CN111879312A - 一种地磁图在线更新方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种地磁图在线更新方法，属于地磁定位技术领域，解决地磁图更新和维护问题；方法包括：在至少部分已生成地磁图数据的定位区域内，获取探测路线L1上对应的新测磁场数据，进行新测磁场数据评估；对满足评估条件的新测磁场数据进行预处理；基于地磁图数据，建立与路线L1对应的基准磁场数据；在预处理后的新测磁场数据中取出路线L1的子路线L2上对应的新测子磁场数据，在基准磁场数据中搜索与新测子磁场数据相对应的基准图子磁场数据；当新测子磁场数据和基准图子磁场数据的相关性不满足相关性阈值时，根据预处理后的新测磁场数据对子路线L2上的地磁图数据进行更新。本发明很好的解决了地磁定位技术在使用过程中地磁图维护的问题。

Description

一种地磁图在线更新方法

技术领域

本发明涉及地磁定位技术领域，尤其是一种地磁图在线更新方法。

背景技术

地磁定位技术是众多定位技术中的一种，它具有不需要铺设任何硬件，成本低；定位精度较高，在独立使用的情况下，平均定位精度可达1～2米；适应性较强、定位稳定连续等优势；特别适用于金属构造、环境复杂的场景，在电力行业、化工行业、煤矿等行业的人员和车辆的位置服务中得到广泛应用。

地磁定位的关键是需要提前获取定位区域内的磁感应强度并建立高精度的地磁图。但是定位区域的磁感应强度会随着现场区域的环境改变而变化，比如现场环境中增添了大型的金属设备；工地、隧道不断往前开挖和掘进；室内进行了布局改造和大面积的装修……当我们不知道磁感应强度什么时候发生了变化，以及变化了多少，仍然用已经存在偏差的地磁图进行匹配参考时，很明显将会引入较大的定位误差。如果定期进行地磁图的测量采集，可以很好的解决这个问题，但是这种方式实时性差、成本高，所以，为了解决地磁定位在应用过程中地磁图实时更新的问题，当定位区域设备和布局发生较大的变化，需要重新测量现场环境的磁场分布，以确保地磁定位的准确性，这给地磁定位技术在应用过程中的维护增加了成本。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供本发明提出了一种地磁图在线更新的方法，解决地磁图更新和维护问题。

本发明公开了一种地磁图在线更新方法，包括以下步骤：

在至少部分已生成地磁图数据的定位区域内，获取探测路线L1上对应的新测磁场数据，进行新测磁场数据评估；

对满足评估条件的新测磁场数据进行预处理；

基于所述地磁图数据，建立与所述路线L1对应的基准磁场数据；

在预处理后的新测磁场数据中取出路线L1的子路线L2上对应的新测子磁场数据，在基准磁场数据中搜索与所述新测子磁场数据相对应的基准图子磁场数据；

当新测子磁场数据和基准图子磁场数据的相关性不满足相关性阈值时，根据预处理后的新测磁场数据对子路线L2上的地磁图数据进行更新。

进一步地，所述新测磁场数据评估包括新测磁场数据平稳程度评估和新测磁场数据质量评估。

进一步地，所述新测磁场数据平稳程度评估包括：在所述路径上的采集设备的航向变化不能超过第一阈值，俯仰和滚转角度变化不超过第二阈值；对于通过人员步行进行采集的方式，人员的步频极差不超过第三阈值；对于通过车辆行进采集的方式，车辆行进方向上的加速度均值不超过第四阈值。

