CN111272168B - 一种基于磁场特征矢量的定位方法、装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于磁场特征矢量的定位方法、装置及系统，涉及信号定位技术领域。本发明所述的基于磁场特征矢量的定位方法，包括：获取多个磁信标在目标处的特征矢量；根据所述特征矢量确定所述目标的位置；根据所述目标的位置确定所述目标相对于所述磁信标的姿态角。本发明所述的技术方案，通过磁信标产生低频磁场特征矢量的方式，实现在地下、室内等存在大量障碍物的复杂环境中提供长工作时间，稳定，且具有定位定姿功能的导航服务方案，并且具有位置误差与目标姿态误差不积累，以及导航定位结果与目标自身姿态无关的优点，有效提高了在复杂环境下的导航能力。

Description

一种基于磁场特征矢量的定位方法、装置及系统

技术领域

本发明涉及信号定位技术领域，具体而言，涉及一种基于磁场特征矢量的定位方法、装置及系统。

背景技术

随着科技的发展，人们对定位服务的需求也日益强烈。在室外，随着GPS、北斗等卫星导航系统的完善和普及，定位精度服务已经基本满足人们的日常需求；然而在一些严苛环境下如存在密集障碍以及遮挡的条件下，GPS等导航信号可能无法保证定位精度。

发明内容

本发明解决的问题是现有技术在特殊导航环境下，精度较差，无法满足导航定位要求。

为解决上述问题，本发明提供一种基于磁场特征矢量的定位方法，包括：获取多个磁信标在目标处的特征矢量；根据所述特征矢量确定所述目标的位置；根据所述目标的位置确定所述目标相对于所述磁信标的姿态角。

本发明所述的基于磁场特征矢量的定位方法，通过磁信标产生低频磁场特征矢量的方式，实现在地下、室内等存在大量障碍物的复杂环境中提供长工作时间，稳定，且具有定位定姿功能的导航服务方案，并且具有位置误差与目标姿态误差不积累，以及导航定位结果与目标自身姿态无关的优点，有效提高了在复杂环境下的导航能力。

进一步地，所述获取多个磁信标在目标处的特征矢量包括：获取磁信标模型，其中，所述磁信标模型中的各个所述磁信标具备不同的工作频率；根据所述磁信标的工作频率确定磁场矢量；根据所述磁场矢量确定各个所述磁信标在所述目标处的所述特征矢量。

本发明所述的基于磁场特征矢量的定位方法，通过设置磁信标模型中的各个磁信标具备不同的工作频率，从而能够区别出测量到的磁场信号来自于哪个磁信标，进而有效提高导航的定位精度。

进一步地，所述磁信标模型的建立过程包括：基于磁偶极子模型，在应用环境中设置至少三个所述磁信标；将各个所述磁信标设置为不同的工作频率，建立所述磁信标模型。

本发明所述的基于磁场特征矢量的定位方法，通过在应用环境中设置至少三个磁信标来建立磁信标模型，以实现精确的定位功能，进而有效提高导航的定位精度。

进一步地，所述根据所述磁场矢量确定各个所述磁信标在目标处的特征矢量包括：根据所述磁场矢量确定磁场的三轴分量；根据所述三轴分量确定所述目标的特征角；根据所述目标的特征角确定各个所述磁信标在所述目标处的特征矢量。

本发明所述的基于磁场特征矢量的定位方法，通过磁场矢量确定磁信标在目标处的特征矢量，由于受磁场衰减的影响较弱，具有更强的鲁棒性，从而有效提高导航的定位精度。

进一步地，所述根据所述特征矢量确定所述目标的位置包括：根据第一公式确定所述特征矢量与所述目标相对所述磁性标的距离的关系，所述第一公式包括：l_ij ²＝l_i ²+l_i ²-2l_il_jcosα_ij，(i，j＝1，2，3，…，n；i≠j)，cosα_ij＝(v′_i·v′_j)，其中，所述第一公式中，l_i,j表示磁信标i与磁信标j之间的距离，l_i表示目标与磁信标i之间的距离，v′_i和v′_j分别表示磁信标i与磁信标j在目标处的特征矢量，α_ij为v′_i和v′_j之间的夹角。

