CN105371843B - 一种基于地磁场空间角度的长距离导航方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于地磁场空间角度的长距离导航方法及装置。预设任意一固定地理方向，测量所在地点的地磁场线方向和固定地理方向之间的空间角，根据已知的目标地点空间角，推算出所在地点向目标地点的导航方向；在导航过程中不断重复上述步骤获得导航方向，当测得所在地点的空间角与已知的目标地点空间角的偏差足够小时到达目标地点；包括信号调理系统和连接到信号调理系统的三维磁场传感器、三轴陀螺仪、和导航显示器。本发明完全基于地磁场信息，在不依赖于任何地理定位信息的情况下，可实现长距离导航，为无电磁波空间的长距离导航提供了可靠的机制和方法。

Description

一种基于地磁场空间角度的长距离导航方法及装置

技术领域

本发明涉及一种导航方法和装置，尤其是涉及一种基于地磁场空间角度的长距离导航方法及装置。

背景技术

当前现存的导航系统，无论是GPS定位系统还是电信运营商基站导航系统，都离不开电磁波信号的接收和发送。而在一些电磁波无法传播的环境中，或者基站没有分布的地方，这些导航系统的功能将受到功能上无法克服的困难。例如在电磁波无法透射的深海中，在无法通过电磁波确认所在位置的情况下，基于电磁波数据传输的导航系统将无法工作。

地磁场是源于地球内核发散到空间中的一个巨大的地球磁场，可以近似的看作由一个巨大的磁铁产生的磁场，而地磁场的轴向与地球自转轴向也就是地球地理南北方向之间存在大约11.3°的偏移。动物体内磁感应材料的发现表明一些动物具有感应地磁场的能力，而动物行为实验的结果指出，长距离迁徙的动物能利用地磁场线的方向和某一特定地理方向信息如晨曦的亮点(地理正东方向)或星辰的方位完成长距离的导航。关于这一问题，在过去的一个多世纪里面很多科学家虽然做了大量的研究工作，但这一导航机制的实现方法依然是困扰学术界的一个难题。大量的实验数据表明，龙虾和海龟可以感应天体星辰的方位和地磁信息，完成从未知实验放置地点到出生海滩的洄游；信天翁作为一种洲际迁徙的鸟类，可通过地磁信息和罗盘信息完成从繁殖地到捕食地点的长距离迁徙。

因此，在大量实验证实的基础上，基于地磁场线方向和某一特定地理方向信息进行的长距离导航在理论和方法上存在可行性。地球磁场在地球表面的特殊分布可以为导航的实现提供可以依靠的信息，现有技术中缺少能利用地磁场信息为人们导航选择提供新途径的导航机制和方法。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明公开了一种基于地磁场空间角度的长距离导航方法及装置，通过测量所在地点地磁场线方向和某一特定地理方向之间的空间角来完成长距离导航。该地理方向信息可以是任意固定的方向，如正东方向或正北方向。上述空间角通过数学上水平面和竖直平面的分解可以 获得两个分量水平分量和竖直分量如附图1所示，通过比较所在地点的空间角与目标地点的空间角之间的偏差，推算出一个可以使所在地点的空间角在张角和倾斜度上，数学上可理解为分量和能等比例趋向于目标地点空间角的导航方向，当测量得到所在地点的空间角在分量和与目标地点的空间角之间的偏差都很小的时候，即认为已经到达目的地地点，导航结束。

本发明采用的技术方案是：

一、一种基于地磁场空间角度的长距离导航方法：

利用地磁空间角的变化作为导航依据，预设任意一固定地理方向，测量所在地点的地磁场线方向和固定地理方向之间的空间角，根据已知的目标地点空间角(目标地点空间角为目标地点的地磁场线方向和固定地理方向之间的空间角)，推算出所在地点向目标地点的导航方向；在导航过程中不断重复上述步骤进行测量计算得到使移动过程中所在地点空间角在张角和倾斜方位上不断靠近目标地点的导航方向，当测得所在地点的空间角与已知的目标地点空间角的两个分量差值足够小时认为到达目标地点，导航结束。

所述的所在地点向目标地点的导航方向θ^k采用以下公式计算得到：

其中，n表示角度参数，和分别表示当前所在地点的空间角的水平和垂直分量，和分别表示当前所在地点的空间角的水平和垂直分量，x和y分别表示正东方向和正北方向，k表示当前计算的序数，k≥2，和分别表示第k步计算中地磁场空间角的水平分量在相邻前后两步所在地点之间沿着正东方向x和正北方向y的变化快慢，同理和分别表示第k步中地磁场空间角的竖直分量在相邻前后两步所在地点之间沿着正东方向x和正北方向y的变化快慢。

所述的四个变化快慢和分别采用以下公式计算得到：

其中，分别表示当前所在地点空间角的水平分量沿着正东方向x和正北方向y的变化，和分别表示当前所在地点空间角的垂直分量沿着正东方向x和正北方向y的变化，分别表示上一步计算所在地点空间角的水平分量沿着正东方向x和正北方向y的变化，和分别表示上一步计算所在地点空间角的垂直分量沿着正东方向x和正北方向y的变化，θ^k-1表示上一步计算所在地点向目标地点的导航方向。