进一步地，所述新测磁场数据质量评估包含：

a)对采集的新测磁场数据进行高通滤波；

b)评估高通滤波后数据的均方根，判断新测磁场数据是否可靠；

c)评估高通滤波后数据的标准差和梯度，判断磁场数据是否存在明显的台阶类变化或者基本没有变化。

进一步地，新测磁场数据评估条件为：

式中θ_max、θ_min为俯仰角的最大值和最小值；γ_max、γ_minθ_min为横滚角的最大值和最小值；ψ_max、ψ_min为航向角的最大值和最小值；SF_max、SF_min采集人员的步频的最大值和最小值；mean(A_t)为车辆行进前进方向的加速度均值；RMS(Hp(B_r))为高通滤波后地磁场感应强度的均方根；|B_rei-B_re(i-1)|为磁场梯度；std(B_re)为磁场标准差。

进一步地，所述预处理包括：

对新测磁场数据进行中值滤波，用于消除电气设备产生的高频干扰；

对中值滤波后的磁场数据进行一阶差分，检测并替换差分数据中的台阶数据；

对替换台阶数据的一阶差分数据进行积分还原，得到预处理后的第一磁场数据。

进一步地，在建立与所述路径对应的基准磁场数据时，如果在地磁图数据中相同位置有磁场数据，则提取所述磁场数据为基准磁场数据；如果地磁图数据中不包括该位置的磁场数据，则用新测的磁场数据作为基准磁场数据。

进一步地，所述在基准磁场数据中搜索与所述新测子磁场数据相对应的基准图子磁场数据包括：

在基准磁场数据B_rf＝{B_rf1,B_rf2,...,B_rfn}中，以与所述新测子磁场数据的位置相同的位置点为中心，设定搜索范围为(-D～+D)，搜索间隔为d；建立长度与所述新测子磁场数据长度相同的

个参考子磁场数据；

对所述新测子磁场数据与每个参考子磁场数据进行相关运算，取运算结果最大值对应的参考子磁场数据，作为新测子磁场数据的基准图子磁场数据。

进一步地，子路线L2上对应的基准图子磁场数据记为：

B_rft＝{B_rft1,B_rft2,...,B_rftm，B_rft(m+1)}；

对应的新测子磁场数据记为B_ret＝{B_ret1,B_ret2,...,B_retm}；

待更新的基准磁场：

对待更新的基准磁场进行调平处理：

在地磁图数据中找到子路线L2前1/2长度和后1/2长度线路的磁场数据，和

一起组成一段新的2倍子路线L2长度的磁场数据序列

对

进行均值滤波

在基准磁场数据B_rf＝{B_rf1,B_rf2,...,B_rfn}中，用

替换相同位置的磁场数据，进行地磁图磁场数据的更新。

进一步地，通过以设定的间隔，使子路线L2遍历路线L1，对每次选取的新测子磁场数据与对应的基准子磁场数据的相关性进行判断，当不满足相关性阈值时，对对应的地磁图磁场数据进行更新，直至将路线L1上所有的地磁图数据更新为最新的地磁数据。

本发明的有益效果如下：

本发明基于在地磁定位时获取的磁场数据，对由于环境变化导致的地磁图变化进行在线实时更新，很好的解决了地磁定位技术在使用过程中地磁图维护的问题。

基于在后续定位时采集下来的磁场数据实现对原有地磁图的实时更新，确保地磁图的准确性，而不用定期专门派人再次采集维护。

对于正在施工的隧道或者不断开采挖掘的煤矿等，已经完成稳定区域的磁场集中测量，获得了已知区域的地磁图，施工面磁场未知，同样基于工人在工作面通过定位获取的磁场数据，对原有的地磁图不断进行增量构图，解决工作面推进情况下，地磁图的不断补充和完善。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例中地磁图在线更新方法流程图；

图2为本发明实施例中磁场数据质量不满足要求示例图；

图3为本发明实施例中磁场数据质量满足要求的示例图；

图4为本发明实施例中磁场发生变化前后的磁场分布图；

图5为本发明实施例中相关值分布图；

图6为本发明实施例中未进行调平处理的待更新的基准磁场分布图；

图7为本发明实施例中更新处理后地磁图分布图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

本实施例中专业术语说明：

定位终端——内含磁传感器、六轴Mems IMU、MCU，用于测量和发送定位所需的磁传感器信息，固定安装在需要定位的人员的腰部或背部，通过wifi、蜂窝网等无线传输技术完成数据上传。

