CN109633540B - 一种磁源的实时定位系统及实时定位方法 - Google Patents

一种磁源的实时定位系统及实时定位方法 Download PDF

Info

Publication number
CN109633540B
CN109633540B CN201910061731.XA CN201910061731A CN109633540B CN 109633540 B CN109633540 B CN 109633540B CN 201910061731 A CN201910061731 A CN 201910061731A CN 109633540 B CN109633540 B CN 109633540B
Authority
CN
China
Prior art keywords
magnetic
full tensor
measurement assembly
source
gradient measurement
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201910061731.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN109633540A (zh
Inventor
伍俊
荣亮亮
张国锋
张树林
邱隆清
宋正威
裴易峰
代海宾
尤立星
谢晓明
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Original Assignee
Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS filed Critical Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority to CN201910061731.XA priority Critical patent/CN109633540B/zh
Publication of CN109633540A publication Critical patent/CN109633540A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109633540B publication Critical patent/CN109633540B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G01S5/02—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using radio waves
    • G01S5/06—Position of source determined by co-ordinating a plurality of position lines defined by path-difference measurements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G01S5/02—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using radio waves
    • G01S5/0257—Hybrid positioning
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G01S5/02—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using radio waves
    • G01S5/14—Determining absolute distances from a plurality of spaced points of known location
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G01S5/02—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using radio waves
    • G01S5/14—Determining absolute distances from a plurality of spaced points of known location
    • G01S5/145—Using a supplementary range measurement, e.g. based on pseudo-range measurements
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
    • Y02A90/30—Assessment of water resources

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Measuring Magnetic Variables (AREA)
  • Measurement And Recording Of Electrical Phenomena And Electrical Characteristics Of The Living Body (AREA)

Abstract

本发明提供一种磁源的实时定位系统及实时定位方法，所述定位系统包括：设于不同测点的至少两组磁源定位装置；其中，磁源定位装置包括：安装支架，用于提供安装平台；全张量磁梯度测量组件，设于所述安装支架上，用于同步测量待定位磁源在所述全张量磁梯度测量组件处产生的磁场梯度值；位置定位器，刚性连接于所述全张量磁梯度测量组件，用于测量所述全张量磁梯度测量组件在地理坐标系下的位置信息；测控组件，电连接于所述全张量磁梯度测量组件及所述位置定位器，用于采集所述磁场梯度值及所述位置信息并根据采集的数据对所述待定位磁源进行实时定位。通过本发明解决了现有定位方法中存在虚解或受基线长度限制而无法实现长距离高精度定位的问题。

