磁场分量为Hy、Z轴地磁场分量为Hz，

设定目标磁性源的中心点为X轴、Y轴及Z轴的原点，则测量点p(x，y，z)处的地磁场分量用公式表示为：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{Hx}\\ \mathrm{Hy}\\ \mathrm{Hz}\end{array}\right]=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}{r}^5}\left[\begin{array}{ccc}3x^2-r^2& 3\mathrm{xy}& 3\mathrm{xz}\\ 3\mathrm{xy}& 3y^2-r^2& 3\mathrm{yz}\\ 3\mathrm{zx}& 3\mathrm{yz}& 3z^2-r^2\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}\mathrm{Mx}\\ \mathrm{My}\\ \mathrm{Mz}\end{array}\right],---\left(1\right)$

式中μ₀为介质磁导率，r为载体当前位置到目标磁性源的相对位移，x为载体当前位置的X轴坐标值，y为载体当前位置的Y轴坐标值，z为载体当前位置的Z轴坐标值，Mx为目标磁性源在载体当前位置的X轴磁矩分量、My为目标磁性源在载体当前位置的Y轴磁矩分量、Mz为目标磁性源在载体当前位置的Z轴磁矩分量，

将上式表示成矢量形式：

$\stackrel{\→}{H}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}}[\frac{3(\stackrel{\→}{m}\·\stackrel{\→}{r})\stackrel{\→}{r}}{r^5}-\frac{\stackrel{\→}{m}}{r^3}],---\left(2\right)$

上式中，

为Hx、Hy和Hz的矢量表示形式，

为x，y，z的矢量表示形式，为Mx，My，Mz的矢量表示形式，

磁力仪的测量值表示为：

$\stackrel{\→}{H}(\stackrel{\→}{m},\stackrel{\→}{r})={\stackrel{\→}{H}}_{\mathrm{object}}+{\stackrel{\→}{H}}_{\mathrm{earth}},$

为目标磁性源的地磁场，

为地磁的背景磁场，

根据已知地磁图获取，

设置磁力仪的采样间隔时间，使水下载体在航行的过程中，磁力仪相对于一个目标磁性源进行N次采样，获得水下载体在N次采样时刻的地磁场分量

N为大于6的整数，获得非线性超定方程组：

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\→}{H}\left(1\right)=\stackrel{\→}{H}(\stackrel{\→}{m},\stackrel{\→}{r})\\ \stackrel{\→}{H}\left(2\right)=\stackrel{\→}{H}(\stackrel{\→}{m},\stackrel{\→}{r}+\mathrm{\Δ}{\stackrel{\→}{r}}_2)\\ ...\\ \stackrel{\→}{H}\left(N\right)=\stackrel{\→}{H}(\stackrel{\→}{m},\stackrel{\→}{r}+\mathrm{\Δ}{\stackrel{\→}{r}}_N)\end{array}\right.,---\left(3\right)$

由上式计算获得磁力仪第一次采样时目标磁性源在载体当前位置的磁矩矢量

和载体当前位置到目标磁性源的相对位移矢量

是磁力仪的第一个采样点到采样点2，3，...，N的位移矢量，通过惯性导航系统测量获得。

所述步骤二中构建水下目标磁性源的地图的方法为：根据磁力仪第一次采样时目标磁性源在载体当前位置的磁矩矢量

和载体当前位置到目标磁性源的相对位移矢量

计算获得水下载体相对目标磁性源的中心点的坐标值p(x，y，z)，构建水下目标磁性源的地图。

所述步骤三中获得目标磁性源的地图的方法为：根据步骤二中构建水下目标磁性源的地图，与水下载体在航行初始时刻由惯性导航系统输出的载体绝对位置，进行坐标转换，获得水下目标磁性源的地图的地理坐标。

所述步骤四中计算相应时刻水下载体的地理坐标的具体方法为：由磁力仪采集获得的载体当前位置的此次地磁场分量，通过所述非线性超定方程组计算当前水下载体相对所述地图的相对位置，再进行坐标转换，获得当前水下载体的地理坐标。