磁传感器——用于感知周围环境的磁场信息。

Mems IMU——Mems惯性器件，由三轴Mems陀螺仪和三轴Mems加速度计组成。

PDR(Pedestrian Dead Reckoning)——利用六轴IMU实现人员定位的一种方法。对行人行走的步数、步长、方向进行测量和统计，推算出行人行走轨迹和位置等信息。

地磁定位——利用环境中不同位置的磁场差异，来确定位置信息。

地磁图——把定位区域的地磁场信息，利用空间坐标的形式进行呈现，其内容包括CGCS2000坐标系下的经度、纬度和磁感应强度。

设地磁图存储的数据内容有(Lat、Lon、B)，Lat和Lon表示cgcs2000坐标系下的纬度和经度；B表示该位置的地磁场感应强度。

本实施例中涉及到的变量定义如下：

两个坐标系：地理坐标系(导航坐标系)OX_tY_tZ_t：北东地坐标系；载体坐标系OX_bY_bZ_b：前右下坐标系。

俯仰角θ：绕OY_t旋转，OX_b轴与水平面的夹角，向上为正，角度范围：[-90°，90°]。

横滚角γ：绕OX_t旋转，X_bOZ_b平面与铅锤面的夹角，顺时针正，角度范围：[-180°，180°]。

航向角ψ：绕OZ_t旋转，OX_b在水平面的投影与地理北极的夹角，向西为正，角度范围：[-180°，180°]。

导航坐标系下加速度：

分别代表OX_t、OY_t、OZ_t三个方向的加速度大小。

地磁场感应强度B_r：地磁场总场强度的大小。

{θ₁,θ₂,...,θ_n}，{γ₁,γ₂,...,γ_n}，{ψ₁,ψ₂,...,ψ_n}，{A_xt1,A_xt2,...,A_xtn}，{A_yt1,A_yt2,...,A_ytn}，{A_zt1,A_zt2,...,A_ztn}，表示这段路线采集的导航坐标系下n个姿态角度数据序列和n个加速度数据序列；{SF₁,SF₂,...,SF_n}表示这段路线中经PDR模块得到的采集人员的步频信息。

本实施例公开了一种地磁图在线更新方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤S1、在至少部分已生成地磁图数据的定位区域内，获取探测路线L1上对应的新测磁场数据，进行新测磁场数据评估；

至少部分已生成地磁图数据的定位区域可以是全部区域已生成地磁图数据的定位区域，也可以是部分区域已生成地磁图数据而少量空白区域没有磁场数据的定位区域，比如正在掘进和开采的隧道或者矿山的工作面。已生成地磁图的区域包括已经完成区域磁场第一轮普测并生成地磁图的定位。在该定位区域内可以利用地磁定位实现较高精度的定位跟踪。例如，对于化工厂、电厂、商业地产内建筑等这类基本稳定的场景，已经完成定位区域的磁场测量并生成地磁图；还包括正在施工的隧道或者不断开采挖掘的煤矿等这类场景的定位区域，已经完成稳定区域的磁场集中采集，获得了已知区域的地磁图，施工面磁场未知。

步骤S2、对满足评估条件的新测磁场数据进行预处理，得到预处理后的新测磁场数据；

步骤S3、基于所述地磁图数据，建立与所述路线L1对应的基准磁场数据；

步骤S4、在预处理后的新测磁场数据中取出路线L1的子路线L2上对应的新测子磁场数据，在基准磁场数据中搜索与所述新测子磁场数据相对应的基准图子磁场数据；

步骤S5、当新测子磁场数据和基准图子磁场数据的相关性不满足相关性阈值时，根据预处理后的新测磁场数据对子路线L2上的地磁图数据进行更新。

具体的，在步骤S1中，当携带或装备定位终端的行人或车辆在一条采集路线L1(长度大于10m)上，采集新测磁场数据后，对新测磁场数据进行评估；所述评估包括数据平稳程度评估和磁场数据质量评估。