Description

一种磁源的实时定位系统及实时定位方法
技术领域
本发明属于磁法探测领域，特别是涉及一种磁源的实时定位系统及实时定位方法。
背景技术
全张量磁梯度描述的是磁场矢量在三维空间的变化率信息，即磁场矢量的三个分量在空间中三个方向上的梯度。全张量磁梯度的测量结果具有受磁化方向影响小，能够反映目标体的矢量磁矩信息，且能更好地反演场源参数(方位、磁矩等)等优点，故可以对场源进行定位和追踪，提高磁源体的分辨率。
现有技术中，利用全张量磁梯度对场源(磁源)进行定位的方法有很多，如利用全张量磁梯度矩阵的特征值和总场求解磁偶极子相对于测量点的距离和磁矩模，然后利用几何不变量求解磁偶极子的位置及磁矩矢量的单位向量，最后在去除磁偶极子位置及磁矩矢量的虚解后，通过合成他们的单位向量和模，即可获得磁源的位置；该方法虽然给出了一种基于全张量不变量的磁源定位方法，但存在虚解，需要根据先验条件进行判断后去除，而在某些情况下，先验条件未必充足到支持虚解的去除，比如在矿洞里，就无法通过磁源在地面的上下方来去除虚解；此外，该方法还需要已知磁源的总场信息，而在实际情况中，磁源的总场信息很难准确获得。又如通过求解测量系统中正六面体的六个平面中心点处磁梯度张量的特征值,并把这些特征值按照一定关系进行组合来消除椭圆系数，获得六个平面的新不变量，再对这些新不变量求其梯度值，根据这些梯度值对目标进行定位；该方法虽然给出了一种基于全张量不变量的磁源定位方法，但需要八个三轴磁力仪，只适用于小型化的低精度磁力仪，而且定位精度受限于磁力仪之间的基线长度，无法实现长距离的磁源定位，尤其是对于高精度的超导磁传感器，受杜瓦尺寸限制，更是无法发挥超导磁传感器的高灵敏度优势。
可见，现有定位方法不是存在虚解问题，就是受基线长度限制而无法实现长距离的高精度定位；因此，如何提供一种高效的磁源定位系统及磁源定位方法是本领域技术人员迫切需要解决的问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种磁源的实时定位系统及实时定位方法，用于解决现有定位方法中存在虚解或受基线长度限制而无法实现长距离高精度定位的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种磁源的实时定位系统，所述实时定位系统包括：设于不同测点的至少两组磁源定位装置；其中，所述磁源定位装置包括：
安装支架，用于提供安装平台；
全张量磁梯度测量组件，设于所述安装支架上，用于同步测量待定位磁源在所述全张量磁梯度测量组件处产生的磁场梯度值；
位置定位器，刚性连接于所述全张量磁梯度测量组件，用于测量所述全张量磁梯度测量组件在地理坐标系下的位置坐标；
测控组件，电连接于所述全张量磁梯度测量组件及所述位置定位器，用于采集所述磁场梯度值及所述位置坐标，并根据采集的数据对所述待定位磁源进行实时定位。
可选地，所述全张量磁梯度测量组件包括：至少一个磁强计。
可选地，所述安装支架包括低温容器，用于为所述全张量磁梯度测量组件提供安装平台，同时为所述全张量磁梯度测量组件提供低温环境。
可选地，所述全张量磁梯度测量组件包括：至少一个平面梯度计。
可选地，所述低温容器包括低温杜瓦。
可选地，所述位置定位器包括：差分GPS接收机或组合惯导。
本发明还提供了一种磁源的实时定位方法，所述实时定位方法包括：
搭建如上所述的实时定位系统；
同步获取所述待定位磁源在两选定测点的所述全张量磁梯度测量组件处产生的磁场梯度值，并获取两选定测点的所述全张量磁梯度测量组件的位置坐标；
根据两选定测点对应的所述磁场梯度值及全张量不变量获取所述待定位磁源到两选定测点的所述全张量磁梯度测量组件的位置矢量的单位向量；
根据两选定测点对应的所述位置坐标及所述待定位磁源到两选定测点的所述全张量磁梯度测量组件的位置矢量的单位向量建立空间直线模型，以获取所述待定位磁源在地理坐标系下的位置坐标，从而实现对所述待定位磁源的实时定位。
可选地，同步获取所述待定位磁源在两选定测点的所述全张量磁梯度测量组件处产生的磁场梯度值的方法包括：同步获取所述待定位磁源在不同测点的所述全张量磁梯度测量组件处产生的磁场梯度值，并对不同测点对应的所述磁场梯度值进行信噪比比较以选出信噪比最优的两个所述磁场梯度值；其中，选出的两个所述磁场梯度值对应的测点作为所述选定测点。
可选地，获取所述全张量磁梯度测量组件位置坐标的方法包括：获取所述位置定位器的位置坐标，并获取所述全张量磁梯度测量组件与所述位置定位器之间的偏移量；基于所述偏移量对所述位置坐标进行修正，以获取所述全张量磁梯度测量组件的位置坐标。
可选地，获取所述待定位磁源到两选定测点的所述全张量磁梯度测量组件的位置矢量的单位向量方法包括：
根据两选定测点对应的所述磁场梯度值分别获取两选定测点对应的全张量磁梯度矩阵特征值；
根据两选定测点对应的全张量磁梯度矩阵特征值分别获取两选定测点对应的全张量磁梯度矩阵最小绝对特征值，并根据两选定测点对应的全张量磁梯度矩阵最小绝对特征值获取一参考方向向量；其中，所述参考方向向量平行于所述待定位磁源磁矩的方向向量；
根据全张量不变量
Figure BDA0001954353920000031
确定所述待定位磁源的磁矩矢量的单位向量，从而获取所述待定位磁源到两选定测点的所述全张量磁梯度测量组件的位置矢量的单位向量；其中，MT为全张量不变量，λ1、λ2、λ3为全张量磁梯度矩阵特征值，μ0为真空磁导率，M为待定位磁源的磁矩的模，R为全张量磁梯度测量组件与待定位磁源之间的距离。
