CN107621263B - 一种基于道路磁场特征的地磁定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于道路磁场特征的地磁定位方法，基于室内磁场情况建立地磁基准图数据库，通过获取实际运动的地磁定位终端采集的地磁数据建立地磁实时图，对地磁实时图进行实时图变尺度缩放，之后在一个给定的地磁基准图内进行位置搜索和地磁相关匹配，之后对匹配结果进行相关性判决，选择最优的结果进行输出，地磁定位性能得到了有效提升，确保了地磁定位的可靠性，并自动不断对地磁基准图进行更新，免去了由人员到现场重新测试的麻烦和成本的增加。

Description

一种基于道路磁场特征的地磁定位方法

技术领域

本发明涉及定位技术领域，尤其是一种基于道路磁场特征的地磁定位方法。

背景技术

地磁场、人工建筑产生的磁场，统称为环境磁场。这部分环境磁场随时间较为稳定，其强度(大小)和方向随空间位置的变化而变化。为位置信息的测量提供了一个天然的坐标系。利用环境磁场随位置相关和变化的特性就可以实现对移动体位置的测量。

地磁定位技术作为一种有效的辅助定位手段，其基本原理是，把飞行器工作区域的地磁基准图(参考图)预先存储在计算机中，由飞行器携带的地磁传感器对飞行器飞行路线上的地磁场进行实时测量，构成实时图，并在计算机中与参考图进行相关匹配，计算出飞行器的即时位置，供飞行器修正惯导累积的误差，以应对卫星导航系统被干扰或战时被破坏的极端情况，提高导航系统的可靠性和完备性，该技术也同样可以应用于水下航行器。

近几年，也有专家、学者把飞行器用地磁定位技术拓展应用到室内领域，但相对于飞行器用地磁定位技术，主要有以下几点不同：

(1)相比于飞行器用地磁定位技术，室内地磁定位技术参考的磁场特征中多了人工建筑产生的磁场，人工建筑产生的磁场增加了磁场特征的丰富性，但也增加了磁场特征的易变性，如果按照传统的地磁图更新方法，很可能每半年就要对地磁图更新一次，加大了系统维护成本；

(2)飞行器在飞行区域内行动较为自由，所以地磁参考图一般按照标准网格形式进行存储；室内应用时，无论是人还是设备主要沿着道路行走或移动；

(3)相对于军用惯性导航器件，民用MemsIMU受制于成本，性能较差，误差发散很快，导致行走或移动距离测不准，影响地磁定位结果。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种基于道路磁场特征的地磁定位方法，解决由于载体的运动形式和运动规律不同导致地磁参考图更新方法、搜索定位方法不同，系统成本要求不同导致室内应用的惯导和磁传感器测量精度较差难以满足室内要求的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种基于道路磁场特征的地磁定位方法，包括以下步骤：

步骤S1、建立道路磁场特征的基准图数据库；

步骤S2、获取由运动的地磁定位终端内磁传感器实时测量的地磁特征值构成地磁实时图；

步骤S3、按照一定的比例因子，把所述地磁实时图进行点间距的变尺度缩放，之后进行位置搜索和地磁相关匹配，对匹配结果进行相关性判决，选择最优的匹配结果进行输出；

步骤S4、利用实时测量的地磁场数据对地磁基准图数据进行更新，以应对地磁场数据随环境出现变化的情况。

进一步地，所述步骤S1中建立的所述基准图数据库的初始数据来源于事先对现场道路的实际测量值，所述实际测量的数据包括：

基准图数据的点间距Step：即相邻两个点之间的实际距离；

道路条数：即包含于数据库中的道路的条数；

航向：每条道路的航向信息；

端点信息：每条道路对应的起点坐标和终点坐标；

道路连接图：由每条道路所连接的道路条数以及道路编号构成的无向图；

磁场信息：包括每条道路的名称，包含的磁场点数，以及该条道路上的前向、右向以及垂向磁场信息。

进一步地，所述步骤S2包括如下子步骤：

步骤S201、提取地磁定位终端运动起始位置点的MemsIMU位置和磁场数据，作为地磁实时图起始点；

步骤S202：按地磁定位终端提取数据的时间间隔，依次提取运动载体的MemsIMU位置和磁场数据，并判断当前时刻地磁定位终端的位置到上一个地磁实时图记录时刻位置的距离，当所述距离等于或者大于约定的实时图点间距Step时，则把该点的MemsIMU位置和磁场数据作为实时图数据记录。

