CN112415613A - 多机集群磁目标定位方法及使用其的空中集群异构平台 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种多机集群磁目标定位方法及使用其的空中集群异构平台，该方法包括：构建空中集群异构平台，空中集群异构平台包括至少三个无人机，任一无人机均搭载磁强计作为磁场测量单元；空中集群异构平台中的各个无人机均以磁探测幅宽为间距，各个无人机平行飞行以对目标进行探测；当空中集群异构平台中的任一无人机搜索到磁目标信号后，各个无人机改变航线并按照改变后的航线继续飞行探测以获取信号数据；根据各个无人机的信号数据以及各个无人机之间的相对位置建立磁定位求解模型，基于磁定位求解模型对目标进行优化以对磁异常目标进行定位。应用本发明的技术方案，以解决现有技术中磁目标识别方法存在定位效率低、定位精度差的技术问题。

Description

多机集群磁目标定位方法及使用其的空中集群异构平台
技术领域
本发明涉及资源勘探、水下目标探测技术领域，尤其涉及一种多机集群磁目标定位方法及使用其的空中集群异构平台。
背景技术
地磁场一般随时间、空间发生有规律的缓慢变化，当有磁性物质存在时，该物质本身所具有的磁场、在地磁场下感应的磁场均会叠加于地磁场上，使地磁场在一定区域内出现异常。地球陆地及海洋中蕴藏有大量金属矿产，水下军事装备如潜艇、水雷等主要由金属材料构成，其中的磁性物质均会导致周围地磁场出现异常。因此，通过检测与识别地磁场异常信息，实现磁性物质的探测与识别，在资源勘探、水下目标探测等领域应用广泛，是国民经济发展与国防建设亟需提升的关键核心技术。
目前，磁探测系统进行水下磁目标的探测、识别与定位，一般均采用有人机或无人机作为载体，进行飞行探测。由于磁目标信号的空间分布呈现峰谷变换特征，当采用一架有人机或无人机进行探测时，往往需要在磁目标上方区域往复多次飞行，直至飞越磁目标顶部，才可实现对磁异常信号的探测、识别与定位。利用该方法进行探测，存在探测时间长、探测效率低、运动目标易丢失等缺陷；同时，由于缺乏不同高度处的磁信号，导致在目标磁矩及位置均未知的情况下，目标高度信息定位误差大。因此，传统磁探测系统磁目标识别方法存在定位效率低、定位精度差等缺陷，限制了其在国民经济发展与国防建设领域的相关应用。
发明内容
本发明提供了一种多机集群磁目标定位方法及使用其的空中集群异构平台，能够解决现有技术中磁探测系统磁目标识别方法存在定位效率低、定位精度差的技术问题。
根据本发明的一方面，提供了一种多机集群磁目标定位方法，多机集群磁目标定位方法包括：构建空中集群异构平台，空中集群异构平台包括至少三个无人机，任一无人机均搭载磁强计作为磁场测量单元；空中集群异构平台中的各个无人机均以磁探测幅宽为间距，各个无人机平行飞行以对目标进行探测；当空中集群异构平台中的任一无人机搜索到磁目标信号后，各个无人机改变航线并按照改变后的航线继续飞行探测以获取信号数据；根据各个无人机的信号数据以及各个无人机之间的相对位置建立磁定位求解模型，基于磁定位求解模型对目标进行优化以对磁异常目标进行定位。
进一步地，空中集群异构平台包括三个无人机，当空中集群异构平台中的任一无人机搜索到磁目标信号后，各个无人机改变航线具体包括：当位于中间的无人机探测到磁异常信号时，三个无人机沿第一航线轨迹改变航线；当位于边侧的无人机探测到磁异常信号时，三个无人机沿第二航线轨迹改变航线。
进一步地，三个无人机沿第一航线轨迹改变航线具体包括：位于中间的第一无人机探测到磁异常信号且磁异常信号最大点位置为O点，第一无人机进行270°转弯，转弯后的第一无人机的路径再次经过O点；位于第一边侧的第二无人机进行180°转弯并向第一无人机的航线靠近，位于第二边侧的第三无人机进行180°转弯并向第一无人机的航线靠近。
进一步地，三个无人机沿第二航线轨迹改变航线具体包括：位于第一边侧的第二无人机探测到磁异常信号且磁异常信号最大点位置为P点，位于第二边侧的第三无人机进行270°转弯，转弯后的第三无人机的路径再次经过P点；位于第一边侧的第二无人机进行180°转弯，位于中间的第一无人机进行180°转弯。