可选地，获取所述参考方向向量的方法包括：根据两选定测点对应的全张量磁梯度矩阵最小绝对特征值获取其对应的特征向量，并通过对两所述特征向量求取向量积以获取所述参考方向向量。
可选地，确定所述待定位磁源的磁矩矢量的单位向量的方法包括：根据全张量不变量
Figure BDA0001954353920000032
及两选定测点对应的全张量磁梯度矩阵特征值判断所述待定位磁源到两选定测点的所述全张量磁梯度测量组件的距离远近，从而确定所述待定位磁源的磁矩矢量的单位向量。
可选地，所述空间直线模型包括：
Figure BDA0001954353920000033
和
Figure BDA0001954353920000034
其中，x、y、z是所述待定位磁源的位置坐标，Ax、Ay、Az是一选定测点的所述全张量磁梯度测量组件的位置坐标，PA、QA、HA是所述待定位磁源到一选定测点的所述全张量磁梯度测量组件的位置矢量的单位向量，Bx、By、Bz是另一选定测点的所述全张量磁梯度测量组件的位置坐标，PB、QB、HB是所述待定位磁源到另一选定测点的所述全张量磁梯度测量组件的位置矢量的单位向量。
可选地，所述定位方法还包括：对不同测点的所述全张量磁梯度测量组件进行两两组合以获取多组所述待定位磁源的初始位置坐标，并对多组所述初始位置坐标求平均以获取所述待定位磁源的位置坐标。
可选地，所述定位方法还包括：重复上述步骤获取多组所述待定位磁源的位置坐标，并通过对多组所述位置坐标求平均以获取所述待定位磁源的最终位置坐标。
如上所述，本发明的一种磁源的实时定位系统及实时定位方法，利用至少两组磁源定位装置(每组所述磁源定位装置均是由安装支架或低温容器、全张量磁梯度测量组件、位置定位器及测控组件构成)同步采集待定位磁源到两选定测点的全张量磁梯度测量组件处的磁场梯度值，并结合与姿态无关的全张量不变量获取待定位磁源到两选定测点的全张量磁梯度测量组件的位置矢量的单位向量，同时去除了虚解，之后再结合两选定测点的位置坐标建立空间直线模型以获取待定位磁源在地理坐标系下的位置坐标，从而简单、快速地实现待定位磁源的实时定位；可见，本发明所述实时定位系统及实时定位方法无需知道待定位磁源的总场信息，只通过测得的两组磁场梯度值及与姿态无关的全张量不变量即可去除虚解，实现通过空间直线模型对待定位磁源进行实时定位；同时本发明所述实时定位系统及实时定位方法可充分发挥基于超导磁传感器构建的全张量磁梯度测量组件的灵敏度优势，实现远距离高精度定位；而且本发明所述定位系统及定位方法操作简单快速、便于实现，非常适合在磁法定位测量领域中应用。
附图说明
图1显示为本发明实施例一所述磁源实时定位系统的结构示意图。
图2显示为本发明实施例二所述磁源实时定位系统的结构示意图。
图3显示为本发明实施例三所述磁源实时定位方法的流程图。
图4显示为本发明实施例三中待定位磁源存在虚解时的分布示意图，图中A为真实磁源，A’为虚解，B1为第一测点，B2为第二测点。
元件标号说明
100                    磁源定位装置
101                    安装支架
102                    全张量磁梯度测量组件
103                    位置定位器
104                    测控组件
200                    地面
300                    待定位磁源
400                    磁源定位装置
401                    低温容器
402                    全张量磁梯度测量组件
403                    位置定位器
404                    测控组件
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图4。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。
实施例一
如图1所示，本实施例提供一种磁源的实时定位系统，所述实时定位系统包括：设于不同测点的至少两组磁源定位装置100；其中，所述磁源定位装置100包括：
安装支架101，用于提供安装平台；
全张量磁梯度测量组件102，设于所述安装支架101上，用于同步测量待定位磁源300在所述全张量磁梯度测量组件102处产生的磁场梯度值；
位置定位器103，刚性连接于所述全张量磁梯度测量组件102，用于测量所述全张量磁梯度测量组件102在地理坐标系下的位置坐标；
测控组件104，电连接于所述全张量磁梯度测量组件102及所述位置定位器103，用于采集所述磁场梯度值及所述位置坐标，并根据采集的数据对所述待定位磁源300进行实时定位。
作为示例，所述磁源定位装置100的数量大于等于2，本实施例并不对所述磁源定位装置100的数量进行限制；但在实际应用中，对所述磁源定位装置100的数量设置，应综合考虑系统成本及测量精度。
