CN111504301B - 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，获取三个及以上磁强计分别在磁信标处的特征矢量；根据所述特征矢量确定所述磁信标的位置；根据所述磁信标的位置确定磁信标坐标系的相对姿态角以标定所述磁信标。本发明所述的技术方案，通过设置磁强计测量磁信标的特征矢量，实现实际环境中对磁信标实际磁场中心与坐标系轴线旋转姿态角的高精度估计与标定，从而有效提高导航的定位精度。

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。磁信标的旋转姿态角的标定结果是基于磁信标产生的磁场与磁信标的中心位置标定结果，同样仅与磁信标实际产生的磁场相关，而利用螺线管轴线的方向近似磁信标坐标轴方向的方式由于螺线管工艺、材料等因素，可能导致这种近似存在一定误差。

发明内容

本发明解决的问题是现有技术中磁信标坐标轴方向存在误差。

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：获取三个及以上磁强计分别在磁信标处的特征矢量；根据所述特征矢量确定所述磁信标的位置；根据所述磁信标的位置确定磁信标坐标系的相对姿态角以标定所述磁信标。

本发明所述的基于磁场特征矢量的定位方法，通过设置磁强计测量磁信标的特征矢量，实现实际环境中对磁信标实际磁场中心与坐标系轴线旋转姿态角的高精度估计与标定，从而有效提高导航的定位精度。

进一步地，所述获取三个及以上磁强计分别在磁信标处的特征矢量包括：获取磁信标模型，其中，所述磁信标在所述磁信标模型中工作于预设频率；根据所述磁信标的所述预设频率确定磁场矢量；根据所述磁场矢量确定各所述磁强计在所述磁信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，通过设置磁强计测量磁信标的特征矢量，实现实际环境中对磁信标实际磁场中心与坐标系轴线旋转姿态角的高精度估计与标定，从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，在设定应用环境中设置所述磁信标；将所述磁信标的工作频率设置为所述预设频率，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，通过设置磁强计测量磁信标的特征矢量，实现实际环境中对磁信标实际磁场中心与坐标系轴线旋转姿态角的高精度估计与标定，从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磁强计在磁信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磁强计在所述磁信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，通过磁场三轴分量确定磁强计在磁信标处的特征矢量，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磁信标的位置包括：根据第一公式确定所述特征矢量与所述磁强计的位置的关系，所述第一公式包括：

(i,j＝1,2,3；i≠j)，cosα_ij＝(i_i·i_j)，其中，l_i,j表示磁强计i与磁强计j之间的距离，l_i表示磁强计i与磁信标之间的距离，l_j表示磁强计j与磁信标之间的距离，i_i和i_j分别表示磁强计i的特征矢量与磁强计j的特征矢量。

本发明所述的基于磁场特征矢量的定位方法，通过第一公式确定特征矢量与磁强计的位置的关系，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磁信标的位置还包括：根据第二公式确定所述磁信标的位置，其中，所述第二公式包括：l_i＝||M-P_i||,l_ij＝||P_i-P_j||，

其中，所述磁信标的位置表示为M＝(m_x,m_y,m_z)，磁强计i，磁强计j和磁强计k的位置分别表示为

本发明所述的基于磁场特征矢量的定位方法，通过第二公式确定磁强计的位置，从而有效提高导航的定位精度。

进一步地，所述根据所述磁信标的位置确定磁信标坐标系的相对姿态角包括：根据所述磁信标的位置确定估计特征矢量；根据所述估计特征矢量确定所述磁信标坐标系的旋转矩阵；根据所述旋转矩阵确定所述磁信标坐标系的所述相对姿态角。

本发明所述的基于磁场特征矢量的定位方法，根据磁信标的位置确定估计特征矢量，根据估计特征矢量确定磁信标坐标系的旋转矩阵，根据旋转矩阵确定磁信标坐标系的相对姿态角，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磁信标坐标系的所述相对姿态角包括：根据所述旋转矩阵确定所述磁信标坐标系的相对姿态角λ、ψ和γ，其中，λ为所述磁信标坐标系关于X轴的旋转姿态角，ψ为所述磁信标坐标系关于Y轴的旋转姿态角，ψ为所述磁信标坐标系关于Z轴的旋转姿态角。

本发明所述的基于磁场特征矢量的定位方法，根据旋转矩阵确定磁信标坐标系的相对姿态角λ、ψ和γ，根据相对姿态角λ、ψ和γ能够有效实现实际环境中对磁信标实际磁场中心与坐标系轴线旋转姿态角的高精度估计与标定，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三个及以上磁强计在磁信标处的特征矢量；处理单元，所述处理单元用于根据所述特征矢量确定所述磁信标的位置，以及根据所述磁信标的位置确定磁信标坐标系的相对姿态角以标定所述磁信标。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为本发明实施例所述的基于磁场特征矢量的定位方法流程图；

