CN103792595B - 用于定位水下运动磁目标的磁传感器阵列校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于定位水下运动磁目标的磁传感器阵列校准方法。所述校准方法，包括N个已校准三维量的磁传感器，按照一定的阵型布放于海底；各个磁传感器的检测数据由海底电缆传输至水下或水上基站进行处理；在每个磁传感器上集成有压力传感器和罗经，磁传感器和罗经集成后，同时完成罗经与磁传感器坐标系角度差的校准。通过校准每个磁传感器的空间坐标以及三维姿态，给出布放的磁传感器的阵列布局，从而达到较宽海域的磁目标监测，对运动磁目标进行精度更高的定位。

Description

用于定位水下运动磁目标的磁传感器阵列校准方法

技术领域

本发明涉及一种用于定位水下运动磁目标的磁传感器阵列校准方法。

背景技术

对铁磁目标的探测与定位技术在当今具有重要的意义和作用，尤其在水下的特殊环境中，利用磁目标引起的地磁变化进行探测与定位，能够有效克服光、雷达甚至声波等在水下探测与定位中存在的不足。

目前国内外出现了许多对水下磁目标进行定位的方法，主要有：1)基于单个三维磁传感器进行定位、2)使用磁传感器阵列进行定位。

1)基于单个三维磁传感器，如采用三维磁通门传感器进行水下定位。三维磁通门传感器可测试布放点的三维磁通量，利用运动磁目标引起布放点三维磁通量的变化，从而对运动目标进行定向。然而这种方法目前只能进行运动磁目标的定向。

2)使用磁传感器阵列进行定位。将磁传感器按照一定的规则，比如方行阵、立体阵进行排布，集成后作为磁传感器阵列，此时可以利用定向的几何关系进行运动磁目标的平面或空间定位。然而磁传感器的阵列需要集成，并在集成后进行校准，校准阵列的相对位置和方向，因此阵列的孔径较小，定位精度和定位距离有限，很难监测较宽海域。

在海域布放的磁传感器阵列可以拥有更大的阵列孔径，因此定位距离与定位精度都将更高。然而各个布放点的大地坐标精度很低，布放后磁传感器阵列的姿态难以获得，使得磁传感器阵列的定位性能大打折扣甚至失效。

发明内容

针对现有技术中海域磁传感器布放后阵列的校准问题，本发明提出了一种用于定位水下运动磁目标的磁传感器阵列校准方法，该方法通过校准各个磁传感器的大地坐标和布放后的姿态，得到阵列参数，从而达到精确监测与定位运动磁目标的目的。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

用于定位水下运动磁目标的磁传感器阵列校准方法，

包括N个已校准三维量的磁传感器，按照一定的阵型布放于海底；各个磁传感器的检测数据由海底电缆传输至水下或水上基站进行处理，N为整数，且N≥2；

在每个磁传感器上集成有压力传感器和罗经，磁传感器和罗经集成后，完成罗经与磁传感器坐标系角度差的校准；所述校准方法包括如下处理步骤：

a磁传感器的姿态校准

设磁目标的坐标为第i个磁传感器的大地坐标为1≤i≤N，磁传感器三维姿态角为对磁目标的定向数据方位角为定向坐标系为(X′_a,Y′_a,Z′_a)；磁目标在以磁传感器为原点的大地坐标系的方位角为坐标系为(X_a,Y_a,Z_a)；

上述两个坐标系的旋转矩阵表示为：

$R\left(\mathrm{\Ψ}\right)={\left[\begin{array}{ccc}cos\mathrm{\κ}\cos A& cos\mathrm{\κ}\sin A& sin\mathrm{\κ}\\ -cos\mathrm{\φ}`\sin A-sin\mathrm{\φ}`sin\mathrm{\κ}\cos A& cos\mathrm{\φ}`\cos A-sin\mathrm{\φ}`sin\mathrm{\κ}\sin A& sin\mathrm{\φ}`cos\mathrm{\κ}\\ \sin \mathrm{\φ}`\sin A-\cos \mathrm{\φ}`\sin \mathrm{\κ}\cos A& -sin\mathrm{\φ}`\cos A-\cos \mathrm{\φ}`sin\mathrm{\κ}\sin A& cos\mathrm{\φ}`cos\mathrm{\κ}\end{array}\right]}^T,$