作为示例，所述安装支架101为任一种可实现安装固定作用的结构，本实施例并不对所述安装支架101的具体结构进行限制。具体的，如图1所示，所述安装支架101包括三个层级，其中，所述全张量磁梯度测量组件102安装于所述安装支架101的第一层级(即安装支架101的底部)，所述位置定位器103安装于所述安装支架101的第三层级(即安装支架101的上部)，所述测控组件104安装于所述安装支架101的第二层级(即安装支架101的中部)；当然，在其它实施例中，所述全张量磁梯度测量组件102、所述位置定位器103及所述测控组件104所在层级可以互换，本实施例并不对所述全张量磁梯度测量组件102、所述位置定位器103及所述测控组件104的上下位置关系进行限制，而且所述位置定位器103及所述测控组件104也可不安装于所述安装支架101上，即所述位置定位器103及所述测控组件104安装于所述安装支架101外。
作为示例，所述全张量磁梯度测量组件102包括：至少一个磁强计，即通过对至少一个磁强计按一定的物理构型进行搭建以形成所述全张量磁梯度测量组件102。需要注意的是，所述全张量磁梯度测量组件102的最终结构由所述磁强计的数量及搭建的物理构型决定，也就是说，不同数量的磁强计按不同的物理构型搭建形成的所述全张量磁梯度测量组件102的最终结构不同，但本实施例所述实时定位系统适用于任何所述全张量磁梯度测量组件102的最终结构。特别需要注意的是，由于本实施例所述全张量磁梯度测量组件102为非超导器件，故其工作于常温环境中。
作为示例，所述位置定位器103包括：差分GPS接收机或组合惯导。具体的，在所述全张量磁梯度测量组件102与所述位置定位器103之间不存在空间距离时，采用差分GPS接收机测量所述全张量磁梯度测量组件102的位置坐标，即差分GPS接收机的位置坐标即为所述全张量磁梯度测量组件的位置坐标；在所述全张量磁梯度测量组件102与所述位置定位器103之间存在空间距离时，采用组合惯导测量所述全张量磁梯度测量组件102的位置坐标，即利用所述组合惯导的坐标点偏移设置功能直接测得所述全张量磁梯度测量组件102与所述位置定位器103之间的偏移量，并基于该偏移量对测得的位置坐标(即所述组合惯导的位置坐标)进行修正，从而得到所述全张量磁梯度测量组件102的位置坐标。需要注意的是，通过差分GPS接收机测量位置坐标，通过组合惯导测量位置坐标、测量偏移量、及基于偏移量对位置坐标进行修正均是本领域技术人员所公知的，故在此不再赘述。
作为示例，所述测控组件104为现有任一种可实现磁场梯度值和位置坐标采集、处理的装置，本实施例并不对所述测控组件104的结构进行限制。
实施例二
如图2所示，本实施例提供一种磁源的实时定位系统，所述实时定位系统包括：设于不同测点的至少两组磁源定位装置400；其中，所述磁源定位装置400包括：
低温容器401，用于提供安装平台，同时提供低温环境；
全张量磁梯度测量组件402，设于所述低温容器401内，用于同步测量待定位磁源300在所述全张量磁梯度测量组件402处产生的磁场梯度值；
位置定位器403，刚性连接于所述全张量磁梯度测量组件402，用于测量所述全张量磁梯度测量组件402在地理坐标系下的位置坐标；
测控组件404，电连接于所述全张量磁梯度测量组件402及所述位置定位器403，用于采集所述磁场梯度值及所述位置坐标，并根据采集的数据对所述待定位磁源300进行实时定位。
作为示例，所述磁源定位装置400的数量大于等于2，本实施例并不对所述磁源定位装置400的数量进行限制；但在实际应用中，对所述磁源定位装置400的数量设置，应综合考虑系统成本及测量精度。
作为示例，所述低温容器401包括低温杜瓦，而低温杜瓦是本领域技术人员所公知的，故在此不再赘述。
作为示例，所述全张量磁梯度测量组件402包括：至少一个平面梯度计，即通过对至少一个平面梯度计按一定的物理构型进行搭建以形成所述全张量磁梯度测量组件402。需要注意的是，所述全张量磁梯度测量组件402的最终结构由所述平面梯度计的数量及搭建的物理构型决定，也就是说，不同数量的平面梯度计按不同的物理构型搭建形成的所述全张量磁梯度测量组件402的最终结构不同，但本实施例所述定位系统适用于任何所述全张量磁梯度测量组件402的最终结构。特别需要注意的是，由于本实施例所述全张量磁梯度测量组件402为超导器件，故其工作于低温环境中。
作为示例，所述位置定位器103包括：差分GPS接收机或组合惯导。具体的，在所述全张量磁梯度测量组件102与所述位置定位器103之间不存在空间距离时，采用差分GPS接收机测量所述全张量磁梯度测量组件102的位置坐标，即差分GPS接收机的位置坐标即为所述全张量磁梯度测量组件的位置坐标；在所述全张量磁梯度测量组件102与所述位置定位器103之间存在空间距离时，采用组合惯导测量所述全张量磁梯度测量组件102的位置坐标，即利用所述组合惯导的坐标点偏移设置功能直接测得所述全张量磁梯度测量组件102与所述位置定位器103之间的偏移量，并基于该偏移量对测得的位置坐标(即所述组合惯导的位置坐标)进行修正，从而得到所述全张量磁梯度测量组件102的位置坐标。需要注意的是，通过差分GPS接收机测量位置坐标，通过组合惯导测量位置坐标、测量偏移量、及基于偏移量对位置坐标进行修正均是本领域技术人员所公知的，故在此不再赘述。
作为示例，所述测控组件404为现有任一种可实现磁场梯度值和位置坐标采集、处理的装置，本实施例并不对所述测控组件404的结构进行限制。
实施例三
如图3所示，本实施例提供一种磁源的实时定位方法，所述实时定位方法包括：
搭建如实施例一或实施例二所述的实时定位系统；
同步获取所述待定位磁源在两选定测点的所述全张量磁梯度测量组件处产生的磁场梯度值，并获取两选定测点的所述全张量磁梯度测量组件的位置坐标；