因为上述空间角在地球表面很大的区域内是唯一的，本发明需要测量所在地点的地磁场线方向和任意一固定地理方向，需要已知导航目的地点地磁场线方向和固定地理方向空间角信息，固定地理方向可以是例如正北方向或正东方向。当测量得到所在地点的空间角和目的地点的空间角之间的偏差很小的时候，即认为已经到达目的地地点，导航结束。

本发明的导航方法不需要任何已知的地理位置信息和地磁位置信息，只需要测量地磁场线方向和某一特定地理方向。整个导航方法只需要已知目的地点的地磁场线方向和某一地理方向之间的空间角，通过不断测量所在地点的地磁场线方向和地理正北方向得到所在地点的空间角，即可完成从所在地点到目标地点的导航。

二、一种基于地磁场空间角度的长距离导航装置：

包括三维磁场传感器、三轴陀螺仪、信号调理系统和导航显示器，三维磁场传感器、三轴陀螺仪和导航显示器均连接到信号调理系统，将测量得到的地磁场方向和角度信息传送到信号调理系统中进行运算得到结果发送到导航显示器显示。

所述的三维磁场传感器包括x方向磁场传感器、y方向磁场传感器和z方向磁场传感器的三个方向相互垂直的传感器。

所述的导航显示器为屏幕显示器或者指针仪表。

所述的信号调理系统采用单片机。

本发明利用高精度三维磁场传感器，可以方便而精确的测出所在地点的磁场线方向，通过提取地磁场线方向与陀螺仪指示的某一特定地理方向之间的空间角，可以计算出所在地点的地磁场空间角信息。

本发明具有的有益效果：

本发明在不依赖于任何地理定位信息的情况下，仅需要测量到所在地点的精确方位角信息，在已知目标地点方位角的情况下，本发明即可以实现长距离的导航。

而且，在基于电磁波信号通信的常规导航系统，如GPS和电信基站定位，无法与外界进行电磁波信号联系的情况下，本发明的导航方法和导航装置对该情况下导航工作提供了很好的补充。

因此，本发明不仅提出了一种完全基于地磁场信息的导航方法，也为无电磁波空间的长距离导航提供了可靠的机制和方法。

附图说明

附图1是基于本发明的长距离导航装置。

附图2是地磁场空间角的分量计算示意图。

附图3是基于本发明模拟信天翁的长距离导航仿真。

图a中实线表示信天翁从B点飞往A点的迁徙路径，虚线表示在没有任何干扰情况下基于本方法的计算机仿真结果，点线表示在存在方向误差(即干扰)的情况下，基于本方法的计算机仿真结果；

图b中实线和虚线分别表示不同年份同一只信天翁从A点飞往B点的迁徙路径，虚线表示在没有任何干扰情况下基于本方法的计算机仿真结果，点线表示在存在方向误差的情况下，基于本方法的计算机仿真结果，其中点画线表示除信风干扰情况下的计算机仿真结果。

附图4是基于本发明模拟海龟的长距离导航仿真。

图中实线是动物导航的试验轨迹，虚线是无干扰下基于本实验的导航仿真结果，点线是干扰情况下基本发明的导航仿真结果。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明的设计原理如下：

1)在导航开始的地点测量所在地点的地磁场空间角以下方法上水平竖直分解为和随机选择一个方向移动一段距离，规定该方向与正东方向之间的夹角为θ¹，在移动的过程中测量出在移动方向θ¹方向上，地磁场空间角的两个分量和从第一个地点到第二个地点地磁场空间角的和沿正东方向(x)和正北方向(y)的变化规律，如下：

其中k≥2，和分别表示第k步中地磁场空间角的水平分量在两步之间沿着正东方向(x)和正北方向(y)的变化快慢，同理和分别表示第k步中地磁场空间角的竖直分量分别沿正东方向(x)和正北方向(y)的变化快慢。因为空间角的特性随距离变化的规律具有连续性，可将以上公式中所求地磁场空间角两个方向上分量的变化快慢作为所在点附近的变化规律。

据此，如果假设下一步的移动方向为θ^k，该方向上空间角空间变化规律的单位向量为因此可估算出下一步移动过程中空间角的水平和竖直分量的变化值为：

解公式(7)可得：

由此，便可通过测量所在地点的空间角的水平和垂直分量和和已知目 标地点的空间角信息推算出下一步导航方向θ^k。

但是公式(8)中给出的结果是一对方向相反的结果，因此需要通过预测验证的方法来确定正解。根据所在地点的空间角的水平和垂直分量信息和和所在地点的空间角渐变趋势可以预测出下一到达地点的空间角和的估算值和分别表示为：

至此，利用以上所得结果便可推测两个解中的正解。如果和或者和是同正负号的，则说明沿着导航方向行进，会使空间角在张角或者倾斜度上不断靠近目的地点的空间角n取0；如果和和和都不同正负号的，则说明沿着导航方向行进，会使空间角在张角和倾斜度上都不断远离目的地点因此应该反向180°行进，即n取1。