本发明所述的基于磁场特征矢量的定位方法，通过第一公式确定确定特征矢量与目标相对磁性标的距离的关系，从而能够进一步根据特征矢量确定目标的位置，进而有效提高导航的定位精度。

进一步地，所述根据所述特征矢量确定所述目标的位置还包括：根据第二公式确定所述目标的位置，所述第二公式包括l_i＝||(p_x，p_y，p_z)-(m_x ⁽ⁱ⁾，m_y ⁽ⁱ⁾，m_z ⁽ⁱ⁾)||，(i＝1，2，3，…，n)，其中，所述目标的位置表示为P＝(p_x,p_y,p_z)，各个所述磁信标的位置表示为

本发明所述的基于磁场特征矢量的定位方法，通过第二公式确定目标的位置，基于磁信标的位置确定目标的位置，从而有效提高导航的定位精度。

进一步地，所述根据所述目标的位置确定所述目标相对于所述磁信标的姿态角包括：根据所述目标的位置确定估计目标特征矢量，根据所述估计目标特征矢量确定所述目标相对于所述磁信标的旋转矩阵，根据所述旋转矩阵确定所述目标相对于所述磁信标的姿态角。

本发明所述的基于磁场特征矢量的定位方法，通过目标的位置确定估计目标特征矢量后再确定目标相对于磁信标的旋转矩阵，根据旋转矩阵确定目标相对于磁信标的姿态角，从而有效提高导航的定位精度。

进一步地，所述根据所述旋转矩阵确定所述目标相对于所述磁信标的姿态角包括：根据所述旋转矩阵确定所述目标相对于所述磁信标的姿态角roll,pitch和yaw，其中，所述roll,所述pitch和所述yaw分别表示以x、y和z为轴的姿态角。

本发明所述的基于磁场特征矢量的定位方法，通过旋转矩阵确定目标相对于磁信标的姿态角，根据姿态角roll,pitch和yaw能够有效定位，从而有效提高导航的定位精度。

本发明还提供一种基于磁场特征矢量的定位装置，包括：获取单元，所述获取单元用于获取磁信标在目标处的特征矢量；处理单元，所述处理单元用于根据所述特征矢量确定所述目标的位置，以及根据所述目标的位置确定所述目标相对于所述磁信标的姿态角。所述基于磁场特征矢量的定位装置与上述基于磁场特征矢量的定位方法相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。

本发明还提供一种基于磁场特征矢量的定位系统，包括至少三个工作频率互不相同的磁信标以及上述所述的基于磁场特征矢量的定位装置。所述基于磁场特征矢量的定位系统与上述基于磁场特征矢量的定位装置相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。

附图说明

图1为本发明所述的基于磁场特征矢量的定位方法流程图；

图2为本发明所述的磁信标模型图；

图3为本发明所述的测量磁场与目标关系原理图；

图4为本发明所述的基于磁场特征矢量的定位装置的示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

如图1所示，本发明实施例提供一种基于磁场特征矢量的定位方法，包括：S1，获取多个磁信标在目标处的特征矢量；S2，根据所述特征矢量确定所述目标的位置；S3，根据所述目标的位置确定所述目标相对于所述磁信标的姿态角。

具体地，在本实施例中，基于磁场特征矢量的定位方法，包括：获取多个磁信标在目标处的特征矢量，该步骤具体包括：

(1)结合图2所示磁信标模型图，基于磁偶极子模型，在应用环境中设置工作频率互不相同的至少三个磁信标，并将各个磁信标的坐标统一在同一个坐标系下，以统一后的坐标系为基准，标定各个磁信标的位置为

且各个磁信标的工作频率在10Hz至1kHz内，工作频率已知，由于频率越低，磁场的穿透性越强，因此利用甚低频磁场的穿透能力，能够有效实现在例如地下和室内等特殊环境下的定位导航，其中，各个磁信标的工作频率互不相同，一方面是具有一定频率的磁场信号能够有效和静态地磁场分离，另一方面则是方便进行傅里叶分解，以区别出测量到的磁场信号来自于哪个磁信标。