根据两选定测点对应的所述磁场梯度值及全张量不变量获取所述待定位磁源到两选定测点的所述全张量磁梯度测量组件的位置矢量的单位向量；
根据两选定测点对应的所述位置坐标及所述待定位磁源到两选定测点的所述全张量磁梯度测量组件的位置矢量的单位向量建立空间直线模型，以获取所述待定位磁源在地理坐标系下的位置坐标，从而实现对所述待定位磁源的实时定位。
需要注意的是，本实施例所述实时定位系统的组成、搭建具体请参阅实施例一或实施例二，本实施例不再对所述实时定位系统的组成及搭建进行说明。
作为示例，在所述实时定位系统仅包括两组所述磁源定位装置时，同步获取所述待定位磁源在两测点的所述全张量磁梯度测量组件处产生的磁场梯度值即可。但在所述实时定位系统包括两组以上所述磁源定位装置时，同步获取所述待定位磁源在两选定测点的所述全张量磁梯度测量组件处产生的磁场梯度值的方法包括：同步获取所述待定位磁源在不同测点的所述全张量磁梯度测量组件处产生的磁场梯度值，并对不同测点对应的所述磁场梯度值进行信噪比比较以选出信噪比最优的两个所述磁场梯度值；其中，选出的两个所述磁场梯度值对应的测点作为所述选定测点。或者在所述实时定位系统包括两组以上所述磁源定位装置时，所述定位方法还包括：对不同测点的所述全张量磁梯度测量组件进行两两组合以获取多组所述待定位磁源的初始位置坐标，并对多组所述初始位置坐标求平均以获取所述待定位磁源的位置坐标。需要注意的是，通过所述全张量磁梯度测量组件测量所述待定位磁源在所述全张量磁梯度测量组件处产生的磁场梯度值、实现多个所述全张量磁梯度测量组件的同步测量、及对输出信号进行信噪比计算均是本领域技术人员所公知的，故在此不再赘述。
作为示例，在所述全张量磁梯度测量组件与所述位置定位器之间不存在空间距离时，可通过所述位置定位器(如差分GPS接收机)直接获取所述全张量磁梯度测量组件的位置坐标，即所述位置定位器的位置坐标即为所述全张量磁梯度测量组件的位置坐标。在所述全张量磁梯度测量组件与所述位置定位器之间存在空间距离时，获取所述全张量磁梯度测量组件位置坐标的方法包括：获取所述位置定位器的位置坐标，并获取所述全张量磁梯度测量组件与所述位置定位器之间的偏移量；基于所述偏移量对所述位置坐标进行修正，以获取所述全张量磁梯度测量组件的位置坐标。具体的，利用所述组合惯导的坐标点偏移设置功能直接测量所述全张量磁梯度测量组件与所述位置定位器之间的偏移量，并通过所述组合惯导测量其自身的位置坐标，之后再基于所述偏移量对所述位置坐标进行修正以获取所述全张量磁梯度测量组件的位置坐标。需要注意的是，通过差分GPS接收机或组合惯导测量位置坐标、利用组合惯导的坐标点偏移设置功能测量偏移量、及根据偏移量对位置坐标进行修正均是本领域技术人员所公知的，故在此不再赘述。
作为示例，获取所述待定位磁源到两选定测点的所述全张量磁梯度测量组件的位置矢量的单位向量的方法包括：
根据两选定测点对应的所述磁场梯度值分别获取两选定测点对应的全张量磁梯度矩阵特征值；
根据两选定测点对应的全张量磁梯度矩阵特征值分别获取两选定测点对应的全张量磁梯度矩阵最小绝对特征值，并根据两选定测点对应的全张量磁梯度矩阵最小绝对特征值获取一参考方向向量；其中，所述参考方向向量平行于所述待定位磁源磁矩的方向向量；
根据全张量不变量
Figure BDA0001954353920000091
确定所述待定位磁源的磁矩矢量的单位向量，从而获取所述待定位磁源到两选定测点的所述全张量磁梯度测量组件的位置矢量的单位向量；其中，MT为全张量不变量，λ1、λ2、λ3为全张量磁梯度矩阵特征值，μ0为真空磁导率，M为待定位磁源的磁矩的模，R为全张量磁梯度测量组件与待定位磁源之间的距离。
具体的，根据两选定测点对应的所述磁场梯度值分别获取两选定测点对应的全张量磁梯度矩阵特征值的方法包括：根据两选定测点对应的所述磁场梯度值分别获取该两选定测点对应的全张量磁梯度矩阵，之后再根据所述全张量磁梯度矩阵分别获取该两选定测点对应的全张量磁梯度矩阵特征值λ1、λ2、λ3；其中，λ2≥λ3≥λ1，|λ1|≥|λ3|，|λ2|≥|λ3|。需要注意的是，根据磁场梯度值得到全张量磁梯度矩阵及根据全张量磁梯度矩阵得到全张量磁梯度矩阵特征值λ1、λ2、λ3均是本领域技术人员所公知的，故在此不再赘述。
具体的，获取所述参考方向向量的方法包括：根据两选定测点对应的全张量磁梯度矩阵最小绝对特征值λ3获取其对应的特征向量V3，并通过对两所述特征向量求取向量积以获取所述参考方向向量。本实施例利用全张量磁梯度矩阵最小绝对特征值对应的特征向量垂直于待定位磁源的磁矩矢量和待定位磁源到选定测点的全张量磁梯度测量组件的位置矢量(即V3*m＝0，其中V3是全张量磁梯度矩阵最小绝对特征值λ3对应的特征向量，m是待定位磁源的磁矩矢量)，通过对两选定测点对应的特征向量求取向量积，从而得到与所述待定位磁源磁矩的方向向量平行的参考方向向量(即求取的向量积即为所述参考方向向量)；其中参考方向向量
Figure BDA0001954353920000101
ms是参考方向向量，i、j、k分别是x、y、z轴方向的单位向量，V3iA、V3jA、V3kA是一选定测点对应的全张量磁梯度矩阵最小绝对特征值的特征向量在x、y、z坐标系中的坐标，V3iB、V3jB、V3kB是另一选定测点对应的全张量磁梯度矩阵最小绝对特征值的特征向量在x、y、z坐标系中的坐标。需要注意的是，本实施例所述全张量磁梯度矩阵最小绝对特征值是指全张量磁梯度矩阵特征值中绝对值最小的一个，即λ3。