2)当导航沿θ^k移动一定距离之后，测量到达地点的空间角然后按照1中所述过程一步一步向着目的地点导航，直到所到达地点的空间角的水平和垂直分量与目的地点的空间角的两个分量之间的偏差都足够小(具体实施中优选的空间角水平分量和竖直分量的差都小于0.08度，但不限于此)，便认为到达目的地点，导航结束。

本发明的实施例如下：

具体实施中搭建包括三维磁场传感器、三轴陀螺仪4、信号调理系统5和导航显示器6在内的装置进行仿真，三维磁场传感器和三轴陀螺仪4将测量得到的地磁场方向和角度信息传送到信号调理系统5中进行运算得到结果发送到导航显示器6显示。

三维磁场传感器包括霍尼韦尔公司的x方向磁场传感器1、y方向磁场传感器2和z方向磁场传感器3的三个方向相互垂直的传感器，三轴陀螺仪4采用ADI公司的MEMS陀螺仪ADXRS453，信号调理系统5采用单片机控制电路，导航显示器6为指针仪表。

实施例先模拟信天翁的迁徙过程的导航，在导航过程中各个计算点及其导航方向如图3所示，最终两个分量之间的偏差在0.08度以内，即认为到达目的地点。通过GPS卫星跟踪获取了同一只信天翁从瑞典到非洲西部的迁徙路径，基于信天翁的生活特性，它会在每年秋天从瑞典飞往非洲西部，而在每年春天的繁殖季节从非洲西部飞回瑞典，整个迁徙距离大约6884km，用时28天。信天翁从B点飞往A点的迁徙路径如图3(a)中实线表示，在没有任何干扰情况下本实施例的仿真结果如图3(a)中虚线表示，在存在方向误差(即干扰)的情况下本实施例的仿真结果如图3(a)中点线表示，在地理方向存在15度以内随机方向误差的情况下的仿真结果，图中可见导航过程依然实现。

如图3(b)中，黑色实线和虚线分别表示不同年份同一只信天翁从科特迪瓦飞往瑞典的迁徙路径，灰色虚线表示在没有任何干扰情况下采用本方法的计算机仿真结果，灰色实线表示在存在方向误差的情况下本方法实施例的计算机仿真结果，其中灰色点画线表示除信风干扰情况下的计算机仿真结果。因为迁徙中的鸟类受到信风的影响的不确定性造成了该部分难以在计算机中构建仿真模型，所以对于该情况，只对飞过信风带之后的迁徙路径进行了仿真，仿真结果显示本发明导航方法依然能完成导航。

实施例还以模拟海龟进行长距离导航仿真，在导航过程中各个计算点及其导航方向如图4所示，最终两个分量之间的偏差在0.08度范围之内即认为到达目的地点，0.08度为传感器精度决定，如果传感器精度得到提高，导航精度也会相应提高。图中实线是动物导航的试验轨迹，虚线是无干扰下基于本实验的导航仿真结果，点线是干扰情况下基本发明的导航仿真结果。图中可见导航最终到达目标附近停止，导航终止点与目标地点之间的距离有传感器精度确定，随着传感器精度的提高，导航精度随之提高。

由此可见，本发明方法可以在不依赖于任何地理定位信息的情况下，实现长距离地磁导航，具有突出显著的技术效果。

Claims (1)

1.一种基于地磁场空间角度的长距离导航方法，其特征在于：

S1、利用地磁空间角的变化作为导航依据，预设任意一固定地理方向，测量所在地点的地磁场线方向和固定地理方向之间的空间角，空间角通过数学上水平面和竖直平面的分解可以获得两个分量水平分量和竖直分量根据已知的目标地点空间角，推算出所在地点向目标地点的导航方向；

S2、在导航过程中不断重复上述步骤S1进行测量计算，得到移动过程中所在地点空间角在张角和倾斜方位上不断靠近目标地点的导航方向，当测得所在地点的空间角与已知的目标地点空间角的偏差足够小的时候认为到达目标地点，导航结束；

所述的所在地点向目标地点的导航方向θ^k采用以下公式计算得到：

其中，n表示角度参数，和分别表示当前所在地点的空间角的水平和垂直分量，和分别表示当前所在地点的空间角的水平和垂直分量，x和y分别表示正东方向和正北方向，k表示当前计算的序数，k≥2，和分别表示第k步计算中地磁场空间角的水平分量在相邻前后两步所在地点之间沿着正东方向x和正北方向y的变化快慢，同理和分别表示第k步中地磁场空间角的竖直分量在相邻前后两步所在地点之间沿着正东方向x和正北方向y的变化快慢；

所述的四个变化快慢和分别采用以下公式计算得到：

其中，分别表示当前所在地点空间角的水平分量沿着正东方向x和正北方向y的变化，和分别表示当前所在地点空间角的垂直分量沿着正东方向x和正北方向y的变化，分别表示上一步计算所在地点空间角的水平分量沿着正东方向x和正北方向y的变化，和分别表示上一步计算所在地点空间角的垂直分量沿着正东方向x和正北方向y的变化，θ^k-1表示上一步计算所在地点向目标地点的导航方向。