CN107907134A - 一种里程信息辅助地磁匹配的车辆定位系统与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种里程信息辅助地磁匹配的车辆定位系统与方法，能够满足不同路况环境下车辆的高精度定位需求，并且处理过程计算简便，易于工程实现。本发明所述系统的离线建立地磁基准库模块采用地磁异常场数据建立地磁基准库，使得地磁基准库具有高的空间分辨率，进而实现高精度定位；采用里程信息完成对地磁基准库数据与实测地磁数据的空间刻度化匹配处理，处理过程计算简便，易于工程实现。本发明所述方法采用地磁异常场数据建立基准库，使得地磁基准库具有高的空间分辨率，显著提高了定位精度；采用里程信息完成对基准库地磁数据与实测地磁数据的空间刻度化匹配处理，处理过程计算简便，易于工程实现。

Description

一种里程信息辅助地磁匹配的车辆定位系统与方法
方法领域
本发明属于导航定位方法技术领域，具体涉及一种里程信息辅助地磁匹配的车辆定位系统与方法。
背景方法
军用车辆需要具备远距离奔袭作战能力，这就要求为其装备的导航系统能够长航时、长距离保持较高的定位精度。传统惯性导航系统(INS)、航位推算系统(DR)由于存在惯性器件及里程计的误差发散，无法满足性能要求。同时，全球卫星导航系统(GNSS)容易受到外界的干扰及欺骗，通常不被作为军用车辆的导航方式。
通过新型导航方法获得精确位置信息成为车辆导航领域的重要发展导向：RFID路标定位、陆基无线电网络定位、地图匹配定位、地磁定位等方法都取得了一系列的研究成果。其中，RFID路标定位、陆基无线电网络定位等方法虽然能够满足车辆定位需求，但是需要预先铺设大量信标或者基站，成本较高，不易于工程实现；地图匹配定位方法成本相对较低，但只在匹配路段特征比较明显时，才具有较好匹配效果，并且在道路密集、道路形状复杂和交叉路口等情况下，存在运算实时性差、匹配准确率低等问题；地磁定位方法不需要大量基站与信源设备的铺设，具有成本低、无辐射、隐蔽性强、误差不随时间累积的优点，目前基于地磁匹配的定位方法采用的基准模型是基于地球主磁场数据建立的，基准模型数据空间分辨率较低，致使定位精度处于百米量级，并不能满足高精度(小于或等于米级)车辆定位需求。另外，目前基于地磁匹配的定位方法主要借鉴于地形匹配，直接采用最小距离法、最大相关系数法计算实测地球磁场数据与基准模型数据间匹配结果并得到位置估计值。但由于实测地磁数据与基准数据的空间尺度通常不一致，导致计算过程复杂，不易于工程实现。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种里程信息辅助地磁匹配的车辆定位系统与方法，能够满足不同路况环境下车辆的高精度定位需求，并且处理过程计算简便，易于工程实现。
为实现上述目的，本发明所述的里程信息辅助地磁匹配的车辆定位系统，包括地磁基准库建立模块和地磁匹配模块；
其中，所述地磁基准库建立模块包括第一地磁传感器、位置基准设备以及建库单元；所述第一地磁传感器用于采集待定位区域的地磁异常场数据；所述位置基准设备用于标定地磁异常场数据相应的地理坐标；所述建库单元用于对标定有地理坐标的地磁异常场数据进行里程间隔采样，得到基准库地磁数据；
所述地磁匹配模块包括第二地磁传感器、车辆里程计及定位单元；所述第二地磁传感器用于采集车辆的实时地磁异常场数据；所述车辆里程计用于测量车辆的实时里程信息；所述定位单元基于车辆的实时里程信息对车辆的实时地磁异常场数据进行里程间隔采样，得到实测地磁数据，并用最大相关系数法对实测地磁数据与基准库地磁数据进行匹配解算，得到相应的匹配位置，匹配位置有效时，匹配位置输出为车辆行驶位置的估计值，否则，则舍弃该匹配位置，车辆行驶位置的估计值不输出；