由于所述待定位磁源的磁矩矢量的单位向量～m和所述待定位磁源到选定测点的所述全张量磁梯度测量组件的位置矢量的单位向量～r均可由全张量磁梯度矩阵特征值λ1、λ2、λ3和绝对值较大的两个特征值λ1、λ2对应的特征向量V1、V2表示，即
Figure BDA0001954353920000102
和
Figure BDA0001954353920000103
其中
Figure BDA0001954353920000104
Figure BDA0001954353920000105
Figure BDA0001954353920000106
可见磁矩矢量的单位向量
Figure BDA0001954353920000107
和位置矢量的单位向量
Figure BDA0001954353920000108
均存在虚解，但鉴于磁矩矢量和位置矢量的夹角是确定的，故磁矩矢量的单位向量
Figure BDA0001954353920000109
和位置矢量的单位向量
Figure BDA00019543539200001010
只有如下四种组合，也即存在3个虚解；而在已知所述参考方向向量平行于所述待定位磁源的磁矩的方向向量时，可根据所述参考方向向量去除两个虚解；如图4所示，在已知所述参考方向向量时，可将位于第二象限和第四象限中的虚解去除。
组合一：
Figure BDA0001954353920000111
组合二：
Figure BDA0001954353920000112
组合三：
Figure BDA0001954353920000113
组合四：
Figure BDA0001954353920000114
具体的，确定所述待定位磁源的磁矩矢量的单位向量的方法包括：根据全张量不变量
Figure BDA0001954353920000115
及两选定测点对应的全张量磁梯度矩阵特征值判断所述待定位磁源到两选定测点的所述全张量磁梯度测量组件的距离远近，从而确定所述待定位磁源的磁矩矢量的单位向量。本实施例通过全张量不变量
Figure BDA0001954353920000116
及两选定测点对应的全张量磁梯度矩阵特征值得到两选定测点对应的MT值，并根据MT值越大，所述待定位磁源距离该选定测点的所述全张量磁梯度测量组件的距离越近，以去除另一虚解，从而确定所述待定位磁源的磁矩矢量的单位向量。如图4所示，根据全张量不变量
Figure BDA0001954353920000117
及两选定测点对应的全张量磁梯度矩阵特征值可知待定位磁源到选定测点B1的距离小于待定位磁源到选定测点B2的距离，即待定位磁源距离选定测点B1更近，从而将所述待定位磁源锁定在第三象限(即确定所述待定位磁源的磁矩矢量的单位向量)。
具体的，根据所述待定位磁源的磁矩矢量的单位向量获取所述待定位磁源到两选定测点的所述全张量磁梯度测量组件的位置矢量的单位向量方法包括：根据所述待定位磁源的磁矩矢量的单位向量，从四个组合中选出唯一一组组合，从而得到所述待定位磁源到两选定测点的所述全张量磁梯度测量组件的位置矢量的单位向量。
作为示例，所述空间直线模型包括：
Figure BDA0001954353920000118
和
Figure BDA0001954353920000119
其中，x、y、z是所述待定位磁源的位置坐标，Ax、Ay、Az是一选定测点的所述全张量磁梯度测量组件的位置坐标，PA、QA、HA是所述待定位磁源到一选定测点的所述全张量磁梯度测量组件的位置矢量的单位向量，Bx、By、Bz是另一选定测点的所述全张量磁梯度测量组件的位置坐标，PB、QB、HB是所述待定位磁源到另一选定测点的所述全张量磁梯度测量组件的位置矢量的单位向量；即通过求取两条空间直线的交点得到所述待定位磁源的位置坐标。当然，也可将多组测点的相应数据代入上述空间直线模型以获取多组空间直线，再通过最小二乘等数值求解方法获得待定位磁源位置坐标的最优解。
作为示例，所述定位方法还包括：重复上述步骤获取多组所述待定位磁源的位置坐标，并通过对多组所述位置坐标求平均以获取所述待定位磁源的最终位置坐标。
综上所述，本发明的一种磁源的实时定位系统及实时定位方法，利用至少两组磁源定位装置(每组所述磁源定位装置均是由安装支架或低温容器、全张量磁梯度测量组件、位置定位器及测控组件构成)同步采集待定位磁源到两选定测点的全张量磁梯度测量组件处的磁场梯度值，并结合与姿态无关的全张量不变量获取待定位磁源到两选定测点的全张量磁梯度测量组件的位置矢量的单位向量，同时去除了虚解，之后再结合两选定测点的位置坐标建立空间直线模型以获取待定位磁源在地理坐标系下的位置坐标，从而简单、快速地实现待定位磁源的实时定位；可见，本发明所述实时定位系统及实时定位方法无需知道待定位磁源的总场信息，只通过测得的两组磁场梯度值及与姿态无关的全张量不变量即可去除虚解，实现通过空间直线模型对待定位磁源进行实时定位；同时本发明所述实时定位系统及实时定位方法可充分发挥基于超导磁传感器构建的全张量磁梯度测量组件的灵敏度优势，实现远距离高精度定位；而且本发明所述定位系统及定位方法操作简单快速、便于实现，非常适合在磁法定位测量领域中应用。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (13)