本发明的优点是：本发明利用地球背景磁场中的地磁异常，对地磁异常进行测量然后对目标磁性源进行反演，之后，构建水下目标磁性源的地图，这种导航方法，使地磁定位技术在水下载体的定位上得到了应用。在水下载体的导航过程中，先建立局部地图，构建地图的同时，实现对水下载体的定位，继续航行的过程中，逐步完善地图，实现对水下载体的全程导航。这将为水下载体的导肮系统提供很高的精度，还会大大增加载体在水下的连续航行时间，保证了水下载体的陷蔽性，为水下导航技术开辟了一条新途径，将水下载体的自主航行能力提高到更高水平。使用于GPS失效或遭到破坏的特殊情况下，将成为简便可靠的定位导航系统。

附图说明

图1为本发明的流程框图；

图2为实施方式一中用地磁测量直接表示法构建的目标磁性源的地图；图中水平面的坐标均为米(m)，垂直水平面的坐标为纳特斯拉(nT)；

图3为实施方式一中用地磁测量特征表示法构建的目标磁性源的地图；图中三个坐标均为米(m)；

图4为具有两个磁极的磁体模型。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述用于水下载体的地磁异常特征点匹配导航方法，它包括以下步骤：

步骤一：采用水下载体上设置的磁力仪测量获得载体当前位置的地磁场分量，根据已知地磁图分离出产生的地磁异常，经计算，获得水下载体当前位置的目标磁矩矢量和水下载体当前位置至目标磁性源的相对位置矢量；

步骤二：根据步骤一中获得的目标磁矩矢量和相对位置矢量，构建水下目标磁性源的地图；

步骤三：将步骤二中构建的水下目标磁性源的地图，结合水下载体绝对位置，进行坐标转换，获得该地图的地理坐标；

步骤四：进行下一次采样，根据磁力仪采集获得的载体当前位置的地磁场分量，计算本次采样时刻水下载体在所述地图中的位置，以及所述采样时刻水下载体的地理坐标；

步骤五：根据步骤四中计算获得的水下载体的地理坐标，更新目标磁性源的位置；

步骤六：根据步骤五中获得的目标磁性源的位置，更新水下目标磁性源的地图；

步骤七：重复步骤四至步骤六，完成对水下载体的匹配导航。

所述步骤一中磁力仪测量获得载体当前位置的地磁场分量的X轴地磁场分量为Hx、Y轴地磁场分量为Hy、Z轴地磁场分量为Hz，

设定目标磁性源的中心点为X轴、Y轴及Z轴的原点，则测量点p(x，y，z)处的地磁场分量用公式表示为：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{Hx}\\ \mathrm{Hy}\\ \mathrm{Hz}\end{array}\right]=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}{r}^5}\left[\begin{array}{ccc}3x^2-r^2& 3\mathrm{xy}& 3\mathrm{xz}\\ 3\mathrm{xy}& 3y^2-r^2& 3\mathrm{yz}\\ 3\mathrm{zx}& 3\mathrm{yz}& 3z^2-r^2\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}\mathrm{Mx}\\ \mathrm{My}\\ \mathrm{Mz}\end{array}\right],---\left(1\right)$

式中μ₀为介质磁导率，r为载体当前位置到目标磁性源的相对位移，x为载体当前位置的X轴坐标值，y为载体当前位置的Y轴坐标值，z为载体当前位置的Z轴坐标值，Mx为目标磁性源在载体当前位置的X轴磁矩分量、My为目标磁性源在载体当前位置的Y轴磁矩分量、Mz为目标磁性源在载体当前位置的Z轴磁矩分量，

将上式表示成矢量形式：

$\stackrel{\→}{H}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}}[\frac{3(\stackrel{\→}{m}\·\stackrel{\→}{r})\stackrel{\→}{r}}{r^5}-\frac{\stackrel{\→}{m}}{r^3}],---\left(2\right)$