其中，定位单元的里程间隔采样与建库单元的里程间隔采样一致。
进一步地，所述里程间隔采样为里程等间隔采样。
进一步地，当相关系数最大值大于相关系数门限值时，匹配位置有效；其中，相关系数门限值根据实际情况设定。
采用本发明所述系统的一种车辆定位方法，包括如下步骤：
步骤1、采集待定位区域的地磁异常场数据以及相应的地理坐标；
对标定有地理坐标的地磁异常场数据进行里程间隔采样，得到基准库地磁数据；
步骤2、采集车辆的实时地磁异常场数据与车辆的实时里程信息；
基于车辆的实时里程信息，对车辆的实时地磁异常场数据进行里程间隔采样，得到实测地磁数据；
用最大相关系数法对实测地磁数据与基准库地磁数据进行匹配解算，得到相应的匹配位置，匹配位置有效时，输出为车辆行驶位置的估计值，否则，则舍弃该匹配位置，车辆行驶位置的估计值不输出。
较佳地所述最大相关系数法的相关系数为：
其中，rn为相关系数，上标T表示转置，为基准库地磁数据的平均值，为实测地磁数据的平均值，n表示第n个地磁基准库的里程采样点，n＝1，2，...，N，N为地磁基准库的里程采样点总数，i表示第i个实测地磁数据点，w为待匹配的实测地磁数据点个数，为第n-i个基准库地磁数据，为第w-i实测地磁数据。
较佳地，采用最大相关系数法对待匹配的实测地磁数据与基准库地磁数据进行匹配解算时，首先全局搜索地磁基准库，得到最相关位置；
然后，以最相关位置为中心，按预设搜索半径，确定地磁基准库搜索区域；
采用最大相关系数法计算对待匹配的实测地磁数据与地磁基准库搜索区域中的基准库地磁数据进行匹配解算。
有益效果：
本发明所述系统的离线建立地磁基准库模块采用地磁异常场数据建立地磁基准库，使得地磁基准库具有高的空间分辨率，进而实现高精度定位；采用里程信息完成对地磁基准库数据与实测地磁数据的空间刻度化匹配处理，处理过程计算简便，易于工程实现。
本发明所述方法采用地磁异常场数据建立基准库，使得地磁基准库具有高的空间分辨率，显著提高了定位精度；采用里程信息完成对基准库地磁数据与实测地磁数据的空间刻度化匹配处理，处理过程计算简便，易于工程实现。
本发明所述方法利用改进的最大相关系数法，即零均值相关系数法进行匹配解算，得到位置估计结果，能够消除地磁传感器与零偏不一致的影响。
附图说明
图1为本发明地磁匹配的车辆定位方法流程图；
图2为离线建立地磁基准库原理图；
图3为在线数据匹配示意图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
地球近地空间内任意一点的地磁场具有唯一性，且理论上与该点的地理坐标唯一对应，只要准确确定各点的地磁场数据即可实现全球定位。将车辆行驶路线的地磁场数据作为特征值，并与所处位置的地理坐标相匹配，即可形成地磁基准库。基于地磁匹配的技术特点，本发明提出了一种里程信息辅助地磁匹配的车辆定位系统与方法，位置匹配精度高，可满足城市峡谷、高速、山路等不同路况环境下车辆的定位需求。
本发明的里程信息辅助地磁匹配的车辆定位系统包括离线建立地磁基准库模块和在线实时地磁匹配模块；
其中，离线建立地磁基准库模块包括地第一磁传感器、高精度位置基准设备、模拟里程计以及离线建库计算机，其中第一地磁传感器、高精度位置基准设备均通过数据接口与离线建库计算机连接。第一地磁传感器用于采集车辆行驶路线的地磁异常场数据，高精度位置基准设备用于标定地磁异常场数据相应的地理坐标，离线建库计算机用于对地磁异常场数据和相应的地理坐标进行等里程间隔采样，获得一系列带有里程信息的地磁异常场数据和相应的地理坐标采样点，并以各个采样点建立地磁基准库。离线建立地磁基准库原理图如图2所示，