以三个磁信标为例，坐标位置和工作频率如下表1所示。

表1磁信标放置位置及工作频率

(2)根据各个磁信标的工作频率提取对应的磁场矢量，结合图2和图3所示，目标位置测量到的磁场模型可表示为

其中M为对应磁信标的磁矩，μ为磁场传播介质因子，r为目标与磁信标之间的距离，R_d，h_d为磁信标参数相关的等效尺寸，θ，

为相关的特征矢量参数。

取对应磁信标的测量点如表2-实验目标先验坐标所示。

表2实验目标先验坐标

(3)根据磁场矢量计算磁信标在目标处的特征矢量v′_i＝(v′_ix，v′_iy，v′_iz)，(i＝1，2，...，n)，其中v′_i可由

的计算得到

可由目标处的测量磁场三轴分量得到：

由于特征矢量受磁场衰减不确定的影响更弱，因此具有更强的鲁棒性。

基于磁场特征矢量的定位方法，还包括：

(4)根据所述特征矢量确定所述目标的位置，具体包括：根据第一公式确定特征矢量与目标相对磁性标的距离的关系，第一公式包括：l_ij ²＝l_i ²+l_j ²-2l_il_jcosα_ij，(i，j＝1，2，3，…，n；i≠j)cosα_ij＝(v′_i·v′_j)，其中，第一公式中，l_i，j表示磁信标i与磁信标j之间的距离，l_i表示目标与磁信标i之间的距离，v′_i和v′_j分别表示磁信标i与磁信标j在目标处的特征矢量，α_ij为v′_i和v′_j之间的夹角；

根据第二公式确定目标的位置，所述第二公式包括l_i＝||(p_x，p_y，p_z)-(m_x ⁽ⁱ⁾，m_y ⁽ⁱ⁾，m_z ⁽ⁱ⁾)||，(i＝1，2，3，…，n)其中，所述目标的位置表示为P＝(p_x，p_y，p_z)，各个所述磁信标的位置表示为

由于位置解算模型与目标本身姿态无关，因此不需要目标坐标系与磁信标坐标系统一。

(5)根据所述目标的位置确定所述目标相对于所述磁信标的姿态角，具体包括：根据解算得到的估计目标位置

可计算出估计目标特征矢量

则观测特征矢量

与估计目标特征矢量

存在如下关系

其中

M_i为磁信标i的坐标。

为目标相对于磁信标的旋转矩阵

C₁₁＝cos(yaw)cos(pitch),C₂₁＝sin(yaw)cos(pitch),

C₃₁＝-sin(pitch)

C₁₂＝cos(yaw)sin(pitch)sin(roll)-sin(yaw)cos(roll)

C₂₂＝sin(yaw)sin(pitch)sin(roll)+cos(yaw)cos(roll)

C₃₂＝cos(pitch)sin(roll)

C₁₃＝cos(yaw)sin(pitch)cos(roll)+sin(yaw)sin(roll)

C₂₃＝sin(yaw)sin(pitch)cos(roll)-cos(yaw)sin(roll)

C₃₃＝cos(pitch)cos(roll)

其中，roll,pitch,yaw分别为以x,y,z为轴的旋转角。

由此可计算得到目标相对于磁信标的旋转矩阵

其中

结合表3-目标点位置估计结果所示。

表3目标点位置估计结果

在本实施例中，通过磁信标产生低频磁场特征矢量的方式，实现在地下、室内等存在大量障碍物的复杂环境中提供长工作时间，稳定，且具有定位定姿功能的导航服务方案，并且具有位置误差与目标姿态误差不积累，以及导航定位结果与目标自身姿态无关的优点，有效提高了在复杂环境下的导航能力。

优选地，所述获取多个磁信标在目标处的特征矢量包括：获取磁信标模型，其中，所述磁信标模型中的各个所述磁信标具备不同的工作频率；根据所述磁信标的工作频率确定磁场矢量；根据所述磁场矢量确定各个所述磁信标在所述目标处的所述特征矢量。