步骤S203：统计地磁实时图数据记录的点数是否超过预定的地磁实时图点数Num，如果没有，则更新提取时刻，重复步骤S202；如果实时图内点数满足地磁实时图点数Num，则完成地磁实时图的获取。

进一步地，所述步骤S3包括如下子步骤：

步骤S301、设定变尺度缩放比例因子，所述变尺度缩放比例因子包括缩放因子A和调整因子B，使用变尺度缩放比例因子对地磁实时图进行变尺度缩放；

步骤S302、对变尺度后的实时图点间距进行标准化，通过插值，将地磁实时图点间距调整为基准图数据的点间距Step；

步骤S303、以MemsIMU指示位置为中心，按照大于MemsIMU的定位误差为标准，在给定地磁基准图的一个范围内建立地磁基准子图，进行位置搜索和地磁相关匹配；

步骤S304、对变尺度缩放以后的地磁相关匹配结果进行相关性判决；

进一步地，所述步骤S302中的差值方法为样条插值。

进一步地，所述缩放因子A和调整因子B的范围以能够覆盖由于惯导误差引起的推算距离误差范围为准。

进一步地，所述相关性判决以最短的地磁实时图作为基准，把其它的地磁实时图都调整到这个大小，然后和其对应匹配位置处的基准子图重新计算相关值，相关值的最小值或最大值所对应的基准子图的位置为最终的匹配位置。

进一步地，所述步骤S4包括如下子步骤：

步骤S401、通过地磁定位结果和MemsIMU的定位结果的差值来判断地磁场特征是否发生变化，如果认为地磁场特征发生了变化，按照MemsIMU的位置信息，利用现在测量的磁场数据对地磁基准图相对应位置的磁场数据进行更新；

步骤S402、在磁场数据分段替换时，把地磁实时图调整到基准子图所在的趋势面上，并做插值修正。

进一步地，地磁场特征发生变化的判断依据为，当在定位终端相对匀速前进的情况下，每隔n米对地磁定位结果进行分析，如果地磁定位结果和MemsIMU的定位结果的位置相差m米以上，且这样的情况连续出现了三次以上时，认为地磁场特征发生了变化；其中n取值为1～5米；m取值为1～3米。

进一步地，进行地磁定位过程中，当开展一次道路切换时，依据所述基准图数据库的道路连接图和道路端点信息进行切换后道路的选择。

本发明有益效果如下：

本发明提出的一种基于道路的搜索定位方法，适合在室内条件，定位终端沿道路移动情况下进行搜索定位；增加了实时图变尺度缩放，地磁定位性能得到了有效提升，确保了地磁定位的可靠性，自动不断对地磁基准图进行更新，免去了由人员到现场重新测试的麻烦和成本的增加。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为基于道路磁场特征的地磁定位方法的总体流程图；

图2为地磁实时图获取方法流程图；

图3为地磁实时图变尺度缩放方法流程图；

图4为地磁定位终端相对匀速前进路线示意图；

图5为未更新的基准子图和地磁实时图对比图；

图6为不同更新方法的基准子图和地磁实时图对比图；

图7为本方法更新后的基准子图和地磁实时对比图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

本发明的一个具体实施例，公开了一种基于道路磁场特征的地磁定位方法。

所示地磁定位方法的流程图如图1所示。包括以下步骤：

步骤S1、建立道路磁场特征的基准图数据库。所述基准图数据库的初始数据来源于事先对现场道路的实际测量。所述实际测量的数据共分为六部分：

1)基准图数据的点间距：即相邻两个点之间的实际距离；

2)道路条数：即包含于数据库中的道路的条数nLen；

3)航向：每条道路的航向信息，数据结构为nLen×1的矩阵；

4)端点信息：每条道路对应的起点坐标和终点坐标，数据结构为nLen×4的矩阵；

5)道路连接图：每条道路所连接的道路条数以及道路编号，数据结构为nLen×(nLen+1)的矩阵，其构成一个无向图。实际进行定位过程中，当开展一次道路切换时，依据该无向图以及道路端点信息进行切换后道路的选择。