在线实时地磁匹配模块包括第二地磁传感器、车辆里程计及实时定位计算机，其中第二地磁传感器、车辆里程计均通过数据接口与实时定位计算机连接。第二地磁传感器用于采集车辆行驶路线上车辆的实时地磁异常场数据，车辆里程计用于测量车辆的里程信息，实时定位计算机通过里程信息将车辆的实时地磁异常场数据与地磁基准库中的地磁异常场数据和相应的地理坐标进行匹配定位解算，得到相应的匹配位置，匹配位置有效时，匹配位置输出为车辆行驶位置的估计值，否则，则舍弃该匹配位置，该处车辆行驶位置的估计值不输出。
本发明所述方法包括离线建立地磁基准库和在线实时地磁匹配两部分：
步骤1、离线建立地磁基准库：采样获得一系列里程均匀分布的地磁异常场数据和相应的地理坐标，联合起来即完成地磁基准库的建立。具体实施包括如下子步骤：
步骤1.1，地磁数据测量：车辆行驶在待建库的路线上，地磁传感器实时采集地磁异常场数据(m,t)；
步骤1.2，位置基准及里程信息测量：高精度位置基准设备实时测量车辆行驶路线的地理坐标(x,t)，并计算对应的里程信息(d,t)；
步骤1.3，地磁特征空间建模：对地理坐标(x,t)、地磁异常场数据(m,t)、里程信息(d,t)进行线性插值处理，提升采样频率且实现测量时刻的对齐，得到由时间对齐后的地理坐标、地磁异常场数据及里程信息组成的序列(x,m,d)；
按照预设的里程间隔Δd对序列(x,m,d)进行里程等间隔采样，得到地磁基准库其中，Δd为里程等间隔采样过程的里程间隔，n表示第n个里程采样点，N为地磁基准库的里程采样点总数。
本实施例中，地磁基准库建立过程公式表达如下：
式中，(x,t)为等时间间隔采样的地理坐标，(m,t)为等时间间隔采样的地磁异常场数据，(d,t)为等时间间隔模拟计算出的里程信息；(x,m,d)为时间对齐后的地理坐标、地磁异常场数据及里程信息组成的序列；为里程等间隔采样后的地理坐标、基准库地磁数据及里程信息组成的序列，序列即为所建立的地磁基准库；
步骤2、在线实时地磁匹配定位，包括如下子步骤：
步骤2.1，采集实时地磁异常场数据与车辆的实时里程信息：地磁传感器采集车辆的实时地磁异常场数据；车辆里程计用于测量车辆的实时里程信息；
结合车辆里程计测量的车辆的实时里程信息，按照步骤1.3中的里程间隔Δd对实时地磁异常场数据进行采样，得到实测地磁数据，记为i第i个实测地磁数据点序号。
本实施例中选取最新采集的w个测量值作为待匹配的实测地磁数据，取w作为里程窗口区间，物理意义是在里程上取距离为D＝w·Δd长度的实测地磁数据与基准库地磁数据进行滑动匹配，匹配过程如图3所示，图3中，为第i个实测地磁数据点，为第n个基准库地磁数据点，为实测地磁数据相应的地理坐标。
步骤2.2，全局搜索地磁基准库，采用最大相关系数法对待匹配的实测地磁数据与基准库地磁数据进行匹配解算，得到最相关位置；
以最相关位置为中心，预设的搜索范围dr为半径，确定地磁基准库搜索区域，dr为按经验的预设值，本实施例中设置dr＝50Δd；
步骤2.3，采用最大相关系数法计算待匹配的实测地磁数据与地磁基准库搜索区域中的基准库地磁数据的相关系数，相关系数最大值rmax，对应的地理坐标xopt即为最佳匹配位置，当rmax大于所设定的门限rt时，最佳匹配位置xopt有效，最佳匹配位置xopt输出为车辆行驶位置的估计值，否则，则舍弃该最佳匹配位置，该处车辆行驶位置的估计值不输出。其中，rt为预设的相关系数门限，根据实际情况进行设定。
另外，本发明提出改进的最大相关系数法，即零均值相关系数法计算待匹配的实测地磁数据与地磁基准库搜索区域中的基准库地磁数据的相关系数，零均值化处理的意义在于消除地磁传感器零偏不一致的影响。
采用零均值相关系数法获得车辆行驶位置的估计值的公式如式(2)所示：
