CN108240810A - 地下空间三维磁感应定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地下空间三维磁感应定位系统，包括多个三维磁发射机和多个三维磁接收机。发射机使用三个正交线圈产生甚低频磁感应场，可穿透岩石来进行精确的三维定位；接收机则使用相应的三维正交线圈来检测微弱的准静态磁场，并确定其位置。本发明对定位范围内的多个发射机的摆放没有特定要求，只需随意放置便可，在应用中，最低只要2个发射机即可确定接收机的定位。同时，本发明的优点在于仅需知道一个锚发射机的精确位置信息，其余发射机的定位都可以从接收机获得的测量数据进行迭代细化得到。且甚低频波可以在地下空间无损耗地传播，因此避免了基于射频的定位技术发生无视距传播、极端路径损耗和多径衰落等现象。

Description

地下空间三维磁感应定位系统

技术领域

本发明涉及监测和定位系统，特别涉及一种适用于地下空间的三维磁感应定位系统。

背景技术

定位导航问题伴随着人们的日常生产、生活要求，从最早地面上的标记物，到灯塔，再到罗盘，都见证了定位技术发展的重要性。目前应用最广泛的全球定位系统主要适用于视线明朗、几乎无遮挡的空地、野外等(一般定位精度为米级)，而在视线不明朗的灌木林荫或室内等地方时，GPS通常因找不到足够数量的定位卫星而无法精准定位。同时，一些传统的定位解决方案仅局限于传统室内定位，例如基于无线射频识别技术的定位解决方案。

但由于诸如隧道和矿山等地下空间的不稳定性、封闭性等多个特征，传统室内定位技术并不适用于地下条件。目前国内外各实验室对于地下空间定位的研究，主要是通过改进各类室内定位算法，例如“零锚节点定位矿山中的移动目标”；又如“基于超宽带的无线传感器网络监控技术”，理论上可用于监测地下矿井的结构变化与坍塌事故的发生。然而由于地下结构不稳定，人为因素扰动影响大，这些基于射频的定位技术面临着诸多挑战，诸如严重的路径损耗、无视距传播、多径衰落、噪声、空气电离等，最大的限制是锚节点之间的几何距离不佳。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提供一种适合于复杂混乱地下空间(如隧道、矿井等)中目标定位的新方法——三维磁感应定位,包括：

通过建立准静态场来定位，故墙壁、地板和人等会严重影响基于高频无线电、声或光定位技术的敏感性、精确度的障碍物对准静态磁场来说是“透明”的。

通过使用甚低频率的磁感应向量场，低频波可以无损耗传播。

由于波长较长，可以有效克服多径效应的影响。

具体地，本发明采用以下的技术方案：

地下空间的三维磁感应定位系统，包括三维磁发射机与三维磁接收机。所述三维磁发射机，使用三个正交线圈产生低频磁感应场，而所述三维磁接收机则使用相应的三维正交线圈来检测微弱的准静态磁场，并确定接收机的位置。

所述磁发射机分为两种，一种为系统所需一个已知位置的磁发射机，称为锚发射机，另一种为可以随意放置的未知位置信息的磁发射机，称为次级发射机。

所述三维磁接收机包括传感器模块、磁信号处理模块和定位模块。所述传感器模块与磁信号处理模块相连，所述磁信号处理模块与所述定位模块相连。

所述传感器模块包括：一个由三个相互正交的线圈构成的磁感应传感器，用以在任意位置测量磁矢量场，和一个惯性测量单元。所述惯性测量单元主要用途为稳定旋转，即保证在帧传输过程中，每个接收机线圈中检测到的磁信号不受用户方向的快速变化的影响。

所述磁信号处理模块内主要是完成三维磁信道模型的建立，所述三维磁信道模型的建立主要是围绕估计测量三维磁信道矩阵。所述三维磁信道矩阵S为一个3×3的矩阵，矩阵中的元素s_j,i的物理意义为，第j个接收机线圈感应到的第i个发射机线圈的感应电压。

所述定位模块包括两种工作模式：网络部署和发现模式与用户模式。所述网络部署和发现模式的主要目的是定位好已部署的所有发射机的位置和旋转角度，并确定整个覆盖范围的空间拓扑结构。而所述定位模式的主要目标为决定接收机的最终精确位置。所述网络部署和发现模式主要分为三个步骤，分别为确定接收机的一个相对位置，确定接收机的多个测试位置，精确计算接收机的估计位置。

本发明的有益效果：

(1)弥补了全球定位系统(GPS)在室内定位中的欠缺。基于GPS的各类定位应用主要适用于视线明朗、几乎没有遮挡的空地、野外等(一般定位精度为米级)，然而在视线不明朗的灌木林荫或室内或负层商场等，GPS通常因搜索不到足够数量的定位卫星而发生无法精准定位的现象。