6)磁场信息：包括每条道路的名称，包含的磁场点数，以及该条道路上的前向、右向以及垂向磁场信息。

步骤S2、按照约定的点间距Step和点数Num，获取由运动的地磁定位终端内磁传感器实时测量的若干个点的地磁特征值构成地磁实时图。

所述点间距Step与所述基准图数据库内存储的点间距相同，所述Num即为地磁实时图的长度。

所述地磁定位终端的运动是由安装(或携带)地磁定位终端的载体(或人)的运动或走动产生的。

所述地磁实时图的数据内容包括：(n,Step,Ss_X,Ss_Y,Ss_F)，n为地磁实时图测量点的编号，最大值为Num，Step是地磁实时图的点间距，Ss_X,Ss_Y是测量点的坐标值，所述测量点的坐标值由MemsIMU给出，Ss_F是所述地磁定位终端在测量点测量的地磁场总场强度。

如图2所示，所述步骤2包括如下子步骤：

步骤S201、提取地磁定位终端运动起始位置点的MemsIMU位置和磁场数据，作为地磁实时图起始点，将数据记录到数组(Ss_X,Ss_Y,Ss_F)中。

步骤S202、按地磁定位终端提取数据的时间间隔，依次提取地磁定位终端的MemsIMU位置和磁场数据，并判断当前时刻载体的位置到上一个地磁实时图记录时刻载体位置的距离，当所述距离等于或者大于约定的实时图点间距Step时，则把该点的MemsIMU位置和磁场数据作为实时图数据记录到数组(Ss_X,Ss_Y,Ss_F)中。

步骤S203、统计地磁实时图数据记录的点数是否超过预定的地磁实时图点数Num，如果没有，则更新提取时刻，重复步骤S202；如果实时图内点数满足预定的实时图长度Num，则完成地磁实时图的获取。

步骤S3、按照一定的比例因子，把所述地磁实时图进行点间距的变尺度缩放，之后进行位置搜索和地磁相关匹配，对匹配结果进行相关性判决，选择最优的匹配结果进行输出。如图3所示，包括如下子步骤：

步骤S301、根据MemsIMU的误差变化特性，设定变尺度缩放比例因子，所述变尺度缩放比例因子包括缩放因子A和调整因子B，使用变尺度缩放比例因子对地磁实时图进行变尺度缩放。

所述缩放因子A和调整因子B的范围以能够覆盖由于惯导误差引起的推算距离误差范围为准。

变换前的实时图数据为：(Ss_X,Ss_Y,Ss_F)；变换后的实时图数据为(Ss_AX,Ss_AY,Ss_AF)，Ss_AX,Ss_AY是进行变尺度缩放后测量点的坐标值，Ss_AF是进行变尺度缩放后测量点的地磁场总场强度。其中，式中，j代表地磁实时图中每一个数据的标号。

步骤S302、对变尺度缩放后的实时图点间距进行标准化。

变尺度后地磁实时图的点间距发生了变化，不再是Step，而地磁基准图存储的磁场数据点间距为Step，所以需要通过样条插值，将地磁实时图点间距调整为Step；但经过样条插值后，地磁实时图的点数会发生变化，记调整后的实时图点数为Num_new。经过调整后新的实时图特征数据为(Num_New,Ss_AX_New,Ss_AY_New,Ss_AF_New)，所述Ss_AX_New，Ss_AY_New为变尺度后测量点的坐标值，Ss_AF_New为变尺度后测量点的地磁场总场强度。

步骤S303、以MemsIMU指示位置为中心，按照大于MemsIMU的定位误差为标准，在给定地磁基准图的一个范围内建立地磁基准子图，进行位置搜索和地磁相关匹配；。

给定的地磁基准图，以MemsIMU指示位置为中心，搜索范围为(Lim_X,Lim_Y)建立地磁基准子图，所述Lim_X为X向搜索范围，所述Lim_Y为Y向的搜索范围，所述Lim_X、Lim_Y均大于MemsIMU的定位误差，在这个搜索范围内以磁场数据点间距Step遍历基准子图中每一个位置，计算基准子图与地磁实时图的相关值，找到最小的(差相关算法)或最大的(积相关算法)的相关值，并把这个最小相关值所对应的基准子图的位置记录下来。当完成所有的变尺度缩放匹配后，得到一个待选的位置数组，对应每一个变尺度缩放后的匹配位置。