图2为本发明实施例所述的测量磁场与目标关系原理图；

图3为本发明实施例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，获取三个及以上磁强计分别在磁信标处的特征矢量；

S2，根据所述特征矢量确定所述磁信标的位置；

S3，根据所述磁信标的位置确定磁信标坐标系的相对姿态角以标定所述磁信标。

具体地，在本实施例中，结合图1和图2所示，基于磁场特征矢量的定位方法，包括：获取多个磁强计在磁信标处的特征矢量；根据特征矢量确定磁信标的位置；根据磁信标的位置确定磁信标坐标系的相对姿态角以标定磁信标，经过先验布置的磁强计测量磁信标的特征矢量，实现实际环境中对磁信标实际磁场中心与坐标系轴线旋转姿态角的高精度估计与标定，从而有效提高导航的定位精度。

在本实施例中，通过设置磁强计测量磁信标的特征矢量，实现实际环境中对磁信标实际磁场中心与坐标系轴线旋转姿态角的高精度估计与标定，从而有效提高导航的定位精度。

优选地，所述获取三个及以上磁强计分别在磁信标处的特征矢量包括：获取磁信标模型，其中，所述磁信标在所述磁信标模型中工作于预设频率；根据所述磁信标的所述预设工作频率确定磁场矢量；根据所述磁场矢量确定各所述磁强计在所述磁信标处的所述特征矢量。

具体地，在本实施例中，获取三个及以上磁强计分别在磁信标处的特征矢量包括：获取磁信标模型，其中，磁信标在磁信标模型中工作于预设频率，即磁信标模型中的磁信标的工作频率已知；根据磁信标的工作频率确定磁场矢量；根据磁场矢量确定磁强计在磁信标处的特征矢量。

在本实施例中，通过设置磁强计测量磁信标的特征矢量，实现实际环境中对磁信标实际磁场中心与坐标系轴线旋转姿态角的高精度估计与标定，从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，在设定应用环境中设置所述磁信标；将所述磁信标的工作频率设置所述预设频率，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，在已知应用环境即在预设应用环境中设置磁信标；将磁信标设置为已知的工作频率即预设工作频率，建立所述磁信标模型。

在本实施例中，通过设置磁强计测量磁信标的特征矢量，实现实际环境中对磁信标实际磁场中心与坐标系轴线旋转姿态角的高精度估计与标定，从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所述磁强计在所述磁信标处的所述特征矢量包括：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磁强计在所述磁信标处的所述特征矢量。

具体地，在本实施例中，根据磁场矢量确定磁强计在磁信标处的特征矢量包括：根据磁场矢量确定磁场的三轴分量；根据三轴分量确定磁强计在磁信标处的特征矢量。

在本实施例中，通过磁场三轴分量确定磁强计在磁信标处的特征矢量，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磁信标的位置包括：根据第一公式确定所述特征矢量与所述磁强计的位置的关系，所述第一公式包括：

(i,j＝1,2,3；i≠j)，cosα_ij＝(i_i·i_j)，其中，l_i,j表示磁强计i与磁强计j之间的距离，l_i表示磁强计i与磁信标之间的距离，l_j表示磁强计j与磁信标之间的距离，i_i和i_j分别表示磁强计i的特征矢量与磁强计j的特征矢量。

具体地，在本实施例中，根据特征矢量确定磁信标的位置包括：根据第一公式确定特征矢量与磁强计的位置的关系，第一公式包括：

(i,j＝1,2,3；i≠j)，cosα_ij＝(i_i·i_j)，其中，第一公式中，l_i,j表示磁强计i与磁强计j之间的距离，l_i表示磁强计i与磁信标之间的距离，l_j表示磁强计j与磁信标之间的距离，i_i和i_j分别表示磁强计i的特征矢量与磁强计j的特征矢量，在图2中分别用v_i和v_j表示，其它同理。

在本实施例中，通过第一公式确定特征矢量与磁强计的位置的关系，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磁信标的位置还包括：根据第二公式确定所述磁信标的位置，其中，所述第二公式包括：l_i＝||M-P_i||,l_ij＝||P_i-P_j||，

其中，所述磁信标的位置表示为M＝(m_x,m_y,m_z)，磁强计i，磁强计j和磁强计k的位置分别表示为

具体地，在本实施例中，根据特征矢量确定磁信标的位置还包括：根据第二公式确定磁信标的位置，其中，第二公式包括：l_i＝||M-P_i||,l_ij＝||P_i-P_j||，