上式中，

为Hx、Hy和Hz的矢量表示形式，为x，y，z的矢量表示形式，为Mx，My，Mz的矢量表示形式，

磁力仪的测量值表示为：

$\stackrel{\→}{H}(\stackrel{\→}{m},\stackrel{\→}{r})={\stackrel{\→}{H}}_{\mathrm{object}}+{\stackrel{\→}{H}}_{\mathrm{earth}},$

为目标磁性源的地磁场，

为地磁的背景磁场，

根据已知地磁图获取，

设置磁力仪的采样间隔时间，使水下载体在航行的过程中，磁力仪相对于一个目标磁性源进行N次采样，获得水下载体在N次采样时刻的地磁场分量

N为大于6的整数，获得非线性超定方程组：

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\→}{H}\left(1\right)=\stackrel{\→}{H}(\stackrel{\→}{m},\stackrel{\→}{r})\\ \stackrel{\→}{H}\left(2\right)=\stackrel{\→}{H}(\stackrel{\→}{m},\stackrel{\→}{r}+\mathrm{\Δ}{\stackrel{\→}{r}}_2)\\ ...\\ \stackrel{\→}{H}\left(N\right)=\stackrel{\→}{H}(\stackrel{\→}{m},\stackrel{\→}{r}+\mathrm{\Δ}{\stackrel{\→}{r}}_N)\end{array}\right.,---\left(3\right)$

由上式计算获得磁力仪第一次采样时目标磁性源在载体当前位置的磁矩矢量

和载体当前位置到目标磁性源的相对位移矢量

是磁力仪的第一个采样点到采样点2，3，...，N的位移矢量，通过惯性导航系统测量获得。

所述步骤二中构建水下目标磁性源的地图的方法为：根据磁力仪第一次采样时目标磁性源在载体当前位置的磁矩矢量

和载体当前位置到目标磁性源的相对位移矢量

计算获得水下载体相对目标磁性源的中心点的坐标值p(x，y，z)，构建水下目标磁性源的地图。

步骤三中所述的水下载体绝对位置是指水下载体在航行初始时刻由惯性导航系统输出的载体绝对位置。

所述步骤四中计算本次采样时刻水下载体在所述地图中的位置的方法为：

通过所述非线性超定方程组计算当前水下载体相对所述地图的相对位置。

由于地磁易受环境因素干扰及水下地磁变化的无规律性，使得事先获取水下载体航行或工作环境的地磁图很困难。水下载体在长距离航行中，由于惯导的累积误差，载体缺乏精确的位置信息。为了解决这些存在的问题，实现水下地磁自主定位，本发明提出了不同于传统地磁图匹配方法的一条解决途径：利用地磁异常，将测得的地磁异常反演出一定的磁性目标，采用同时定位和构图(slam)的方法实现载体定位，目的是让载体构建自身环境的地图并用该地图实时导航。

它包括以下几个方面的内容：

1、水下目标磁性源的定位：

针对自然界存在的磁现象，前人曾假设在自然界存在与电荷相类似的磁荷，随着科学的进展，人们才认识到磁现象并不源于磁荷，而是源于磁偶极子。

磁偶极子是最基本的磁单元，在许多情况下，铁磁性物体的磁场均可以等效于一个硕大的磁偶极子磁场或者几个不同量级的磁偶极子磁场的叠加，磁偶极子的量级是用其磁矩来标识的。

地球磁场源于地球内部，磁偶极子的磁场构成了地球磁场的主体，地球也认为是一个巨大的磁偶极子，或者说地磁场具有磁偶极子磁场的基本特性。

对于一个复杂的磁性体，可以等效为如图4所示的具有两个磁极的磁体模型。

磁偶极子模型为相距很近的极性相反的一对“磁荷”。

当测量点距离目标点足够远，测量距离远大于磁性体大小时，可将目标视为一个偶极子模型。

作为水下磁性目标，其磁性主要来源于地磁背景场，与地磁背景场强度相比小几个数量级，大约只有千分之几，为几百nT。将目标磁性源的中心点假设为磁偶极子的位置，三轴(X，Y，Z)互相正交，指向分别为南北，东西，上下方向。在远离磁源的测量点p(x，y，z)处的磁感应强度为Hx，Hy和Hz。