(2)避免了基于射频的定位技术在地下空间所需面临的严峻挑战。由于地下空间结构不稳定，加之人为因素扰动影响大，无线电波的传播极易受阻，这些基于射频的定位技术面临着诸多挑战，诸如严重的路径损耗、无视距传播、多径衰落、噪声、空气电离和波导的影响等。

(3)省去了传统定位技术在地下空间中定位的冗余复杂操作。三维磁定位系统可以利用单一的已知位置的发射机来提供整个定位网络范围内良好的三维定位精度，对定位网络中部署的其他节点之间的几何距离没有限制。

(4)所述磁发射机穿透岩石等障碍物时，定位精度基本不会因此而降低，这对于曲折、狭窄的地下隧道内定位来说是较为理想的特点。

(5)本发明还公开了三种子算法：

1)由单一已知位置的参考锚节点引导估计二次锚节点位置的算法；

2)仅使用一个锚节点，通过迭代细化接收机和二次锚节点的位置和方向信息的校准算法；

3)一种融合多个锚节点信息来提高定位精度的优化算法；

本发明可以利用较简单的基础部署，来获得较精确可靠的三维跟踪效果，非常适合用于地下救援、地下矿井勘测等行动。未来，待技术成熟后，也可以考虑将本定位技术用于医疗器械中，方便在人体内进行病灶勘测等工作。

附图说明

图1为三维磁感应定位系统的基本构架

图2为三维磁接收机的基本构架

图3为三维磁感应定位系统的网络部署图

图4为融合优化定位误差算法流程图

图5为三维磁感应定位算法流程图

附图的标记含义如下：

1：锚发射机；

2：未知位置接收机；3：未知位置次级发射机；

4：已知位置接收机；5：已知位置次级发射机

具体实施方式

下面将结合说明书附图，对本发明做进一步的说明。

如图1所示为三维磁感应定位系统的基本构架，在实际应用中，整体系统主要有两部分硬件构成，一为多个三维磁发射机(系统的基础设施)，二为多个三维磁接收机(用户设备)。整体定位网络中仅需知道一个已知位置和旋转角度的发射机，这个发射机即为定位网络中的锚节点，简称为锚发射机，它在整个网络中充当着重要的角色。将其余未知位置和旋转角度的发射机称为次级发射机。

如图2所示为三维磁接收机的基本构架，包括传感器模块、磁信号处理模块和定位模块。所述传感器模块与磁信号处理模块相连，所述磁信号处理模块与所述定位模块相连。

所述传感器模块包括：磁感应传感器和惯性测量单元，所述磁感应传感器由三个相互正交的线圈构成，用以在任意位置测量磁矢量场，所述惯性测量单元主要用途为稳定旋转，即保证在帧传输过程中，每个接收机线圈中检测到的磁信号不受用户方向的快速变化的影响。

所述磁信号处理模块内主要是完成三维磁信道模型的建立，所述三维磁信道模型的建立主要是围绕估计测量三维磁信道矩阵。

所述定位模块包括两种工作模式：网络部署和发现模式与用户模式。所述网络部署和发现模式的主要目的是定位好已部署的所有发射机的位置和旋转角度，并确定整个覆盖范围的空间拓扑结构。而所述用户模式的主要目标为确定接收机的最终精确位置。因为所有的计算都是在接收机端完成的，所以发射机与接收机之间无需建立双向通信连接。整个系统可以说是，以接收机为中心的，所以整个系统所支持的接收机的数目是趋近无穷多的，每个接收机都可以独立利用自己收到的发射机的信号来定位自己的所在位置。当系统具有多个接收机时，系统的整体运行速度可以得到提升，但是在本发明实例中，为了方便阐述整个算法，仅考虑系统中只有一个接收机的情况。

所述三维磁信道矩阵S为一个3×3的矩阵，矩阵中的元素s_j,_i的物理意义为，第j个接收机线圈感应到的第i个发射机线圈的感应电压。对所述三维磁信道矩阵的推导如下：假设三维磁发射机在坐标系的原点，(x,y,z)＝[0,0,0]^T。而三维接收机的位置可以用相对发射机的位置矢量r＝[x_r,y_r,z_r]^T来表示。发射机与接收机之间的距离为

r＝||r||₂

信号从发射机的X轴、Y轴和Z轴依次发射，相应的磁矩表示为

m_i＝N_TXI_TXA_TXe_i

其中，N_TX为发射机线圈的匝数，I_TX为发射机线圈的电流，A_TX为发射机线圈的横截面积，e_i，i＝1,2,3为基向量。

给定一个任意的磁矩m，则在任意位置矢量r处的磁感应强度可以利用磁偶极子方程表示为

其中，μ_TX为发射机线圈磁芯的磁导率，I₃是3×3的单位矩阵，(·)^T表示矩阵转置，所以对于每个磁矩m_i，i＝1,2,3来说，我们都可以获得一个相应的b_i＝B(r,m_i)