进一步地，基于磁定位求解模型对目标进行优化以对磁异常目标进行定位具体包括：根据磁定位求解模型以及三个无人机的实际磁场探测值建立目标优化模型，根据目标优化模型对目标进行优化以对磁异常目标进行定位。
进一步地，磁定位求解模型可根据
Figure BDA0002784349880000031
来获取，其中，μ0为空气磁导率，
Figure BDA0002784349880000032
为磁异常目标磁矩，
Figure BDA0002784349880000033
为磁异常目标相对第一无人机的矢量距离，
Figure BDA0002784349880000034
为第二无人机相对第一无人机的矢量距离，
Figure BDA0002784349880000035
为第三无人机相对第一无人机的矢量距离，B1(ti)为第一无人机航线上磁场的理论计算值，B2(ti)为第二无人机航线上磁场的理论计算值，B3(ti)为第三无人机航线上磁场的理论计算值。
进一步地，目标优化模型为minf＝[(Bc1(ti)-B1(ti))2+(Bc2(ti)-B2(ti))2+(Bc3(ti)-B3(ti))2]，其中，Bc1(ti)为第一无人机的实际磁场探测值，Bc2(ti)为第二无人机的实际磁场探测值，Bc3(ti)为第三无人机的实际磁场探测值。
进一步地，任一无人机的磁探测幅宽W可根据
Figure BDA0002784349880000036
来获取，其中，L为任一无人机的探测距离，h为任一无人机的飞行高度。
根据本发明的又一方面，提供了一种空中集群异构平台，空中集群异构平台使用如上所述的多机集群磁目标定位方法进行磁异常目标的定位。
应用本发明的技术方案，提供了一种多机集群磁目标定位方法，该方法基于多个无人机构建空中集群异构平台，各个无人机均搭载磁强计作为磁场测量单元，在无人机飞行搜寻磁目标过程中，空中集群异构平台内的无人机以磁探测幅宽为间距，各个无人机平行飞行探测，当任一无人机搜索到磁目标信号后，各个无人机改变航向，并缩小间距，由磁目标上方飞过，实现对目标的精确定位。本发明所提供的多机集群磁目标定位方法与现有技术相比，其由传统的单一有人机或无人机探测方式，改进为无人机集群组网探测方式，该方法无需使飞机平台往复多次飞行，可实现一次飞行定位，因此探测效率高；同时，该方法可利用多个无人机构建不同队形，可获取磁目标在水平、垂直不同梯度方向的此信号信息，因此定位精度高。
附图说明
所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了根据本发明的具体实施例提供的空中集群异构平台组网探测的示意图；
图2示出了根据本发明的具体实施例提供的三个无人机沿第一航线轨迹改变航线的示意图；
图3示出了根据本发明的具体实施例提供的三个无人机沿第二航线轨迹改变航线的示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
如图1所示，根据本发明的具体实施例提供了一种多机集群磁目标定位方法，该多机集群磁目标定位方法包括：构建空中集群异构平台，空中集群异构平台包括至少三个无人机，任一无人机均搭载磁强计作为磁场测量单元；空中集群异构平台中的各个无人机均以磁探测幅宽为间距，各个无人机平行飞行以对目标进行探测；当空中集群异构平台中的任一无人机搜索到磁目标信号后，各个无人机改变航线并按照改变后的航线继续飞行探测以获取信号数据；根据各个无人机的信号数据以及各个无人机之间的相对位置建立磁定位求解模型，基于磁定位求解模型对目标进行优化以对磁异常目标进行定位。
应用此种配置方式，提供了一种多机集群磁目标定位方法，该方法基于多个无人机构建空中集群异构平台，各个无人机均搭载磁强计作为磁场测量单元，在无人机飞行搜寻磁目标过程中，空中集群异构平台内的无人机以磁探测幅宽为间距，各个无人机平行飞行探测，当任一无人机搜索到磁目标信号后，各个无人机改变航向，并缩小间距，由磁目标上方飞过，实现对目标的精确定位。本发明所提供的多机集群磁目标定位方法与现有技术相比，其由传统的单一有人机或无人机探测方式，改进为无人机集群组网探测方式，该方法无需使飞机平台往复多次飞行，可实现一次飞行定位，因此探测效率高；同时，该方法可利用多个无人机构建不同队形，可获取磁目标在水平、垂直不同梯度方向的此信号信息，因此定位精度高。因此，本发明所提供的磁目标定位方法极大地提高定位效率以及定位精度，实现了磁异常信号的高效识别与高精度定位。