步骤S304、对变尺度缩放以后的地磁匹配结果进行相关性判决。

地磁实时图变尺度缩放后，其大小发生了变化，找到缩放后最短的地磁实时图，以最短的地磁实时图作为基准，把其它的地磁实时图都调整到这个大小，然后和其对应匹配位置处的基准子图重新计算相似度值，相似度值最小(平均绝对差相关算法)或最大的(积相关算法)所对应的基准子图的位置即为最终的匹配位置。

步骤S4、利用实时测量的地磁场数据对地磁基准图数据进行更新，以应对地磁场数据随环境出现变化的情况。包括如下子步骤：

步骤S401、通过地磁定位结果和MemsIMU的定位结果的差值来判断地磁场特征是否发生变化，是，则按照MemsIMU的位置信息，利用当前测量的磁场数据对地磁基准图相对应位置的磁场数据进行更新；

地磁场特征发生变化的判断依据为，当在定位终端相对匀速前进的情况下，每隔n米对地磁定位结果进行分析，如果地磁定位结果和MemsIMU的定位结果的位置相差m米以上，且这样的情况连续出现了三次以上时，认为地磁场特征发生了变化。

图4给出一个具体的地磁场特征发生变化的判断实例，在定位终端相对匀速前进的情况下，每隔1m对地磁定位结果进行分析，如果地磁定位结果和MemsIMU的定位结果的位置相差3m以上，且这样的情况连续出现了三次以上，认为地磁场特征由于环境的变化发生了改变，导致地磁定位不能正确配准。此时需要利用现在测量的磁场数据，按照MemsIMU的位置信息，对地磁准图相对应位置的磁场数据进行更新，以确保下次走到相同位置匹配时，地磁定位能够给出正确位置。

步骤S402、在磁场数据更新时，由于误差的存在，地磁实时图和要更新的基准图边界磁场存在一定的台阶效应，因此在分段替换时需要把实时图调整到基准子图所在的趋势面上，并做插值修正，使整个磁场的变化趋势较为平滑，接近真实情况。

依据本步骤，通过对发生变化的磁场特征进行有效更新，自动不断对地磁基准图进行更新，免去了由人员到现场重新测试的麻烦和成本的增加。

在本实施例的步骤S402中，为消除台阶效应，插值修正前后的地磁场的变化如图5、6、7所示，图5是同一条道路的基准磁场(上曲线)和实时磁场(下曲线)，从图中看出，由于环境磁场发生了变化，道路中部圈起来的部分磁场特征发生了改变，而道路起始和后半段磁场特征变化一致，导致圈起部分地磁定位没有配准，给出了错误的位置。而道路起始位置和后半段都能准确配准。因此需要把发生变化的部分，进行更新。图6的上曲线是直接更新的结果，可以看出存在较明显的台阶效应，不符合地磁场的实际变化规律。图6的下曲线是采用本发明的方法进行更新后的效果，整个磁场的变化趋势较为平滑，图7为更新后的基准子图和地磁实时图对比，粗线为采用本发明的方法进行插值后的效果，细线为实时磁场，可见插值后的整个磁场更接近真实情况。

如表1所示，通过对实时图包含缩放与否匹配结果进行对比，验证了增加实时图变尺度缩放后，地磁定位性能得到了有效提升，确保了地磁定位的可靠性。

表1实时图包含缩放与否匹配效果

	无缩放	含有缩放
			配准概率	89.5％	94.7％
定位精度	1.4m	0.6m

如表2所示，通过对地磁数据库进行更新以后的匹配结果进行对比，验证了地磁图更新方法的有效性以及对地磁定位系统的重要性。

表2地磁基准图更新前后匹配效果对比

	基准图更新前	基准图更新后
			配准概率	94.7％	98.7％
定位精度	0.6m	0.5m

综上所述，本发明实施例提供了一种基于道路磁场特征的地磁定位方法，适合在室内条件，定位终端沿道路移动情况下进行搜索定位；增加了实时图变尺度缩放，地磁定位性能得到了有效提升，确保了地磁定位的可靠性，自动不断对地磁基准图进行更新，免去了由人员到现场重新测试的麻烦和成本的增加。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于道路磁场特征的地磁定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、建立道路磁场特征的基准图数据库；