地磁的背景磁场

在某一区域内可当做一个常量。

由于公式(1)中有六个未知数，分别为x，y，z，Mx，My，Mz，若用单个方程会使得出的解不唯一。因此用单个磁力仪进行定位，则需要结合载体的运动航迹。因此需要至少对一个目标磁性源进行6次测量，得到非线性超定方程组。由些即可解出Mx，My，Mz的矢量表示形式

和x，y，z的矢量表示形式

非线性超定方程组中

可视为已知，解出非线性超定方程组即得到测量点p(x，y，z)处的相对坐标值。

2、基于水下地磁信号的目标磁性源的地图的构建：

本发明中所述地图的表示方法有四种：拓扑图、特征图、网格图及直接表征法。拓扑图把环境表示为带结点和相关连接线的拓扑结构图，其中结点表示环境中的重要位置点，边表示结点间的连接关系。特征图用有关的几何特征(如点、直线、面)表示环境。网格图则是把环境划分成一系列网格，其中每一网格给定一个可能值，表示该网格被占据的几率。直接表征法省去了网格或特征表示这一中间环节，直接用传感器读取的数据来构造。

采用磁力仪测量地磁场分量，反演出目标磁性源，用环境特征构造地图。特征图一般用如下的特征集合表示：M＝{fj|j＝1，...，n}。

其中fj是一个特征，n是地图中的特征总数，每个特征都是一个表示位置信息的三维向量(x，y，z)，可建立一个完整的三维环境模型，通过特征匹配和三维特征复原可进行定位。特征法定位准确，模型易于由计算机描述和表示，但特征法需要特征提取等预处理过程，对传感器噪声比较敏感。

测量值和地磁特征是高度非线性的关系，在SLAM滤波的数据关联时会有很大的计算量。本发明在数据关联时用直接表征法构图，可减少计算量和反演的误差。

对分布在(10，10，-10)、(-5，-20，-11)、(-15，-5，-10.5)和(20，8，-10.5)的四个相同磁矩偶极子，用地磁测量直接表示法和特征表示法分别如2和图3所示。

由于测量误差的存在，尽管是同一个目标磁性源，但每次测量反演后对应的绝对位置也存在差别，利用滤波算法滤除误差，更新目标磁性源的坐标，为更新的过程。

3、SLAM滤波方法的选取：

根据探测点的地磁场只能计算目标磁性源与载体的相对位置，不可直接用来定位。SLAM方法结合惯性导航系统，可解决定位的问题。过程可简单描述为：在k时刻利用磁力仪获取环境信息，地磁反演出局部特征，特征提取后，形成一个局部地图LMk，再融合惯导系统的结果和前一个时刻的估计地图GMk-，，更新全局地图为GMk，同时，修正载体的位置估计。归纳起来就是一个“估计-校正”的过程。

粒子滤波器定位也称为Monte Carlo定位，它是用一组滤波器来估计载体的可能位置(处于该位置的概率)，每个滤波器对应一个位置，利用观测对每个滤波器进行加权传播，从而使最有可能的位置的概率越来越高，它不受限于噪声高斯分布，在很多定位问题中都取得较好的应用。

基于粒子滤波器的SLAM有一个重要的前提，即环境特征的观测只与载体当前位置有关。在此前提下，可以将SLAM问题分解成两个相对独立的问题：载体定位问题和基于估计位置的环境特征估计问题。

对前一个问题使用Monte Carlo定位，t时刻载体位置的估计可以表示为如下Bayesian概率模型：

p(x_t|z_t，u_t-1，z_t-1，…，u₀，z₀)＝ηp(z_t|x_t)∫p(x_t|x_t-1，u_t-1)·p(x_t-1|z_t-1，u_t-2，z_t-2，…，u₀，z₀)dx_t-1，其中，x表示载体状态，u表示控制命令，z为观测量，不确定性通过条件概率p()表示。