其中，φ`＝arcsin(sinφ/cosκ),

磁目标的坐标表示为(X_a,Y_a,Z_a)^T＝R(Ψ)(X′_a,Y′_a,Z′_a)^T；

设罗经与磁传感器坐标系角度差的校准数据为Ψ′，布放后罗经的角度数据为Ψ″，得到：

R(Ψ)＝R(Ψ″)R(Ψ′)，

因此，磁目标的定向数据和大地坐标数据的校准公式为：

(cosα_i,cosβ_i,cosγ_i)^T＝R(Ψ)(cosα′_i,cosβ′_i,cosγ′_i)^T；

b磁传感器阵列阵型的校准

压力传感器提供每个磁传感器的深度数据或相对深度数据，得到磁传感器的z_i，进一步对磁传感器的大地平面坐标(x_i,y_i)进行估计；

采用水面目标舰船轨迹航行的方法进行阵列校准，舰船装有卫星定位系统GPS实时测量舰船的大地坐标，记GPS坐标数据为同时装有同步芯片，使用通信系统发送坐标数据至基站；

通过采用舰船盲航行获得磁传感器阵列中各个阵元的初始值，即当第i个磁传感器定向为正上方时，记录此时的GPS平面坐标为第i个磁传感器的平面坐标，作为校准的初始值；

获得初始值后，舰船按照一定的轨迹航行，此时包含测量数据和待估量的观测方程为：

$\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{cos\β}}_1}{{\mathrm{cos\α}}_1}=\frac{y_G-y_1}{x_G-x_1}+V\\ \frac{{\mathrm{cos\β}}_2}{{\mathrm{cos\α}}_2}=\frac{y_G-y_2}{x_G-x_2}+V\\ ...\\ \frac{{\mathrm{cos\β}}_N}{{\mathrm{cos\α}}_N}=\frac{y_G-y_N}{x_G-x_N}+V\end{array},$

以及

$\begin{array}{c}{\mathrm{cot\γ}}_1=\frac{z_i}{\sqrt{{(x_G-x_1)}^2+{(y_G-y_1)}^2}}+V\\ {\mathrm{cot\γ}}_2=\frac{z_i}{\sqrt{{(x_G-x_2)}^2+{(y_G-y_2)}^2}}+V\\ ...\\ {\mathrm{cot\γ}}_N=\frac{z_i}{\sqrt{{(x_G-x_N)}^2+{(y_G-y_N)}^2}}+V\end{array},$

其中，V为系统的观测残差，使用最小二乘准则估计各个磁传感器的位置，由于方程带有一定的非线性，因此需采用非线性最小二乘方法，利用初始值进行估计，得第i个磁传感器的平面坐标(x_i,y_i)。

本发明具有如下优点：

本发明可在被监测海域布放N个三维磁传感器组成一个大孔径传感器阵列，使用本发明的校准方法可校准每个磁传感器的空间坐标以及三维姿态，给出布放的磁传感器的阵列布局，从而达到较宽海域的磁目标监测，对运动磁目标进行精度更高的定位。

附图说明

图1为本发明实施例中四元阵及坐标定义示意图；

图2为本发明实施例中坐标系的定义及磁传感器的姿态校准示意图；

图3为本发明实施例中阵型校准示意图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

在固定海域按照一定的阵型布放N个已校准三维量的磁传感器，每个磁传感器可单独监测海域的磁目标，并对磁目标进行定向，磁传感器检测数据由海底电缆传输至水下或水上基站进行处理。此时，设磁目标的坐标为设第i个磁传感器的大地坐标为1≤i≤N，N为整数，且N≥2。以四元阵列为例说明，磁传感器阵列分布如图1所示。

磁传感器三维姿态角为对磁目标的定向数据方位角为定向坐标系为(X′_a,Y′_a,Z′_a)；磁目标在以磁传感器为原点的大地坐标系的方位角为坐标系为(X_a,Y_a,Z_a)。坐标系的定义及磁传感器的姿态校准如2所示。两个坐标系的旋转矩阵表示为：

$R\left(\mathrm{\Ψ}\right)={\left[\begin{array}{ccc}cos\mathrm{\κ}\cos A& cos\mathrm{\κ}\sin A& sin\mathrm{\κ}\\ -cos\mathrm{\φ}`\sin A-sin\mathrm{\φ}`sin\mathrm{\κ}\cos A& cos\mathrm{\φ}`\cos A-sin\mathrm{\φ}`sin\mathrm{\κ}\sin A& sin\mathrm{\φ}`cos\mathrm{\κ}\\ \sin \mathrm{\φ}`\sin A-\cos \mathrm{\φ}`\sin \mathrm{\κ}\cos A& -sin\mathrm{\φ}`\cos A-\cos \mathrm{\φ}`sin\mathrm{\κ}\sin A& cos\mathrm{\φ}`cos\mathrm{\κ}\end{array}\right]}^T,$