步骤S2、实时测量地磁特征值构成地磁实时图；

步骤S3、按照一定的比例因子，将所述地磁实时图进行点间距的变尺度缩放，缩放后进行位置搜索和地磁相关匹配，选择最优的匹配结果进行输出；

步骤S4、利用实时测量的地磁场数据对地磁基准图数据进行更新，以应对地磁场数据随环境出现变化的情况；

所述步骤S4包括如下子步骤：

步骤S401、通过地磁定位结果和MemsIMU的定位结果的差值来判断地磁场特征是否发生变化，是，则按照MemsIMU的位置信息，利用当前测量的磁场数据对地磁基准图相对应位置的磁场数据进行更新；

地磁场特征发生变化的判断依据为，当在定位终端相对匀速前进的情况下，每隔n米对地磁定位结果进行分析，如果地磁定位结果和MemsIMU的定位结果的位置相差m米以上，且这样的情况连续出现了三次以上时，认为地磁场特征发生了变化，导致地磁定位不能正确配准，其中n取值为1～5米；m取值为1～3米；此时需要利用现在测量的磁场数据，按照MemsIMU的位置信息，对地磁基准图相对应位置的磁场数据进行更新；

步骤S402、在磁场数据更新时，由于误差的存在，地磁实时图和要更新的基准图边界磁场存在一定的台阶效应，因此在分段替换时需要把实时图调整到基准子图所在的趋势面上，并做插值修正，使整个磁场的变化趋势较为平滑，接近真实情况。

2.根据权利要求1所述的地磁定位方法，其特征在于，所述步骤S1中建立的所述基准图数据库的初始数据来源于事先对现场道路的实际测量值，所述实际测量的数据包括：

基准图数据的点间距Step：即相邻两个点之间的实际距离；

道路条数：即包含于数据库中的道路的条数；

航向：每条道路的航向信息；

端点信息：每条道路对应的起点坐标和终点坐标；

道路连接图：由每条道路所连接的道路条数以及道路编号构成的无向图；

磁场信息：包括每条道路的名称，包含的磁场点数，以及该条道路上的前向、右向以及垂向磁场信息。

3.根据权利要求1所述的地磁定位方法，其特征在于，所述步骤S2包括如下子步骤：

步骤S201、提取地磁定位终端运动起始位置点的MemsIMU位置和磁场数据，作为地磁实时图起始点；

步骤S202：按地磁定位终端提取数据的时间间隔，依次提取运动载体的MemsIMU位置和磁场数据，并判断当前时刻地磁定位终端的位置到上一个地磁实时图记录时刻位置的距离，当所述距离等于或者大于约定的实时图点间距Step时，则把该点的MemsIMU位置和磁场数据作为实时图数据记录；

步骤S203：统计地磁实时图数据记录的点数是否超过预定的地磁实时图点数Num；否，则更新提取时刻，重复步骤S202；是，则完成地磁实时图的获取。

4.根据权利要求1所述的地磁定位方法，其特征在于，所述步骤S3包括如下子步骤：

步骤S301、设定变尺度缩放比例因子，所述变尺度缩放比例因子包括缩放因子A和调整因子B，使用变尺度缩放比例因子对地磁实时图进行变尺度缩放；

步骤S302、对变尺度缩放后的实时图点间距进行标准化，通过插值，将地磁实时图点间距调整为基准图数据的点间距Step；

步骤S303、以MemsIMU指示位置为中心，按照大于MemsIMU的定位误差为标准，在给定地磁基准图的一个范围内建立地磁基准子图，进行位置搜索和地磁相关匹配；

步骤S304、对地磁相关匹配结果进行相关性判决。

5.根据权利要求4所述的地磁定位方法，其特征在于，所述步骤S302中的插值方法为样条插值。

6.根据权利要求4所述的地磁定位方法，其特征在于，所述缩放因子A和调整因子B的调整范围以能够覆盖由于惯导误差引起的推算距离误差范围为准。

7.根据权利要求4所述的地磁定位方法，其特征在于，所述相关性判决以最短的地磁实时图作为基准，将其它的地磁实时图均调整到基准大小，然后和其对应匹配位置处的基准子图重新计算相似度，在采用绝对平均差匹配方法进行匹配时，选择相似度值的最小值所对应的基准子图的位置为最终的匹配位置，采用积相关匹配方法进行匹配时，选择相似度值的最大值所对应的基准子图的位置为最终的匹配位置。

8.根据权利要求2-7任一所述的地磁定位方法，其特征在于，进行地磁定位过程中，当开展一次道路切换时，依据所述基准图数据库的道路连接图和道路端点信息进行切换后道路的选择。