具体的，所述数据平稳程度评估包括：在所述路径上的采集设备的航向变化不能超过第一阈值，俯仰和滚转角度变化不超过第二阈值；对于通过人员步行进行采集的方式，人员的步频极差不超过第三阈值；对于通过车辆行进采集的方式，车辆行进方向上的加速度均值不超过第四阈值。

所述第一阈值、第二阈值、第三阈值和第四阈值可根据具体的测试情况进行设置，具体的第一阈值为5°，第二阈值为10°，第三阈值为0.2，第四阈值为0.01m/s2。

具体的，磁场数据质量评估包含：

a)对采集的新测磁场数据进行高通滤波；

b)评估高通滤波后数据的均方根，判断磁场数据是否可靠；

c)评估高通滤波后数据的标准差和梯度，判断磁场数据是否存在明显的台阶类变化或者基本没有变化。

具体的，本实施例中的均方根阈值为200nT，当均方根超过均方根阈值时，磁场数据不可靠；

磁场标准差范围为[200,20000]nT，磁场梯度阈值为1000nT，当磁场标准差超过磁场标准差范围，磁场梯度大于磁场梯度阈值，磁场数据存在明显的台阶类变化或者基本没有变化。

图2和图3分别给出了磁场数据质量不满足要求和满足要求的示例。图2中三处圈出来的磁场数据存在台阶类变化，一处圈出来的磁场数据基本没有变化，这些磁场数据测量质量不能满足要求。通过判断磁场数据的梯度、磁场标准差进行判断和筛选不满足条件，不能进行更新。

综合上面的质量评估内容，可得到具体的评估条件为：

式中θ_max、θ_min为俯仰角的最大值和最小值；γ_max、γ_minθ_min为横滚角的最大值和最小值；ψ_max、ψ_min为航向角的最大值和最小值；SF_max、SF_min采集人员的步频的最大值和最小值；mean(A_t)为车辆行进前进方向的加速度均值；RMS(Hp(B_r))为高通滤波后地磁场感应强度的均方根；|B_rei-B_re(i-1)|为磁场梯度；std(B_re)为磁场标准差。

具体的，步骤S2中对满足评估条件的新测磁场数据进行预处理包括：

1)对新测磁场数据进行中值滤波，用于消除电气设备产生的高频干扰；

中值滤波窗口一般设置为1～2s的采样点数，经过中值滤波，能够有效消除电气设备产生的高频干扰，保留电气设备开关产生的台阶信号以及环境特征信号。

2)对中值滤波后的磁场数据进行一阶差分，检测并替换差分数据中的台阶数据；

对滤波后的数据进行一阶差分，凸显台阶信号，通过设置相关的阈值进行检测，当高于该阈值时，可认为是台阶信号；对检测得到台阶信号的值用1s内测量数据一阶差分的均值代替；

在本实施例中，阈值设置为最近1s内测量数据一阶差分的均值+3倍标准差。

3)对替换台阶数据的一阶差分数据进行积分还原，得到预处理后的第一磁场数据B_re＝{B_re1,B_re2,...,B_ren}。

具体的，在步骤S3中建立路线L1对应的基准磁场数据时，如果在地磁图数据中相同位置有磁场数据，则提取所述磁场数据为基准磁场数据；如果地磁图数据中不包括该位置的磁场数据，则用新测的磁场数据作为基准磁场数据，得到这段序列磁场的基准磁场数据B_rf＝{B_rf1,B_rf2,...,B_rfn}。