其中，在本发明中，空中集群异构平台的数量为三个或三个以上无人机，且以三个无人机作为最小集群单元。为了进一步地提高探测效率，也可选用四个、五个甚至更多个无人机同时进行目标的定位。下面以由三个无人机构成的空中集群异构平台为例说明磁目标定位的具体流程。
步骤一，构建空中集群异构平台，空中集群异构平台包括三个无人机，任一无人机均搭载磁强计作为磁场测量单元，以实现磁异常信号的高效识别与高精度定位。
步骤二，在无人机飞行搜寻磁目标过程中，空中集群异构平台中的各个无人机均以磁探测幅宽为间距，各个无人机平行飞行以对目标进行探测。任一无人机的磁探测幅宽W可根据
Figure BDA0002784349880000071
来获取，其中，L为任一无人机的探测距离，h为任一无人机的飞行高度。三个无人机以磁探测幅宽W为间距进行平行飞行探测，搜索磁异常信号，当探测到的磁场信号出现，且信噪比不小于1.2时则判断为出现磁异常信号，无人机需要改变航线以进行磁目标的定位。
步骤三，当空中集群异构平台中的任一无人机搜索到磁目标信号后，各个无人机改变航线并按照改变后的航线继续飞行探测以获取信号数据。具体地，空中集群异构平台包括三个无人机，当位于中间的无人机探测到磁异常信号时，三个无人机沿第一航线轨迹改变航线；当位于边侧的无人机探测到磁异常信号时，三个无人机沿第二航线轨迹改变航线。
具体地，在本发明中，若探测到磁异常信号的为中间的无人机，三个无人机沿第一航线轨迹改变航线具体包括：位于中间的第一无人机探测到磁异常信号且磁异常信号最大点位置为O点，第一无人机进行270°转弯，转弯后的第一无人机的路径再次经过O点；位于第一边侧的第二无人机进行180°转弯并向第一无人机的航线靠近，位于第二边侧的第三无人机进行180°转弯并向第一无人机的航线靠近。转弯后任意两个相邻的无人机之间的间距均缩小为1/2W，具体如图2所示。三个无人机按照第一航线轨迹继续飞行探测以获取磁信号数据。
若探测到磁异常信号的为边侧的无人机，三个无人机沿第二航线轨迹改变航线具体包括：位于第一边侧的第二无人机探测到磁异常信号且磁异常信号最大点位置为P点，位于第二边侧的第三无人机进行270°转弯，转弯后的第三无人机的路径再次经过P点；位于第一边侧的第二无人机进行180°转弯，位于中间的第一无人机进行180°转弯。转弯后的航线以探测到磁异常信号的第二无人机的原始航线为对称线，转弯后的第二无人机与第一无人机之间的间距缩小为1/2W。三个无人机按照第二航线轨迹继续飞行探测以获取磁信号数据。
在本发明中，当空中集群异构平台的数量为四个或四个以上时，各个无人机均以磁探测幅宽为间距，各个无人机平行飞行以对目标进行探测，当其中一个无人机探测到磁异常信号时，且该无人机位置不在边侧，则该无人机与其相邻的两个无人机所构成的三个无人机的航迹改变与上述三个无人机沿第一航迹轨迹改变的方式相同，改变航迹后的三个无人机共同工作并完成目标的定位，剩余的无人机结束探测工作。当其中一个无人机探测到磁异常信号时，且该无人机位置处于边侧，则该无人机与其临侧的两个无人机所构成的三个无人机的航迹改变与上述三个无人机沿第二航迹轨迹改变的方式相同，改变航迹后的三个无人机共同工作并完成目标的定位，剩余的无人机结束探测工作。
步骤四，根据各个无人机的信号数据以及各个无人机之间的相对位置建立磁定位求解模型，基于磁定位求解模型对目标进行优化以对磁异常目标进行定位。
具体地，在本发明中，基于磁定位求解模型对目标进行优化以对磁异常目标进行定位具体包括：根据磁定位求解模型以及三个无人机的实际磁场探测值建立目标优化模型，根据目标优化模型对目标进行优化以对磁异常目标进行定位。磁定位求解模型可根据
Figure BDA0002784349880000091
来获取，其中，μ0为空气磁导率，μ0＝4π×10-7，
Figure BDA0002784349880000092
为磁异常目标磁矩，
Figure BDA0002784349880000093
为磁异常目标相对第一无人机的矢量距离，
Figure BDA0002784349880000094