令正交矩阵Ω∈SO(3)表示发射机相对于接收机的旋转角度，将矢量b_i构成矩阵B_1,2,3＝[b₁,b₂,b₃]，则在接收机处的磁矢量场可表示为

由于发射机的激励e_i在接收机的三个轴分别感应到的感应电压为

v_i＝2πfμ_RXN_RXA_RXΩb_i

其中，f为激励的频率，μ_RX为接收机线圈磁芯的磁导率，N_RX、A_RX分别为接收机线圈的匝数和横截面积。

输入激励对应一个编码矩阵为单位阵的时空编码，因此，定义S为3×3的磁信道矩阵，矩阵中的第i列就代表相应的感应电压v_i

其中，c是一个和相对距离有关的比例因子，和发射机、接收机的线圈匝数、横截面积、磁芯磁导率、驱动电流、放大器增益以及操作频率都有关，在实际中可以通过对一对已知相对距离的发射机、接收机进行简单的校正测量得到。因此可得磁信道矩阵S中的元素s_j,i的物理意义，即为，第j个接收机线圈感应到的第i个发射机线圈的感应电压。从磁信道矩阵S的定义可以发现，检测的信号不仅是一个和发射机、接收机之间相对位置有关的函数，也是一个和发射机、接收机之间相对旋转角度有关的函数。通过训练矩阵P_tx，可以估计磁信道矩阵S

P_rx＝SP_tx+V

其中V为零均值的高斯白噪声。例如，可以取

σ表示噪声的期望值，发送a次训练序列(a需要足够大，可取a＝1000)，而后对公式两端取均值,估计出相应的磁信道矩阵S。

如图3所示为三维磁感应定位系统的网络部署图，主要包含以下三个步骤：

第一阶段：该阶段中仅需使用一个锚节点，即一个提前知道了绝对位置和旋转角度的发射机，然后仅根据这一个发射机就可求得接收机的相关信息。如果在实际中，不需要知道绝对的坐标，仅需知道相对位置关系的话，就可以简单地将锚发射机视为此相对坐标系的原点。使用从锚发射机处接收到的信号，接收机便可找到自己相对于锚发射机的三维位置和旋转角度。

第二阶段：将接收机的放置位置进行挪动，测得几个接收机的位置，并将其称为“接收机测试位置”。使用几个“接收机测试位置”便可确定覆盖范围内剩余的次级发射机的三维位置和旋转角度等定位信息了。

第三阶段：将之前估计的所有覆盖范围内的发射机都视为新的锚节点，使用多发射机联合似然估计的优化方式，结合接收机从多个发射机接收到的数据，迭代更新接收机的定位。但是，无论是接收机还是之前测得的次级发射机的定位信息，都是仅用了极少数的测量估计得到的，所以他们都是不准确的还需要使用联合迭代的方法来迭代更新次级发射机的定位估计。经历了多次测量迭代之后，覆盖范围的空间拓扑结构将会达到一个稳定的状态，此时磁定位网络可以精准地确定所有的发射机、接收机的定位信息。

如图4所示为融合优化定位误差算法的算法流程图，所述融合优化定位误差算法使用最速上升法来优化位置信息，而在旋转角度的优化方面使用了质心投影平均法，具体说来如下：

在位置信息的融合优化方面，首先从两个部分分开描述，即空间坐标系中两点相对距离的大小和两点的相对方向，然后再将两者结合。

首先，令p和t_n分别为接收机和发射机的绝对位置矢量，那么发射机和接收机之间的相对距离为

r_n＝||p-t_n||

则距离的对数似然函数为

其中，c₁是和位置矢量p无关的常数，是接收机相对于第n个发射机测量时的噪声方差，ρ_n是接收机相对于第n个发射机测得的总接收信号强度，ρ_0,n、r₀,_n分别为第n个发射机相对于参考位置测得的总接收信号强度与相对距离。

其次使用了冯·米塞斯-费歇尔分布来对角度误差建模，因为它是定义在单位球面上的最简单的分布，描述了集中趋势和方差等参数，类似于欧式空间的高斯分布，因此第n个发射机的混合双峰方向概率分布为