具体地，在本实施例中，获取磁信标在目标处的特征矢量包括：获取磁信标模型，并根据磁信标的工作频率确定磁场矢量，并根据磁场矢量确定各个磁信标在所述目标处的所述特征矢量，其中，各个磁信标的工作频率互不相同，一方面是具有一定频率的磁场信号能够有效和静态地磁场分离，另一方面则是方便进行傅里叶分解，以区别出测量到的磁场信号来自于哪个磁信标。

在本实施例中，通过设置磁信标模型中的各个磁信标具备不同的工作频率，从而能够区别出测量到的磁场信号来自于哪个磁信标，进而有效提高导航的定位精度。

优选地，所述磁信标模型的建立过程包括：基于磁偶极子模型，在应用环境中设置至少三个所述磁信标；将各个所述磁信标设置为不同的工作频率，建立所述磁信标模型。

具体地，在本实施例中，磁信标模型的建立过程包括：基于磁偶极子模型，在应用环境中设置至少三个磁信标，基于导航原理，通过至少三个磁信标可确定对应的定位坐标，因此在建立磁信标模型时，至少在应用环境中设置三个磁信标；同时将各个磁信标设置为不同的工作频率，一方面是具有一定频率的磁场信号能够有效和静态地磁场分离，另一方面则是方便进行傅里叶分解，以区别出测量到的磁场信号来自于哪个磁信标，从而建立磁信标模型。

在本实施例中，通过在应用环境中设置至少三个磁信标来建立磁信标模型，以实现精确的定位功能，进而有效提高导航的定位精度。

优选地，所述根据所述磁场矢量确定各个所述磁信标在目标处的特征矢量包括：根据所述磁场矢量确定磁场的三轴分量；根据所述三轴分量确定所述目标的特征角；根据所述目标的特征角确定各个所述磁信标在所述目标处的特征矢量。

具体地，在本实施例中，根据磁场矢量确定各个磁信标在目标处的特征矢量包括：首先根据磁场矢量确定磁场的三轴分量，以此可以确定目标的特征角，进而根据特征角确定磁信标在目标处的特征矢量。

在本实施例中，通过磁场矢量确定磁信标在目标处的特征矢量，由于受磁场衰减的影响较弱，具有更强的鲁棒性，从而有效提高导航的定位精度。

优选地，所述根据所述特征矢量确定所述目标的位置包括：根据第一公式确定所述特征矢量与所述目标相对所述磁性标的距离的关系，所述第一公式包括：l_ij ²＝l_i ²+l_j ²-2l_il_jcosα_ij，(i，j＝1，2，3，…，n；i≠j)，cosα_ij＝(v′_i·v′_j)，其中，所述第一公式中，l_i,j表示磁信标i与磁信标j之间的距离，l_i表示目标与磁信标i之间的距离，v′_i和v′_j分别表示磁信标i与磁信标j在目标处的特征矢量。

具体地，在本实施例中，根据特征矢量确定目标的位置包括：根据第一公式确定特征矢量与目标相对磁性标的距离的关系，其中，第一公式包括：l_ij ²＝l_i ²+l_j ²-2l_il_jcosα_ij，(i，j＝1，2，3，…，n；i≠j)，cosα_ij＝(v′_i·v′_j)，第一公式中，l_i,j表示磁信标i与磁信标j之间的距离，l_i表示目标与磁信标i之间的距离，v′_i和v′_j分别表示磁信标i与磁信标j在目标处的特征矢量。

在本实施例中，通过第一公式确定特征矢量与目标相对磁性标的距离的关系，从而能够进一步根据特征矢量确定目标的位置，进而有效提高导航的定位精度。

优选地，所述根据所述特征矢量确定所述目标的位置还包括：根据第二公式确定所述目标的位置，所述第二公式包括l_i＝||(p_x，p_y，p_z)-(m_x ⁽ⁱ⁾，m_y ⁽ⁱ⁾，m_z ⁽ⁱ⁾)||，(i＝1，2，3，…，n)，其中，所述目标的位置表示为P＝(p_x,p_y,p_z)，各个所述磁信标的位置表示为