使用m个Bayesian滤波器表示0～t-1的m个时间步上载体的位置估计，递归计算每个滤波器的位置估计。然后根据观测计算粒子的权wt[m]，选择权值高的粒子根据上式更新载体位置估计。

对环境特征的估计，在每个位置使用k个EKF估计与该位置相关的k个环境特征。这样系统中包含mk个EKF。但由于各粒子滤波器是独立的，每个EKF只对单个环境特征处理，而不象EKF那样需要对所有载体和环境特征状态进行计算，大大降低了计算复杂度。

地图的表示采用与EKF类似的平面坐标，但仅包括环境特征。水下载体运动的不确定性用概率表示，观测的不确定性则体现在EKF算法的协方差阵中。可以说该方法融合了EKF和概率方法的优点，既降低了计算的复杂度，又具有较好的鲁棒性，在已知数据关联和未知数据关联情况下都可以取得较好的定位。

载体定位时选择特征地图，不能用基于概率的SLAM，又因为特征表示为3维特征量，用完全EKF将给计算机带来很大的计算负担，基于此选用基于粒子滤波器的SLAM。

与重力传感器融合：

用单个磁力仪检测环境特征时，不确定性因素较多，在复杂的环境中由于观测数据和地磁特征反演的不确定性，很难取得理想的效果。多传器信息融合可以有效提高SLAM的准确度和鲁棒性，例如选用重力传感器与地磁传感器融合。

由于地磁异常来源于局部地质异常和人为磁性物，而重力异常主要来源于地质变化。俄罗斯莫斯科Zhukovsky空军工程学院的S.K.Kiselev对地面上的各种人为建筑产生的地磁异常的测量结果显示，这些磁性物并不能使重力产生异常。而对于地质原因产生的磁异常，其异常幅度和重力异常是高度相关的。

在地形的极值点处，地磁和重力异常也为极值，用相关极值点匹配的方法对重力异常和地磁异常进行数据融合，充分利用地磁异常与重力异常中的冗余信息，用重力异常中的极值点分离地磁异常中的地质特征和人为磁性目标，可使地磁异常特征描述更为准确。

本发明根据水下载体的不确定性位置和输入的动作控制量预测载体状态和观测量，再利用载体自身携带的磁力仪识别未知环境中的特征标志，确定载体与特征标志之间的相对位置并构建局部地图，局部地图与全局地图关联，减小不确定性并修正载体位置，再用确定的载体位置更新全局地图。这种在线的定位与构图需要保证载体与特征标志之间的关联。

Claims (5)

1.一种用于水下载体的地磁异常特征点匹配导航方法，其特征在于：它包括以下步骤：

步骤一：采用水下载体上设置的磁力仪测量获得载体当前位置的地磁场分量，根据已知地磁图分离出产生的地磁异常，经计算，获得水下载体当前位置的目标磁矩矢量和水下载体当前位置至目标磁性源的相对位置矢量；