其中，κ_n表示集中度的度量， 表示接收机相对于第n个发射机的相对位置矢量的估计值。

则N个发射机方向的对数似然函数为

其中，p和t_n分别为接收机和发射机的绝对位置矢量，是接收机绝对位置矢量的估计值，c₂是不依赖于位置矢量p的常数，κ_n表示集中度的度量。

最后，将两部分结合得到一个总联合似然函数

L(p)＝L_r(r)+L_∠(r)

下面使用最速上升法进行最大似然估计，已知||X||²＝X^T·I·X,X为矩阵，I₃是3×3的单位矩阵，所以为

同理可求

综上，总梯度方向为

使用最速上升法，迭代次数为k,则位置的最大融合似然估计为

在旋转角度信息融合的方面，采用投影重心平均法，将旋转的平均值使用极分解的办法投影到三维旋转群SO(3)上(SO(3)是物理上常用的一种李群三维旋转群，是描述物理系统在普通坐标空间中各向同性的对称群，也是处理物理系统内部对称性的有用工具)，融合后的旋转角度矩阵是独立估计的旋转角度均值的正交极化因子，如下式

如图5所示为总算法的算法流程图：

①输入：准确的锚节点的三维位置t_F和旋转角度Θ_F。和锚发射机以及其余所有覆盖范围内的次级发射机有关的磁信道矩阵估计值和

②第一阶段：将t_F和Θ_F代入公式p＝t_F+Θ_Fr和估计接收机在任意m个位置处的绝对三维位置和旋转角度(其中，为格拉姆矩阵的最大特征向量，定义运算

③当未同时满足公式和

时执行如下循环体：

(其中，τ_pos、τ_orient表示前后两次迭代变化之差，例如可以设τ_pos＝0.1，设τ_orient＝1°)

将代入公式和估计接收机相对于第n个发射机的相对三维位置和相对旋转角度

第二阶段：将和代入公式和估计第n个发射机的三维位置和旋转角度(其中，和分别为对M次接收机相对于锚发射机和第n个发射机的估计距离和取均值，m＝1,...,M；)

第三阶段：使用融合优化定位误差算法，即公式和更新接收机在任意m个位置处的三维位置和旋转角度此时会用到锚发射机和其余已被定位的次级发射机的信号。

同样使用上述融合优化定位误差算法更新所有N个发射机的定位信息。

④退出循环

⑤输出：N个发射机的三维位置和旋转角度M个测试点处接收机位置和旋转角度

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界。

Claims (4)

1.一种地下空间三维磁感应定位系统，其特征在于，包括三维磁发射机与三维磁接收机。

所述三维磁发射机指的是一个配备有三个互相垂直的线圈的磁源，每个线圈都单独通了甚低频调制电流来产生准静态磁场。

所述三维磁接收机指的是一个可以检测发射机产生的矢量场的三维传感器，使用相应的三维正交线圈来检测微弱的准静态磁场，并确定接收机的位置。所述三维磁接收机包括传感器模块、磁信号处理模块和定位模块。所述传感器模块与磁信号处理模块相连，所述磁信号处理模块与所述定位模块相连。其中：

所述传感器模块包括：一个由三个相互正交的线圈构成的磁感应传感器，用以在任意位置测量磁矢量场，和一个惯性测量单元。所述惯性测量单元主要用途为稳定旋转，即在位置测量过程中，保证帧传输过程时，每个接收机线圈中检测到的磁信号不受用户方向的快速变化的影响。

所述磁信号处理模块内主要是完成三维磁信道模型的建立，所述三维磁信道模型的建立主要是围绕估计测量三维磁信道矩阵。所述三维磁信道矩阵S为一个3×3的矩阵，矩阵中的元素s_j,i的物理意义为，第j个接收机线圈感应到的第i个发射机线圈的感应电压。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述定位模块，包括两种工作模式：网络部署和发现模式与用户模式。所述网络部署和发现模式的主要目的是定位好已部署的所有发射机的位置和旋转角度，并确定整个覆盖范围的空间拓扑结构。而所述定位模式的主要目标为决定接收机的最终精确位置。所述网络部署和发现模式主要分为三个步骤，分别为确定接收机的一个相对位置，确定接收机的多个测试位置，精确计算接收机的估计位置。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述系统需要一个已知位置信息的磁发射机，其余磁发射机可以随意放置，将已知位置信息的磁发射机称为锚发射机，而其余未知位置信息的发射机称为次级发射机。

4.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述系统估计的位置是三维位置，包括三维矢量坐标和旋转角度。所述旋转角度是一个正交矩阵，由于本定位系统在定位时是通过相对位置来拓展部署定位网络的，故若要求得所述次级发射机的绝对位置信息，则除了需要知道相对位置还需知道其方向。