1.一种磁源的实时定位系统，其特征在于，所述实时定位系统包括：设于不同测点的至少两组磁源定位装置；其中，所述磁源定位装置包括：
安装支架，用于提供安装平台；
全张量磁梯度测量组件，设于所述安装支架上，用于同步测量待定位磁源在所述全张量磁梯度测量组件处产生的磁场梯度值；
位置定位器，刚性连接于所述全张量磁梯度测量组件，用于测量所述全张量磁梯度测量组件在地理坐标系下的位置坐标；
测控组件，电连接于所述全张量磁梯度测量组件及所述位置定位器，用于采集所述磁场梯度值及所述位置坐标，并根据采集的数据对所述待定位磁源进行实时定位；所述磁场梯度值包括同步获取的所述待定位磁源在两选定测点的所述全张量磁梯度测量组件处产生的磁场梯度值，所述位置坐标包括两选定测点的所述全张量磁梯度测量组件的位置坐标；其中，
在所述实时定位系统包括两组所述磁源定位装置时，同步获取所述待定位磁源在两选定测点的所述全张量磁梯度测量组件处产生的磁场梯度值的方法包括：同步获取所述待定位磁源在两测点的所述全张量磁梯度测量组件处产生的磁场梯度值；
在所述实时定位系统包括两组以上所述磁源定位装置时，同步获取所述待定位磁源在两选定测点的所述全张量磁梯度测量组件处产生的磁场梯度值的方法包括：同步获取所述待定位磁源在不同测点的所述全张量磁梯度测量组件处产生的磁场梯度值，并对不同测点对应的所述磁场梯度值进行信噪比比较以选出信噪比最优的两个所述磁场梯度值；其中选出的两个所述磁场梯度值对应的测点作为所述选定测点；
在所述全张量磁梯度测量组件与所述位置定位器之间不存在空间距离时，获取所述全张量磁梯度测量组件位置坐标的方法包括：通过所述位置定位器直接获取所述全张量磁梯度测量组件的位置坐标；
在所述全张量磁梯度测量组件与所述位置定位器之间存在空间距离时，获取所述全张量磁梯度测量组件位置坐标的方法包括：获取所述位置定位器的位置坐标，并获取所述全张量磁梯度测量组件与所述位置定位器之间的偏移量；基于所述偏移量对所述位置坐标进行修正，以获取所述全张量磁梯度测量组件的位置坐标。
2.根据权利要求1所述的磁源的实时定位系统，其特征在于，所述全张量磁梯度测量组件包括：至少一个磁强计。
3.根据权利要求1所述的磁源的实时定位系统，其特征在于，所述安装支架包括低温容器，用于为所述全张量磁梯度测量组件提供安装平台，同时为所述全张量磁梯度测量组件提供低温环境。
4.根据权利要求3所述的磁源的实时定位系统，其特征在于，所述全张量磁梯度测量组件包括：至少一个平面梯度计。
5.根据权利要求3所述的磁源的实时定位系统，其特征在于，所述低温容器包括低温杜瓦。
6.根据权利要求1所述的磁源的实时定位系统，其特征在于，所述位置定位器包括：差分GPS接收机或组合惯导。
7.一种磁源的实时定位方法，其特征在于，所述实时定位方法包括：
搭建如权利要求1至6任一项所述的实时定位系统；
同步获取所述待定位磁源在两选定测点的所述全张量磁梯度测量组件处产生的磁场梯度值，并获取两选定测点的所述全张量磁梯度测量组件的位置坐标；
根据两选定测点对应的所述磁场梯度值及全张量不变量获取所述待定位磁源到两选定测点的所述全张量磁梯度测量组件的位置矢量的单位向量；
根据两选定测点对应的所述位置坐标及所述待定位磁源到两选定测点的所述全张量磁梯度测量组件的位置矢量的单位向量建立空间直线模型，以获取所述待定位磁源在地理坐标系下的位置坐标，从而实现对所述待定位磁源的实时定位；
其中，在所述实时定位系统包括两组所述磁源定位装置时，同步获取所述待定位磁源在两选定测点的所述全张量磁梯度测量组件处产生的磁场梯度值的方法包括：同步获取所述待定位磁源在两测点的所述全张量磁梯度测量组件处产生的磁场梯度值；
在所述实时定位系统包括两组以上所述磁源定位装置时，同步获取所述待定位磁源在两选定测点的所述全张量磁梯度测量组件处产生的磁场梯度值的方法包括：同步获取所述待定位磁源在不同测点的所述全张量磁梯度测量组件处产生的磁场梯度值，并对不同测点对应的所述磁场梯度值进行信噪比比较以选出信噪比最优的两个所述磁场梯度值；其中选出的两个所述磁场梯度值对应的测点作为所述选定测点；
在所述全张量磁梯度测量组件与所述位置定位器之间不存在空间距离时，获取所述全张量磁梯度测量组件位置坐标的方法包括：通过所述位置定位器直接获取所述全张量磁梯度测量组件的位置坐标；
在所述全张量磁梯度测量组件与所述位置定位器之间存在空间距离时，获取所述全张量磁梯度测量组件位置坐标的方法包括：获取所述位置定位器的位置坐标，并获取所述全张量磁梯度测量组件与所述位置定位器之间的偏移量；基于所述偏移量对所述位置坐标进行修正，以获取所述全张量磁梯度测量组件的位置坐标。
8.根据权利要求7所述的磁源的实时定位方法，其特征在于，获取所述待定位磁源到两选定测点的所述全张量磁梯度测量组件的位置矢量的单位向量的方法包括：
根据两选定测点对应的所述磁场梯度值分别获取两选定测点对应的全张量磁梯度矩阵特征值；
根据两选定测点对应的全张量磁梯度矩阵特征值分别获取两选定测点对应的全张量磁梯度矩阵最小绝对特征值，并根据两选定测点对应的全张量磁梯度矩阵最小绝对特征值获取一参考方向向量；其中，所述参考方向向量平行于所述待定位磁源磁矩的方向向量；
根据全张量不变量
Figure FDA0004036235680000031
确定所述待定位磁源的磁矩矢量的单位向量，从而获取所述待定位磁源到两选定测点的所述全张量磁梯度测量组件的位置矢量的单位向量；其中，MT为全张量不变量，λ1、λ2、λ3为全张量磁梯度矩阵特征值，μ0为真空磁导率，M为待定位磁源的磁矩的模，R为全张量磁梯度测量组件与待定位磁源之间的距离。
9.根据权利要求8所述的磁源的实时定位方法，其特征在于，获取所述参考方向向量的方法包括：根据两选定测点对应的全张量磁梯度矩阵最小绝对特征值获取其对应的特征向量，并通过对两所述特征向量求取向量积以获取所述参考方向向量。
10.根据权利要求8所述的磁源的实时定位方法，其特征在于，确定所述待定位磁源的磁矩矢量的单位向量的方法包括：根据全张量不变量
Figure FDA0004036235680000032
及两选定测点对应的全张量磁梯度矩阵特征值判断所述待定位磁源到两选定测点的所述全张量磁梯度测量组件的距离远近，从而确定所述待定位磁源的磁矩矢量的单位向量。
11.根据权利要求7所述的磁源的实时定位方法，其特征在于，所述空间直线模型包括：
Figure FDA0004036235680000041
和
Figure FDA0004036235680000042
其中，x、y、z是所述待定位磁源的位置坐标，Ax、Ay、Az是一选定测点的所述全张量磁梯度测量组件的位置坐标，PA、QA、HA是所述待定位磁源到一选定测点的所述全张量磁梯度测量组件的位置矢量的单位向量，Bx、By、Bz是另一选定测点的所述全张量磁梯度测量组件的位置坐标，PB、QB、HB是所述待定位磁源到另一选定测点的所述全张量磁梯度测量组件的位置矢量的单位向量。
12.根据权利要求7至11任一项所述的磁源的实时定位方法，其特征在于，所述定位方法还包括：对不同测点的所述全张量磁梯度测量组件进行两两组合以获取多组所述待定位磁源的初始位置坐标，并对多组所述初始位置坐标求平均以获取所述待定位磁源的位置坐标。
13.根据权利要求7所述的磁源的实时定位方法，其特征在于，所述定位方法还包括：重复上述步骤获取多组所述待定位磁源的位置坐标，并通过对多组所述位置坐标求平均以获取所述待定位磁源的最终位置坐标。
CN201910061731.XA 2019-01-23 2019-01-23 一种磁源的实时定位系统及实时定位方法 Active CN109633540B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910061731.XA CN109633540B (zh) 2019-01-23 2019-01-23 一种磁源的实时定位系统及实时定位方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910061731.XA CN109633540B (zh) 2019-01-23 2019-01-23 一种磁源的实时定位系统及实时定位方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109633540A CN109633540A (zh) 2019-04-16
CN109633540B true CN109633540B (zh) 2023-04-14