为第二无人机相对第一无人机的矢量距离，
Figure BDA0002784349880000095
为第三无人机相对第一无人机的矢量距离，B1(ti)为第一无人机航线上磁场的理论计算值，B2(ti)为第二无人机航线上磁场的理论计算值，B3(ti)为第三无人机航线上磁场的理论计算值。
假设三个无人机的实际探测值为Bc1(ti),Bc2(ti),Bc3(ti)，则可建立目标优化模型，目标优化模型为minf＝[(Bc1(ti)-B1(ti))2+(Bc2(ti)-B2(ti))2+(Bc3(ti)-B3(ti))2]，其中，Bc1(ti)为第一无人机的实际磁场探测值，Bc2(ti)为第二无人机的实际磁场探测值，Bc3(ti)为第三无人机的实际磁场探测值。
根据所建立的目标优化模型进行优化计算以得到最优变量，则可获得磁异常目标磁矩
Figure BDA0002784349880000096
和位置
Figure BDA0002784349880000097
根据本发明的另一方面，提供了一种空中集群异构平台，该空中集群异构平台使用如上所述的多机集群磁目标定位方法进行磁异常目标的定位。由于本发明的多机集群磁目标定位方法无需使飞行平台往复多次飞行，可实现一次飞行定位，因此探测效率高；同时，该方法利用多架无人机构建不同队形，可获取磁目标在水平、垂直不同梯度方向的磁信号信息，因此定位精度高，由此，空中集群异构平台使用如上所述的多机集群磁目标定位方法进行磁异常目标的定位，能够极大地提高目标的定位效率及定位精度。
为了对本发明有进一步地了解，下面结合图1和图2对本发明所提供的多机集群磁目标定位方法进行详细说明。
如图1和图2所示，根据本发明的具体实施例提供了一种多机集群磁目标定位方法，该多机集群磁目标定位方法具体包括如下步骤。
步骤一，构建空中集群异构平台，空中集群异构平台包括三个无人机，任一无人机均搭载磁强计作为磁场测量单元，以实现磁异常信号的高效识别与高精度定位。
步骤二，在无人机飞行搜寻磁目标过程中，空中集群异构平台中的各个无人机均以磁探测幅宽为间距，各个无人机平行飞行以对目标进行探测。任一无人机的磁探测幅宽W可根据
Figure BDA0002784349880000101
来获取，其中，L为任一无人机的探测距离，h为任一无人机的飞行高度。三个无人机以磁探测幅宽W为间距进行平行飞行探测，搜索磁异常信号，当探测到的磁场信号出现，且信噪比不小于1.2时则判断为出现磁异常信号，无人机需要改变航线以进行磁目标的定位。
步骤三，当空中集群异构平台中的位于中间的无人机搜索到磁目标信号且磁异常信号最大点位置为O点，第一无人机进行270°转弯，转弯后的第一无人机的路径再次经过O点；位于第一边侧的第二无人机进行180°转弯并向第一无人机的航线靠近，位于第二边侧的第三无人机进行180°转弯并向第一无人机的航线靠近。转弯后任意两个相邻的无人机之间的间距均缩小为1/2W，三个无人机按照第一航线轨迹继续飞行探测以获取磁信号数据。
步骤四，根据磁定位求解模型以及三个无人机的实际磁场探测值建立目标优化模型，根据目标优化模型对目标进行优化以对磁异常目标进行定位。磁定位求解模型可根据
Figure BDA0002784349880000111
来获取，目标优化模型为minf＝[(Bc1(ti)-B1(ti))2+(Bc2(ti)-B2(ti))2+(Bc3(ti)-B3(ti))2]。根据所建立的目标优化模型进行优化计算以得到最优变量，则可获得磁异常目标磁矩
Figure BDA0002784349880000112
和位置
Figure BDA0002784349880000113
由此实现目标的定位。
综上所述，本发明提供了一种多机集群磁目标定位方法，该方法基于多个无人机构建空中集群异构平台，搭载磁强计作为磁场测量单元，以实现磁异常信号的高效识别与高精度定位，与现有磁探测系统采用单一大型有人机进行磁目标定位相比，该方法无需使飞行平台往复多次飞行，可实现一次飞行定位，因此探测效率高；同时，该方法利用多个无人机构建不同队形，可获取磁目标在水平、垂直不同梯度方向的磁信号信息，因此定位精度高，可服务于军事、民用等各领域对磁目标的探测。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种多机集群磁目标定位方法，其特征在于，所述多机集群磁目标定位方法包括：