其中，磁信标的位置表示为M＝(m_x,m_y,m_z)，磁强计i，磁强计j和磁强计k的位置表示为

在本实施例中，通过第二公式确定磁强计的位置，从而有效提高导航的定位精度。

优选地，所述根据所述磁信标的位置确定磁信标坐标系的相对姿态角包括：根据所述磁信标的位置确定估计特征矢量；根据所述估计特征矢量确定所述磁信标坐标系的旋转矩阵；根据所述旋转矩阵确定所述磁信标坐标系的所述相对姿态角。

具体地，在本实施例中，根据磁信标的位置确定磁信标坐标系的相对姿态角包括：根据磁信标的位置确定估计特征矢量，根据估计特征矢量确定磁信标坐标系的旋转矩阵，根据旋转矩阵确定磁信标坐标系的相对姿态角。

在本实施例中，根据磁信标的位置确定估计特征矢量，根据估计特征矢量确定磁信标坐标系的旋转矩阵，根据旋转矩阵确定磁信标坐标系的相对姿态角，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磁信标坐标系的相对姿态角包括：根据所述旋转矩阵确定所述磁信标坐标系的相对姿态角λ、ψ和γ，其中，λ为所述磁信标坐标系关于X轴的旋转姿态角，ψ为所述磁信标坐标系关于Y轴的旋转姿态角，ψ为所述磁信标坐标系关于Z轴的旋转姿态角。

具体地，在本实施例中，根据旋转矩阵确定磁信标坐标系的相对姿态角包括：根据旋转矩阵确定磁信标坐标系的相对姿态角λ、ψ和γ，其中，相对姿态角λ为磁信标坐标系关于X轴的旋转姿态角，相对姿态角ψ为磁信标坐标系关于Y轴的旋转姿态角，相对姿态角ψ为磁信标坐标系关于Z轴的旋转姿态角。

在本实施例中，根据旋转矩阵确定磁信标坐标系的相对姿态角λ、ψ和γ，根据相对姿态角λ、ψ和γ能够有效实现实际环境中对磁信标实际磁场中心与坐标系轴线旋转姿态角的高精度估计与标定，从而有效提高导航的定位精度。

以下为本发明基于磁场特征矢量的定位方法的一个仿真验证例。

(1)将待标定的磁信标安装在待标定位置，安装固定完毕后，设定磁信标工作频率，将其设定在正常工作状态使其产生时变低频磁场，磁信标的实际待标定中心位置记为M＝(m_x,m_y,m_z)(M在原点(0m，0m，0m)周围)，坐标系关于X、Y、Z轴的旋转姿态角记为λ、ψ、γ(λ＝88°、ψ＝0°、γ＝88°)。在实际应用环境中先安装磁信标再进行标定过程可较好的消除安装误差对磁信标先验信息准确性的影响。

(2)在待标定磁信标周围布置位置已知、坐标系旋转姿态角的三个高精度磁强计，磁强计的坐标系旋转姿态角一致。三个磁强计的位置记为P_i＝(2.0m,2.0m.0.5m)，P_j＝(-2.0m,2.0m.0.5m)，P_k＝(-2.0m,-2.0m.0.5m)。磁强计的位置应在最优工作区域，即

θ≈30°～60°区域相对标定精度更高，且在实际工作环境中对磁信标标定使标定结果相对于实际应用更可靠，其中，θ，

为相关的特征矢量参数。

(3)计算磁强计处的感应磁场特征矢量，三个磁强计i，j，k处的感应磁场特征矢量为，

三个磁强计的测量感应磁场为：

其中，

(4)估计磁信标的中心位置，磁信标中心位置M与磁强计位置P_i，P_j，P_k，满足如下关系：

(i,j＝1,2,3；i≠j)，其中cosα_ij＝(i_i·i_j)，其中，l_i,j为磁强计i与磁强计j之间的距离为已知量，l_i为磁强计与磁信标之间的距离满足l_i＝||M-P_i||,l_ij＝||P_i-P_j||，则磁信标中心位置M＝(m_x,m_y,m_z)可由下式计算得到：

由于磁信标的中心位置标定过与磁信标的与磁强计坐标系轴线选择姿态角无关，仅与磁信标产生的实际磁场相关，因此基于这种方法的标定结果相对于基于几何中心等近似方式具有更高的精度与可靠性。