具体的，在步骤S4中，在第一磁场数据B_re＝{B_re1,B_re2,...,B_ren}中取出路线L1的子路线L2(5～8m)对应的新测子磁场数据；

在基准磁场数据中搜索与所述新测子磁场数据相对应的基准图子磁场数据包括：

在基准磁场数据B_rf＝{B_rf1,B_rf2,...,B_rfn}中，以与所述新测子磁场数据的位置相同的位置点为中心，设定搜索范围为(-D～+D)，搜索间隔为d；建立长度与所述新测子磁场数据长度相同的

个参考子磁场数据，也称；

具体的，D＝1～2m；d＝0.2～0.5m。

对所述新测子磁场数据与每个参考子磁场数据进行相关运算，取运算结果最大值对应的参考子磁场数据，作为新测子磁场数据的基准图子磁场数据。

具体的，在步骤S5中，所述相关性阈值为0.7，当新测子磁场数据和基准图子磁场数据的相关性小于0.7时，则认为需要对基准图子磁场数据进行更新。

具体的更新方法包括：

在子路线L2上对应的基准图子磁场数据记为：

B_rft＝{B_rft1,B_rft2,...,B_rftm，B_rft(m+1)}；

对应的新测子磁场数据记为B_ret＝{B_ret1,B_ret2,...,B_retm}；

待更新的基准磁场：

对待更新的基准磁场进行调平处理：

在地磁图数据中找到子路线L2前1/2长度和后1/2长度线路的磁场数据，和

一起组成一段新的2倍子路线L2长度的磁场数据序列

对

进行均值滤波

在基准磁场数据B_rf＝{B_rf1,B_rf2,...,B_rfn}中，用

替换相同位置的磁场数据，进行地磁图磁场数据的更新。

通过以设定的间隔(0.2～0.5m)，使子路线L2遍历路线L1，对每次选取的新测子磁场数据与对应的基准子磁场数据的相关性进行判断，当不满足相关性阈值时，对对应的地磁图磁场数据进行更新，直至将路线L1上所有的地磁图数据更新为最新的地磁数据。

图4～图7给出了一个更新的示例。图4是同一条道路不同时间测量的磁场数据。由于环境的变化，磁场发生了改变。如图中圈出两处的磁场。

图5是基准图子磁场数据与新测子磁场数据的相关值，可见在与图4相同的位置相关值低，表示需要更新磁场数据；

图6中可见，在未进行调平处理，待更新的基准磁场数据中存在跳变；

图7是更新以后的道路磁场，与现在的实际磁场特征分布一致，较好的完成了磁场数据的更新。

综上所述，本实施例基于在地磁定位时采集的磁场数据，对由于环境变化导致的地磁图变化进行在线实时更新，很好的解决了地磁定位技术在使用过程中地磁图维护的问题。

基于在后续定位时采集下来的磁场数据实现对原有地磁图的实时更新，确保地磁图的准确性，而不用定期专门派人再次采集维护。

对于正在施工的隧道或者不断开采挖掘的煤矿等，已经完成稳定区域的磁场集中测量，获得了已知区域的地磁图，施工面磁场未知，同样基于工人在工作面通过定位获取的磁场数据，对原有的地磁图不断进行增量构图，解决工作面推进情况下，地磁图的不断补充和完善。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种地磁图在线更新方法，其特征在于，包括以下步骤：

在至少部分已生成地磁图数据的定位区域内，获取探测路线L1上对应的新测磁场数据，进行新测磁场数据评估；

对满足评估条件的新测磁场数据进行预处理；

基于所述地磁图数据，建立与所述路线L1对应的基准磁场数据；

在预处理后的新测磁场数据中取出路线L1的子路线L2上对应的新测子磁场数据，在基准磁场数据中搜索与所述新测子磁场数据相对应的基准图子磁场数据；

当新测子磁场数据和基准图子磁场数据的相关性不满足相关性阈值时，根据预处理后的新测磁场数据对子路线L2上的地磁图数据进行更新。

2.根据权利要求1所述的地磁图在线更新方法，其特征在于，所述新测磁场数据评估包括新测磁场数据平稳程度评估和新测磁场数据质量评估。

3.根据权利要求2所述的地磁图在线更新方法，其特征在于，所述新测磁场数据平稳程度评估包括：在所述路径上的采集设备的航向变化不能超过第一阈值，俯仰和滚转角度变化不超过第二阈值；对于通过人员步行进行采集的方式，人员的步频极差不超过第三阈值；对于通过车辆行进采集的方式，车辆行进方向上的加速度均值不超过第四阈值。