具体地，在本实施例中，根据特征矢量确定目标的位置还包括：根据第二公式确定目标的位置，第二公式包括l_i＝||(p_x，p_y，p_z)-(m_x ⁽ⁱ⁾，m_y ⁽ⁱ⁾，m_z ⁽ⁱ⁾)||，(i＝1，2，3，…，n)，其中，目标的位置表示为P＝(p_x,p_y,p_z)，各个磁信标的位置表示为

在本实施例中，通过第二公式确定目标的位置，基于磁信标的位置确定目标的位置，从而有效提高导航的定位精度。

优选地，所述根据所述目标的位置确定所述目标相对于所述磁信标的姿态角包括：根据所述目标的位置确定估计目标特征矢量，根据所述估计目标特征矢量确定所述目标相对于所述磁信标的旋转矩阵，根据所述旋转矩阵确定所述目标相对于所述磁信标的姿态角。

具体地，在本实施例中，根据目标的位置确定目标相对于磁信标的姿态角包括：根据目标的位置确定估计目标特征矢量，根据估计目标特征矢量确定目标相对于磁信标的旋转矩阵，根据旋转矩阵确定目标相对于磁信标的姿态角。

在本实施例中，通过目标的位置确定估计目标特征矢量后再确定目标相对于磁信标的旋转矩阵，根据旋转矩阵确定目标相对于磁信标的姿态角，从而有效提高导航的定位精度。

优选地，所述根据所述旋转矩阵确定所述目标相对于所述磁信标的姿态角包括：根据所述旋转矩阵确定所述目标相对于所述磁信标的姿态角roll,pitch和yaw，其中，所述roll,所述pitch和所述yaw分别表示以x、y和z为轴的姿态角。

具体地，在本实施例中，根据旋转矩阵确定目标相对于磁信标的姿态角包括：根据旋转矩阵确定目标相对于磁信标的姿态角roll,pitch和yaw，其中，roll,pitch和yaw分别表示以x、y和z为轴的姿态角。

在本实施例中，通过旋转矩阵确定目标相对于磁信标的姿态角，根据姿态角roll,pitch和yaw能够有效定位，从而有效提高导航的定位精度。

本发明另一实施例提供一种基于磁场特征矢量的定位装置，结合图4所示，包括：获取单元，所述获取单元用于获取磁信标在目标处的特征矢量；处理单元，所述处理单元用于根据所述特征矢量确定所述目标的位置，以及根据所述目标的位置确定所述目标相对于所述磁信标的姿态角。所述基于磁场特征矢量的定位装置与上述基于磁场特征矢量的定位方法相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。

本发明另一实施例提供一种基于磁场特征矢量的定位系统，包括至少三个工作频率互不相同的磁信标以及上述所述的基于磁场特征矢量的定位装置。所述基于磁场特征矢量的定位系统与上述基于磁场特征矢量的定位装置相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。

虽然本发明公开披露如上，但本发明公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本发明公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于磁场特征矢量的定位方法，其特征在于，包括：

获取多个磁信标在目标处的特征矢量；

根据所述特征矢量确定所述目标的位置；

根据所述目标的位置确定所述目标相对于所述磁信标的姿态角；

所述根据所述特征矢量确定所述目标的位置包括：

根据第一公式确定所述特征矢量与所述目标相对所述磁信标的距离的关系，所述第一公式包括：l_ij ²＝l_i ²+l_j ²-2l_il_jcosα_ij，(i，j＝1，2，3，…，n；i≠j)，cosα_ij＝(v′_i·v′_j)，其中，所述第一公式中，l_i，j表示磁信标i与磁信标j之间的距离，l_i表示目标与磁信标i之间的距离，v′_i和v′_j分别表示磁信标i与磁信标j在目标处的特征矢量，α_ij为v′_i和v′_j之间的夹角；

所述根据所述特征矢量确定所述目标的位置还包括：

根据第二公式确定所述目标的位置，所述第二公式包括l_i＝||(p_x，p_y，p_z)-(m_x ⁽ⁱ⁾，m_y ⁽ⁱ⁾，m_z ⁽ⁱ⁾)||，(i＝1，2，3，…，n)，其中，所述目标的位置表示为P＝(p_x，p_y，p_z)，各个所述磁信标的位置表示为