(5)根据解算得到的磁信标中心位置M＝(m_x,m_y,m_z)，可计算出估计特征矢量：

而测量特征矢量i与i′满足关于X,Y,Z轴的旋转关系，即

因此可计算得到磁信标坐标系关于X,Y,Z轴旋转λ、ψ、γ后与磁信标坐标系重合的旋转矩阵：

其中，A＝[i_i,i_j,i_k],B＝[i′_i,i′_j,i′_k]。

因此可解得旋转角：

基于本发明的上述实施例，磁强计实验参数及标定结果如下表1所示，磁信标标定前后目标的导航解算结果对比如下表2所示。

表1-磁强计实验参数及标定结果

表2-磁信标标定前后目标的导航解算结果对比

由此可见，基于本发明的磁场特征矢量的定位方法，通过设置磁强计测量磁信标的特征矢量，实现实际环境中对磁信标实际磁场中心与坐标系轴线旋转姿态角的高精度估计与标定，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磁场特征矢量的定位装置，结合图3所示，包括：获取单元，所述获取单元用于获取三个及以上磁强计在磁信标处的特征矢量；处理单元，所述处理单元用于根据所述特征矢量确定所述磁信标的位置，以及根据所述磁信标的位置确定磁信标坐标系的相对姿态角以标定所述磁信标。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磁场特征矢量的定位系统，包括至少三个磁强计以及上述任一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 (7)

1.一种基于磁场特征矢量的定位方法，其特征在于，包括：

获取三个及以上磁强计分别在磁信标处的特征矢量；

根据所述特征矢量确定所述磁信标的位置，

所述根据所述特征矢量确定所述磁信标的位置包括：

根据第一公式确定所述特征矢量与所述磁强计的位置的关系，所述第一公式包括：

cosα_ij＝(i_i·i_j)，

其中，l_i,j表示磁强计i与磁强计j之间的距离，l_i表示磁强计i与磁信标之间的距离，l_j表示磁强计j与磁信标之间的距离，i_i和i_j分别表示磁强计i的特征矢量与磁强计j的特征矢量，

所述根据所述特征矢量确定所述磁信标的位置还包括：

根据第二公式确定所述磁信标的位置，所述第二公式包括：

l_i＝||M-P_i||,l_ij＝||P_i-P_j||，

其中，所述磁信标的位置表示为M＝(m_x,m_y,m_z)，磁强计i，磁强计j和磁强计k的位置分别表示为

根据所述磁信标的位置确定磁信标坐标系的相对姿态角以标定所述磁信标，

所述根据所述磁信标的位置确定磁信标坐标系的相对姿态角包括：

根据所述磁信标的位置确定估计特征矢量，

根据所述估计特征矢量确定所述磁信标坐标系的旋转矩阵，

根据所述旋转矩阵确定所述磁信标坐标系的所述相对姿态角。

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，所述获取三个及以上磁强计分别在磁信标处的特征矢量包括：

获取磁信标模型，其中，所述磁信标在所述磁信标模型中工作于预设频率；

根据所述磁信标的所述预设频率确定磁场矢量；

根据所述磁场矢量确定各所述磁强计在所述磁信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，在设定应用环境中设置所述磁信标；

将所述磁信标的工作频率设置为所述预设频率，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所述磁强计在所述磁信标处的所述特征矢量包括：

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磁强计在所述磁信标处的所述特征矢量。

5.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，所述根据所述旋转矩阵确定所述磁信标坐标系的所述相对姿态角包括：

根据所述旋转矩阵确定所述磁信标坐标系的相对姿态角λ、ψ和γ，其中，λ为所述磁信标坐标系关于X轴的旋转姿态角，ψ为所述磁信标坐标系关于Y轴的旋转姿态角，ψ为所述磁信标坐标系关于Z轴的旋转姿态角。

6.一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三个及以上磁强计在磁信标处的特征矢量；

处理单元，所述处理单元用于根据所述特征矢量确定所述磁信标的位置，所述根据所述特征矢量确定所述磁信标的位置包括：

根据第一公式确定所述特征矢量与所述磁强计的位置的关系，所述第一公式包括：

cosα_ij＝(i_i·i_j)，

其中，l_i,j表示磁强计i与磁强计j之间的距离，l_i表示磁强计i与磁信标之间的距离，l_j表示磁强计j与磁信标之间的距离，i_i和i_j分别表示磁强计i的特征矢量与磁强计j的特征矢量，

所述根据所述特征矢量确定所述磁信标的位置还包括：

根据第二公式确定所述磁信标的位置，所述第二公式包括：

l_i＝||M-P_i||,l_ij＝||P_i-P_j||，

其中，所述磁信标的位置表示为M＝(m_x,m_y,m_z)，磁强计i，磁强计j和磁强计k的位置分别表示为

以及根据所述磁信标的位置确定磁信标坐标系的相对姿态角以标定所述磁信标，所述根据所述磁信标的位置确定磁信标坐标系的相对姿态角包括：

根据所述磁信标的位置确定估计特征矢量，

根据所述估计特征矢量确定所述磁信标坐标系的旋转矩阵，

根据所述旋转矩阵确定所述磁信标坐标系的所述相对姿态角。

7.一种基于磁场特征矢量的定位系统，其特征在于，包括至少三个磁强计以及如权利要求6所述的基于磁场特征矢量的定位装置。

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