构建空中集群异构平台，所述空中集群异构平台包括至少三个无人机，任一所述无人机均搭载磁强计作为磁场测量单元；
所述空中集群异构平台中的各个所述无人机均以磁探测幅宽为间距，各个所述无人机平行飞行以对目标进行探测；
当所述空中集群异构平台中的任一所述无人机搜索到磁目标信号后，各个所述无人机改变航线并按照改变后的航线继续飞行探测以获取信号数据；
根据各个所述无人机的信号数据以及各个所述无人机之间的相对位置建立磁定位求解模型，基于所述磁定位求解模型对目标进行优化以对磁异常目标进行定位。
2.根据权利要求1所述的多机集群磁目标定位方法，其特征在于，所述空中集群异构平台包括三个无人机，当所述空中集群异构平台中的任一所述无人机搜索到磁目标信号后，各个所述无人机改变航线具体包括：当位于中间的无人机探测到磁异常信号时，三个所述无人机沿第一航线轨迹改变航线；当位于边侧的无人机探测到磁异常信号时，三个所述无人机沿第二航线轨迹改变航线。
3.根据权利要求2所述的多机集群磁目标定位方法，其特征在于，三个所述无人机沿第一航线轨迹改变航线具体包括：位于中间的第一无人机探测到磁异常信号且磁异常信号最大点位置为O点，所述第一无人机进行270°转弯，转弯后的所述第一无人机的路径再次经过O点；位于第一边侧的第二无人机进行180°转弯并向所述第一无人机的航线靠近，位于第二边侧的第三无人机进行180°转弯并向所述第一无人机的航线靠近。
4.根据权利要求2所述的多机集群磁目标定位方法，其特征在于，三个所述无人机沿第二航线轨迹改变航线具体包括：位于第一边侧的第二无人机探测到磁异常信号且磁异常信号最大点位置为P点，位于第二边侧的第三无人机进行270°转弯，转弯后的所述第三无人机的路径再次经过P点；位于第一边侧的第二无人机进行180°转弯，位于中间的第一无人机进行180°转弯。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的多机集群磁目标定位方法，其特征在于，基于所述磁定位求解模型对目标进行优化以对磁异常目标进行定位具体包括：根据所述磁定位求解模型以及三个所述无人机的实际磁场探测值建立目标优化模型，根据所述目标优化模型对目标进行优化以对磁异常目标进行定位。
6.根据权利要求5所述的多机集群磁目标定位方法，其特征在于，所述磁定位求解模型可根据
Figure FDA0002784349870000021
来获取，其中，μ0为空气磁导率，
Figure FDA0002784349870000022
为磁异常目标磁矩，
Figure FDA0002784349870000023
为磁异常目标相对第一无人机的矢量距离，
Figure FDA0002784349870000024
为第二无人机相对第一无人机的矢量距离，
Figure FDA0002784349870000025
为第三无人机相对第一无人机的矢量距离，B1(ti)为第一无人机航线上磁场的理论计算值，B2(ti)为第二无人机航线上磁场的理论计算值，B3(ti)为第三无人机航线上磁场的理论计算值。
7.根据权利要求6所述的多机集群磁目标定位方法，其特征在于，所述目标优化模型为minf＝[(Bc1(ti)-B1(ti))2+(Bc2(ti)-B2(ti))2+(Bc3(ti)-B3(ti))2]，其中，Bc1(ti)为第一无人机的实际磁场探测值，Bc2(ti)为第二无人机的实际磁场探测值，Bc3(ti)为第三无人机的实际磁场探测值。
8.根据权利要求7所述的多机集群磁目标定位方法，其特征在于，任一所述无人机的磁探测幅宽W可根据
Figure FDA0002784349870000031
来获取，其中，L为任一无人机的探测距离，h为任一无人机的飞行高度。
9.一种空中集群异构平台，其特征在于，所述空中集群异构平台使用权利要求1至8中任一项所述的多机集群磁目标定位方法进行磁异常目标的定位。
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