步骤二：根据步骤一中获得的目标磁矩矢量和相对位置矢量，构建水下目标磁性源的地图；

步骤三：将步骤二中构建的水下目标磁性源的地图，结合水下载体绝对位置，进行坐标转换，获得该地图的地理坐标；

步骤四：进行下一次采样，根据磁力仪采集获得的载体当前位置的地磁场分量，计算本次采样时刻水下载体在所述地图中的位置，以及所述采样时刻水下载体的地理坐标；

步骤五：根据步骤四中计算获得的水下载体的地理坐标，更新目标磁性源的位置；

步骤六：根据步骤五中获得的目标磁性源的位置，更新水下目标磁性源的地图；

步骤七：重复步骤四至步骤六，完成对水下载体的匹配导航。

2.根据权利要求1所述的用于水下载体的地磁异常特征点匹配导航方法，其特征在于：

所述步骤一中磁力仪测量获得载体当前位置的地磁场分量的X轴地磁场分量为Hx、Y轴地磁场分量为Hy、Z轴地磁场分量为Hz，

设定目标磁性源的中心点为X轴、Y轴及Z轴的原点，则测量点p(x，y，z)处的地磁场分量用公式表示为：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{Hx}\\ \mathrm{Hy}\\ \mathrm{Hz}\end{array}\right]=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}{r}^5}\left[\begin{array}{ccc}3x^2-r^2& 3\mathrm{xy}& 3\mathrm{xz}\\ 3\mathrm{xy}& 3y^2-r^2& 3\mathrm{yz}\\ 3\mathrm{zx}& 3\mathrm{yz}& 3z^2-r^2\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}\mathrm{Mx}\\ \mathrm{My}\\ \mathrm{Mz}\end{array}\right],---\left(1\right)$

式中μ₀为介质磁导率，r为载体当前位置到目标磁性源的相对位移，x为载体当前位置的X轴坐标值，y为载体当前位置的Y轴坐标值，z为载体当前位置的Z轴坐标值，Mx为目标磁性源在载体当前位置的X轴磁矩分量、My为目标磁性源在载体当前位置的Y轴磁矩分量、Mz为目标磁性源在载体当前位置的Z轴磁矩分量，

将上式表示成矢量形式：

$\stackrel{\→}{H}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}}[\frac{3(\stackrel{\→}{m}\·\stackrel{\→}{r})\stackrel{\→}{r}}{r^5}-\frac{\stackrel{\→}{m}}{r^3}],---\left(2\right)$

上式中，

为Hx、Hy和Hz的矢量表示形式，为x，y，z的矢量表示形式，

为Mx，My，Mz的矢量表示形式，

磁力仪的测量值表示为：

$\stackrel{\→}{H}(\stackrel{\→}{m},\stackrel{\→}{r})={\stackrel{\→}{H}}_{\mathrm{object}}+{\stackrel{\→}{H}}_{\mathrm{earth}},$

为目标磁性源的地磁场，

为地磁的背景磁场，

根据已知地磁图获取，

设置磁力仪的采样间隔时间，使水下载体在航行的过程中，磁力仪相对于一个目标磁性源进行N次采样，获得水下载体在N次采样时刻的地磁场分量

N为大于6的整数，获得非线性超定方程组：

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\→}{H}\left(1\right)=\stackrel{\→}{H}(\stackrel{\→}{m},\stackrel{\→}{r})\\ \stackrel{\→}{H}\left(2\right)=\stackrel{\→}{H}(\stackrel{\→}{m},\stackrel{\→}{r}+\mathrm{\Δ}{\stackrel{\→}{r}}_2)\\ ...\\ \stackrel{\→}{H}\left(N\right)=\stackrel{\→}{H}(\stackrel{\→}{m},\stackrel{\→}{r}+\mathrm{\Δ}{\stackrel{\→}{r}}_N)\end{array}\right.,---\left(3\right)$

由上式计算获得磁力仪第一次采样时目标磁性源在载体当前位置的磁矩矢量

和载体当前位置到目标磁性源的相对位移矢量

是磁力仪的第一个采样点到采样点2，3，...，N的位移矢量，通过惯性导航系统测量获得。

3.根据权利要求2所述的用于水下载体的地磁异常特征点匹配导航方法，其特征在于：

所述步骤二中构建水下目标磁性源的地图的方法为：根据磁力仪第一次采样时目标磁性源在载体当前位置的磁矩矢量和载体当前位置到目标磁性源的相对位移矢量

计算获得水下载体相对目标磁性源的中心点的坐标值p(x，y，z)，构建水下目标磁性源的地图。

4.根据权利要求3所述的用于水下载体的地磁异常特征点匹配导航方法，其特征在于：

步骤三中所述的水下载体绝对位置是指水下载体在航行初始时刻由惯性导航系统输出的载体绝对位置。

5.根据权利要求4所述的用于水下载体的地磁异常特征点匹配导航方法，其特征在于：所述步骤四中计算本次采样时刻水下载体在所述地图中的位置的方法为：

通过所述非线性超定方程组计算当前水下载体相对所述地图的相对位置。

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