所述根据所述目标的位置确定所述目标相对于所述磁信标的姿态角包括：

根据所述目标的位置确定估计目标特征矢量，根据所述估计目标特征矢量确定所述目标相对于所述磁信标的旋转矩阵，根据所述旋转矩阵确定所述目标相对于所述磁信标的姿态角；

所述根据所述旋转矩阵确定所述目标相对于所述磁信标的姿态角包括：

根据所述旋转矩阵确定所述目标相对于所述磁信标的姿态角roll，pitch和yaw，其中，所述roll，所述pitch和所述yaw分别表示以x、y和z为轴的姿态角。

2.根据权利要求1所述的基于磁场特征矢量的定位方法，其特征在于，所述获取多个磁信标在目标处的特征矢量包括：

获取磁信标模型，其中，所述磁信标模型中的各个所述磁信标具备不同的工作频率；

根据所述磁信标的工作频率确定磁场矢量；

根据所述磁场矢量确定各个所述磁信标在所述目标处的所述特征矢量。

3.根据权利要求2所述的基于磁场特征矢量的定位方法，其特征在于，所述磁信标模型的建立过程包括：

基于磁偶极子模型，在应用环境中设置至少三个所述磁信标；

将各个所述磁信标设置为不同的工作频率，建立所述磁信标模型。

4.根据权利要求2所述的基于磁场特征矢量的定位方法，其特征在于，所述根据所述磁场矢量确定各个所述磁信标在目标处的特征矢量包括：

根据所述磁场矢量确定磁场的三轴分量；

根据所述三轴分量确定所述目标的特征角；

根据所述目标的特征角确定各个所述磁信标在所述目标处的特征矢量。

5.一种基于磁场特征矢量的定位装置，其特征在于，包括：

获取单元，所述获取单元用于获取磁信标在目标处的特征矢量；

处理单元，所述处理单元用于根据所述特征矢量确定所述目标的位置，以及根据所述目标的位置确定所述目标相对于所述磁信标的姿态角；

所述根据所述特征矢量确定所述目标的位置包括：

根据第一公式确定所述特征矢量与所述目标相对所述磁信标的距离的关系，所述第一公式包括：l_ij ²＝l_i ²+l_j ²-2l_il_jcosα_ij，(i，j＝1，2，3，…，n；i≠j)，cosα_ij＝(v′_i·v′_j)，其中，所述第一公式中，l_i，j表示磁信标i与磁信标j之间的距离，l_i表示目标与磁信标i之间的距离，v′_i和v′_j分别表示磁信标i与磁信标j在目标处的特征矢量，α_ij为v′_i和v′_j之间的夹角；

所述根据所述特征矢量确定所述目标的位置还包括：

根据第二公式确定所述目标的位置，所述第二公式包括l_i＝||(p_x，p_y，p_z)-(m_x ⁽ⁱ⁾，m_y ⁽ⁱ⁾，m_z ⁽ⁱ)||，(i＝1，2，3，…，n)，其中，所述目标的位置表示为P＝(p_x，p_y，p_z)，各个所述磁信标的位置表示为

所述根据所述目标的位置确定所述目标相对于所述磁信标的姿态角包括：

根据所述目标的位置确定估计目标特征矢量，根据所述估计目标特征矢量确定所述目标相对于所述磁信标的旋转矩阵，根据所述旋转矩阵确定所述目标相对于所述磁信标的姿态角；

所述根据所述旋转矩阵确定所述目标相对于所述磁信标的姿态角包括：

根据所述旋转矩阵确定所述目标相对于所述磁信标的姿态角roll，pitch和yaw，其中，所述roll，所述pitch和所述yaw分别表示以x、y和z为轴的姿态角。

6.一种基于磁场特征矢量的定位系统，其特征在于，包括至少三个工作频率互不相同的磁信标以及权利要求5所述的基于磁场特征矢量的定位装置。

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