其中，φ`＝arcsin(sinφ/cosκ),

因此，磁目标的坐标表示为(X_a,Y_a,Z_a)^T＝R(Ψ)(X′_a,Y′_a,Z′_a)^T。

每个磁传感器在出厂前均需要校准三个坐标轴的相对角度，采用一般方法即可完成。本发明中各个磁传感器均已校准。

为了估计布放后磁传感器的姿态，校准单个磁传感器的测量数据，在每个磁传感器上配备一个罗经。磁传感器和罗经集成后需要进行出厂校准，校准罗经与磁传感器坐标系的角度差，通过旋转罗盘实现校准，旋转罗盘的角度可控，校准数据记为Ψ′，布放后罗经的角度数据为Ψ″，于是有：

R(Ψ)＝R(Ψ″)R(Ψ′)，

因此，图2中磁目标的定向数据和大地坐标数据的校准公式为：

(cosα_i,cosβ_i,cosγ_i)^T＝R(Ψ)(cosα′_i,cosβ′_i,cosγ′_i)^T。

此外，每个磁传感器配有压力传感器，压力传感器根据海洋学数据可提供每个磁传感器的深度数据或相对深度数据，因此磁传感器的z_i已知，而平面坐标(x_i,y_i)暂时未知。下一步对压力传感器的大地平面坐标进行估计，用以校准磁传感器阵列的阵型。

本发明采用水面目标舰船轨迹航行的方法进行阵列校准，舰船装有卫星定位系统GPS可实时测量舰船的大地坐标，记GPS坐标数据为同时装有同步芯片，使用通信系统发送坐标数据至基站，工作时系统示意图如图3所示。

为获得磁传感器阵列中各个阵元的初始值，本发明采用舰船盲航行的策略。当第i个磁传感器定向为正上方或接近正上方时，记录此时的GPS平面坐标为第i个磁传感器的平面坐标，但坐标精度较低，只作为校准的初始值使用。

获得初始值后，舰船按照一定的轨迹航行，此时包含测量数据和待估量的观测方程为：

$\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{cos\β}}_1}{{\mathrm{cos\α}}_1}=\frac{y_G-y_1}{x_G-x_1}+V\\ \frac{{\mathrm{cos\β}}_2}{{\mathrm{cos\α}}_2}=\frac{y_G-y_2}{x_G-x_2}+V\\ ...\\ \frac{{\mathrm{cos\β}}_N}{{\mathrm{cos\α}}_N}=\frac{y_G-y_N}{x_G-x_N}+V\end{array},$

以及

$\begin{array}{c}{\mathrm{cot\γ}}_1=\frac{z_i}{\sqrt{{(x_G-x_1)}^2+{(y_G-y_1)}^2}}+V\\ {\mathrm{cot\γ}}_2=\frac{z_i}{\sqrt{{(x_G-x_2)}^2+{(y_G-y_2)}^2}}+V\\ ...\\ {\mathrm{cot\γ}}_N=\frac{z_i}{\sqrt{{(x_G-x_N)}^2+{(y_G-y_N)}^2}}+V\end{array},$

其中，V为系统的观测残差，可使用最小二乘准则估计各个磁传感器的位置。由于方程带有一定的非线性，因此需采用非线性最小二乘方法，采用改进的高斯-牛顿循环算法，使用初始值进行估计，可得第i个磁传感器的平面坐标(x_i,y_i)。本发明给出的校准方法可校准磁传感器的姿态和阵列中各个阵元的大地坐标，阵列空间大、定位精度更高、定位距离更远。

需要说明的是，在海洋的许多应用中，即使只得到磁目标的大地水平坐标也是非常有用的。可以证明，只要各个磁传感器的深度差z_i-z_j精度较高，其中，i≠j，1≤j≤N，那么只影响系统的深度定位精度，而不影响磁目标的水平定位精度。因此系统在对压力传感器的数据进行计算时，海洋学中压力转深度的计算精度可以满足系统的需求。

此时完成水下磁传感器阵列的校准，对运动磁目标进行定位的公式为：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{cos\β}}_i}{{\mathrm{cos\α}}_i}=\frac{y_0-y_i}{x_0-x_i}\\ {\mathrm{cot\γ}}_i=\frac{z_0-z_i}{\sqrt{{(x_0-x_i)}^2+{(y_0-y_i)}^2}}\end{array}\right.,$

可使用两个以上磁传感器，基于最小二乘准则求解定位方程，进行定位。

当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。

Claims (1)

1.用于定位水下运动磁目标的磁传感器阵列校准方法，其特征在于，

包括N个已校准三维量的磁传感器，按照一定的阵型布放于海底；各个磁传感器的检测数据由海底电缆传输至水下或水上基站进行处理，N为整数，且N≥2；

在每个磁传感器上集成有压力传感器和罗经，磁传感器和罗经集成后，完成罗经与磁传感器坐标系角度差的校准；所述校准方法包括如下校准步骤：

a磁传感器的姿态校准

设磁目标的坐标为第i个磁传感器的大地坐标为1≤i≤N，磁传感器三维姿态角为对磁目标的定向数据方位角为定向坐标系为(X′_a,Y′_a,Z′_a)；磁目标在以磁传感器为原点的大地坐标系的方位角为坐标系为(X_a,Y_a,Z_a)；

上述两个坐标系的旋转矩阵表示为：

$R\left(\mathrm{\Ψ}\right)={\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\κ}\cos A& \cos \mathrm{\κ}\sin A& \sin \mathrm{\κ}\\ -\cos \mathrm{\φ}`\sin A-\sin \mathrm{\φ}`\sin \mathrm{\κ}\cos A& \cos \mathrm{\φ}`\cos A-\sin \mathrm{\φ}`\sin \mathrm{\κ}\sin A& \sin \mathrm{\φ}`\cos \mathrm{\κ}\\ \sin \mathrm{\φ}`\sin A-\cos \mathrm{\φ}`\sin \mathrm{\κ}\cos A& -\sin \mathrm{\φ}`\cos A-\cos \mathrm{\φ}`\sin \mathrm{\κ}\sin A& \cos \mathrm{\φ}`\cos \mathrm{\κ}\end{array}\right]}^T,$

其中，φ`＝arcsin(sinφ/cosκ),

磁目标的坐标表示为(X_a,Y_a,Z_a)^T＝R(Ψ)(X′_a,Y′_a,Z′_a)^T；

设罗经与磁传感器坐标系角度差的校准数据为Ψ′，布放后罗经的角度数据为Ψ″，得到：

R(Ψ)＝R(Ψ″)R(Ψ′)，

因此，磁目标的定向数据和大地坐标数据的校准公式为：

(cosα_i,cosβ_i,cosγ_i)^T＝R(Ψ)(cosα′_i,cosβ′_i,cosγ′_i)^T；

b磁传感器阵列阵型的校准

压力传感器提供每个磁传感器的深度数据或相对深度数据，得到磁传感器的z_i，进一步对磁传感器的大地平面坐标(x_i,y_i)进行估计；

采用水面目标舰船轨迹航行的方法进行阵列校准，舰船装有卫星定位系统GPS实时测量舰船的大地坐标，记GPS坐标数据为同时装有同步芯片，使用通信系统发送坐标数据至基站；

通过采用舰船盲航行获得各个阵元的初始值，即当第i个磁传感器定向为正上方时，记录此时的GPS平面坐标为第i个磁传感器的平面坐标，作为校准的初始值；

获得初始值后，舰船按照一定的轨迹航行，此时包含测量数据和待估量的观测方程为：

$\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{cos\β}}_1}{{\mathrm{cos\α}}_1}=\frac{y_G-y_1}{x_G-x_1}+V\\ \frac{{\mathrm{cos\β}}_2}{{\mathrm{cos\α}}_2}=\frac{y_G-y_2}{x_G-x_2}+V\\ ...\\ \frac{{\mathrm{cos\β}}_N}{{\mathrm{cos\α}}_N}=\frac{y_G-y_N}{x_G-x_N}+V\end{array},$

以及

$\begin{array}{c}{\mathrm{cot\γ}}_1=\frac{z_i}{\sqrt{{\left(x_G-x_1\right)}^2+{\left(y_G-y_1\right)}^2}}+V\\ {\mathrm{cot\γ}}_2=\frac{z_i}{\sqrt{{\left(x_G-x_2\right)}^2+{\left(y_G-y_2\right)}^2}}+V\\ ...\\ {\mathrm{cot\γ}}_N=\frac{z_i}{\sqrt{{\left(x_G-x_N\right)}^2+{\left(y_G-y_N\right)}^2}}+V\end{array},$

其中，V为系统的观测残差，使用最小二乘准则估计各个磁传感器的位置，由于方程带有一定的非线性，因此需采用非线性最小二乘方法，利用初始值进行估计，得第i个磁传感器的平面坐标(x_i,y_i)。