式(2)反映两变量monline和mmap间的相关程度，在搜索区间n∈(w,N)内，相关系数rn最大值rmax所对应的地理坐标xopt即为最佳匹配位置，rn为相关系数，为基准库地磁数据的平均值，为实测地磁数据的平均值，n＝1，2，...，N，n表示第n个地磁基准库的里程采样点，N为地磁基准库的里程采样点总数，i表示第i个实测地磁数据点，w为待匹配的实测地磁数据点个数，为第n-i个基准库地磁数据，为第w-i实测地磁数据。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种里程信息辅助地磁匹配的车辆定位系统，其特征在于，包括地磁基准库建立模块和地磁匹配模块；
其中，所述地磁基准库建立模块包括第一地磁传感器、位置基准设备以及建库单元；所述第一地磁传感器用于采集待定位区域的地磁异常场数据；所述位置基准设备用于标定地磁异常场数据相应的地理坐标；所述建库单元用于对标定有地理坐标的地磁异常场数据进行里程间隔采样，得到基准库地磁数据；
所述地磁匹配模块包括第二地磁传感器、车辆里程计及定位单元；所述第二地磁传感器用于采集车辆的实时地磁异常场数据；所述车辆里程计用于测量车辆的实时里程信息；所述定位单元基于车辆的实时里程信息对车辆的实时地磁异常场数据进行里程间隔采样，得到实测地磁数据，并用最大相关系数法对实测地磁数据与基准库地磁数据进行匹配解算，得到相应的匹配位置，匹配位置有效时，匹配位置输出为车辆行驶位置的估计值，否则，则舍弃该匹配位置，车辆行驶位置的估计值不输出；
其中，定位单元的里程间隔采样与建库单元的里程间隔采样一致。
2.如权利要求1所述的一种里程信息辅助地磁匹配的车辆定位系统，其特征在于，所述里程间隔采样为里程等间隔采样。
3.如权利要求1所述的一种里程信息辅助地磁匹配的车辆定位系统，其特征在于，当相关系数最大值大于相关系数门限值时，匹配位置有效；其中，相关系数门限值根据实际情况设定。
4.一种车辆定位方法，采用如权利要求1、2或3所述系统，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、采集待定位区域的地磁异常场数据以及相应的地理坐标；
对标定有地理坐标的地磁异常场数据进行里程间隔采样，得到基准库地磁数据；
步骤2、采集车辆的实时地磁异常场数据与车辆的实时里程信息；
基于车辆的实时里程信息，对车辆的实时地磁异常场数据进行里程间隔采样，得到实测地磁数据；
用最大相关系数法对实测地磁数据与基准库地磁数据进行匹配解算，得到相应的匹配位置，匹配位置有效时，输出为车辆行驶位置的估计值，否则，则舍弃该匹配位置，车辆行驶位置的估计值不输出。
5.如权利要求4所述的一种车辆定位方法，其特征在于，所述最大相关系数法的相关系数为：
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其中，rn为相关系数，上标T表示转置，为基准库地磁数据的平均值，为实测地磁数据的平均值，n表示第n个地磁基准库的里程采样点，n＝1，2，...，N，N为地磁基准库的里程采样点总数，i表示第i个实测地磁数据点，w为待匹配的实测地磁数据点个数，为第n-i个基准库地磁数据，为第w-i实测地磁数据。
6.如权利要求4所述的一种车辆定位方法，其特征在于，采用最大相关系数法对待匹配的实测地磁数据与基准库地磁数据进行匹配解算时，首先全局搜索地磁基准库，得到最相关位置；
然后，以最相关位置为中心，按预设搜索半径，确定地磁基准库搜索区域；
采用最大相关系数法计算对待匹配的实测地磁数据与地磁基准库搜索区域中的基准库地磁数据进行匹配解算。
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