4.根据权利要求2所述的地磁图在线更新方法，其特征在于，所述新测磁场数据质量评估包含：

a)对采集的新测磁场数据进行高通滤波；

b)评估高通滤波后数据的均方根，判断新测磁场数据是否可靠；

c)评估高通滤波后数据的标准差和梯度，判断磁场数据是否存在明显的台阶类变化或者基本没有变化。

5.根据权利要求2所述的地磁图在线更新方法，其特征在于，新测磁场数据评估条件为：

式中θ_max、θ_min为俯仰角的最大值和最小值；γ_max、γ_minθ_min为横滚角的最大值和最小值；ψ_max、ψ_min为航向角的最大值和最小值；SF_max、SF_min采集人员的步频的最大值和最小值；mean(A_t)为车辆行进前进方向的加速度均值；RMS(Hp(B_r))为高通滤波后地磁场感应强度的均方根；|B_rei-B_re(i-1)|为磁场梯度；std(B_re)为磁场标准差。

6.根据权利要求1所述的地磁图在线更新方法，其特征在于，所述预处理包括：

对新测磁场数据进行中值滤波，用于消除电气设备产生的高频干扰；

对中值滤波后的磁场数据进行一阶差分，检测并替换差分数据中的台阶数据；

对替换台阶数据的一阶差分数据进行积分还原，得到预处理后的第一磁场数据。

7.根据权利要求1所述的地磁图在线更新方法，其特征在于，在建立与所述路径对应的基准磁场数据时，如果在地磁图数据中相同位置有磁场数据，则提取所述磁场数据为基准磁场数据；如果地磁图数据中不包括该位置的磁场数据，则用新测的磁场数据作为基准磁场数据。

8.根据权利要求1所述的地磁图在线更新方法，其特征在于，所述在基准磁场数据中搜索与所述新测子磁场数据相对应的基准图子磁场数据包括：

在基准磁场数据B_rf＝{B_rf1,B_rf2,...,B_rfn}中，以与所述新测子磁场数据的位置相同的位置点为中心，设定搜索范围为(-D～+D)，搜索间隔为d；建立长度与所述新测子磁场数据长度相同的

个参考子磁场数据；

对所述新测子磁场数据与每个参考子磁场数据进行相关运算，取运算结果最大值对应的参考子磁场数据，作为新测子磁场数据的基准图子磁场数据。

9.根据权利要求1所述的地磁图在线更新方法，其特征在于，

子路线L2上对应的基准图子磁场数据记为：

B_rft＝{B_rft1,B_rft2,...,B_rftm，B_rft(m+1)}；

对应的新测子磁场数据记为B_ret＝{B_ret1,B_ret2,...,B_retm}；

待更新的基准磁场：

对待更新的基准磁场进行调平处理：

在地磁图数据中找到子路线L2前1/2长度和后1/2长度线路的磁场数据，和

一起组成一段新的2倍子路线L2长度的磁场数据序列

对

进行均值滤波

在基准磁场数据B_rf＝{B_rf1,B_rf2,...,B_rfn}中，用

替换相同位置的磁场数据，进行地磁图磁场数据的更新。

10.根据权利要求1所述的地磁图在线更新方法，其特征在于，

通过以设定的间隔，使子路线L2遍历路线L1，对每次选取的新测子磁场数据与对应的基准子磁场数据的相关性进行判断，当不满足相关性阈值时，对对应的地磁图磁场数据进行更新，直至将路线L1上所有的地磁图数据更新为最新的地磁数据。

Images