Family

ID=66063214

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910061731.XA Active CN109633540B (zh) 2019-01-23 2019-01-23 一种磁源的实时定位系统及实时定位方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109633540B (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110308490B (zh) * 2019-06-13 2021-06-08 南京理工大学 基于磁传感器阵列的旋转运动磁异常目标探测装置及方法
CN112556683B (zh) * 2020-11-24 2023-02-24 哈尔滨工业大学（深圳） 基于磁偶极子场的定位方法、装置、系统与存储介质
CN113534271B (zh) * 2021-08-23 2022-06-17 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 快捷去除虚解的全张量定位方法及全张量定位装置

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AU2008265497A1 (en) * 2007-06-18 2008-12-24 Commonwealth Scientific And Industrial Research Organisation Method and apparatus for detection using magnetic gradient tensor

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6841994B1 (en) * 2004-03-01 2005-01-11 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Magnetic anomaly sensing system for detection, localization and classification of magnetic objects
KR101220268B1 (ko) * 2012-05-04 2013-01-10 홍종옥 지하시설의 지도제작을 위한 지피에스 기반 측지측량 시스템
CN103487770B (zh) * 2013-04-19 2016-08-10 北京航空航天大学 一种用于测量空间磁场梯度全张量信息的无源探测装置
CN104457793B (zh) * 2014-12-08 2017-06-16 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 超导全张量磁梯度测控装置的同步精度的平行标定方法
CA3007717C (en) * 2016-02-12 2020-08-04 Halliburton Energy Services, Inc. Active ranging-while-drilling with magnetic gradiometry

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AU2008265497A1 (en) * 2007-06-18 2008-12-24 Commonwealth Scientific And Industrial Research Organisation Method and apparatus for detection using magnetic gradient tensor

Also Published As

Publication number Publication date
CN109633540A (zh) 2019-04-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107272069B (zh) 基于磁异常梯度的磁性目标追踪方法
CN104535062B (zh) 基于磁梯度张量和地磁矢量测量的运动式定位方法
CN105891755B (zh) 航空器挂载式磁通门磁梯度张量仪的校正方法
US7932718B1 (en) System and method using magnetic anomaly field magnitudes for detection, localization, classification and tracking of magnetic objects
CN107544042B (zh) 一种磁力计阵列校正方法
Liu et al. Calibration and compensation of geomagnetic vector measurement system and improvement of magnetic anomaly detection
CN109633540B (zh) 一种磁源的实时定位系统及实时定位方法
CN110308490B (zh) 基于磁传感器阵列的旋转运动磁异常目标探测装置及方法
CN111077595B (zh) 一种超导磁测系统角度误差的校正方法及存储介质
CN110146839A (zh) 一种移动平台磁梯度张量系统校正方法
CN109856689B (zh) 一种超导航磁梯度张量数据抑噪处理方法和系统
CN109633491B (zh) 全张量磁梯度测量系统安装误差的标定装置及标定方法
CN108227005A (zh) 一种目标定位及识别方法
CN109633490B (zh) 一种全张量磁梯度测量组件的标定方法
CN104345348A (zh) 航空超导全张量磁梯度测量系统相关参数获取装置及方法
CN109633541B (zh) 一种磁源定位装置及磁源定位方法
CN109725361B (zh) 基于磁梯度张量不变量的一种磁性目标定位方法
CN107390155A (zh) 一种磁传感器校准装置和方法
CN109633539B (zh) 一种磁源的静态定位装置及静态定位方法
Getscher et al. Magnetic gradient tensor framework for attitude-free position estimation
Pang et al. Misalignment error suppression between host frame and magnetic sensor array
Pang et al. A new misalignment calibration method of portable geomagnetic field vector measurement system
Shen et al. Geometry structure optimization of hexagonal pyramidal full tensor magnetic gradient probe
CN106772635A (zh) 一种基于扫描交汇的地下电缆三维定位装置及定位方法
RU2572109C1 (ru) Способ калибровки электронного магнитного компаса

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant