CN114415075A - 一种基于磁场梯度优化的磁传感器位置校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于磁场梯度优化的磁传感器位置校正方法，包括在消磁码头安装直流线圈磁源，磁源在消磁码头平面内相对于待校正磁传感器理想位置以0.6m的步长沿x或y方向移动，计算以待校正磁传感器理想位置为中心0.6m*0.6m*0.6m位置偏差区域的磁场垂向分量，计算每次磁源位置改变时，位置偏差区域磁场垂向分量在x、y和z方向的平均梯度及磁源位置坐标，确定x、y和z方向的平均梯度最大的多个区域中与测得的磁场垂向分量误差最小的计算得到的磁场垂向分量，确定实际位置到理想位置距离的偏差矢量，从而根据偏差矢量Δr校正磁传感器的位置，由于通过移动磁源，使待校正的磁传感器位于磁源磁场梯度值大的位置，进一步提升磁传感器位置校正的精度。

Description

一种基于磁场梯度优化的磁传感器位置校正方法

技术领域

本发明涉及磁传感器定位技术领域，特别涉及一种基于磁场梯度优化的磁传感器位置校正方法。

背景技术

消磁是保证舰艇安全及战斗力的必要措施，准确测量舰艇磁场是实施消磁的重要前提。目前一般通过消磁站海底敷设的磁传感器来测量得到舰艇磁场。在消磁站磁传感器安装过程中，一般通过浮标来标定磁传感器位置，但是由于海洋环境影响与水下安装工程的复杂性，水下磁传感器安装位置与理想位置会存在一定的偏差，从而影响了舰艇磁场的测量精度。因此必须对消磁站水下磁传感器的位置进行校正，以提高舰艇磁场的测量精度。

最常见的是通过声波和光进行定位，但是消磁站内半封闭式的环境和水质的浑浊，给定位的实施带来了困难。有学者曾提出：(1)根据三轴磁力计和已知磁偶极子的船只定位用于构建水下传感器网络；(2)在某些磁传感器上加装辅助螺线管线圈对动态检测站的磁传感器进行定位；(3)研究了采用海面通电线圈作为磁偶极子源，使用深度传感器，将三维问题简化为二维问题再求解位置矢量；(4)利用磁偶极子完备性得到的位置矢量解析表达式对动态检测站临时布防的磁传感器进行快速定位；(5)基于模值的标量定位方式解决背景地磁异常对磁传感器的影响；(6)基于振荡磁场的水下定位方法，这些方法为消磁站水下磁传感器定位提供了一定参考意义，但难以满足消磁站水下磁传感器厘米级定位要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种能够进一步提升磁传感器位置校正的精度的基于磁场梯度优化的磁传感器位置校正方法。

为了实现上述的目的，本发明采用了如下的技术方案：

在一个总体方面，提供一种基于磁场梯度优化的磁传感器位置校正方法，包括以下步骤：

在消磁码头安装磁源；

磁源在消磁码头平面内相对于待校正磁传感器理想位置以0.6m的步长沿x或y方向移动；

计算以待校正磁传感器理想位置为中心0.6m*0.6m*0.6m位置偏差区域的磁场垂向分量

式中，μ₀表示真空磁导率，m表示磁偶极矩，r(x，y，z)表示位置偏差区域理想位置相对于磁源的位置矢量，Δr^d(Δx^d，Δy^d，Δz^d)表示位置偏差区域测量点相对于理想位置的位置矢量；

计算每次磁源位置改变时，位置偏差区域磁场垂向分量在x、y和z方向的平均梯度及磁源位置坐标；确定x方向的平均梯度最大的多个区域中与测得的磁场垂向分量误差最小的计算得到的磁场垂向分量；确定y方向的平均梯度最大的多个区域中与测得的磁场垂向分量误差最小的计算得到的磁场垂向分量；确定z方向的平均梯度最大的多个区域中与测得的磁场垂向分量误差最小的计算得到的磁场垂向分量；

确定实际位置到理想位置距离的偏差矢量Δr(Δx，Δy，Δz)，从而根据偏差矢量Δr校正磁传感器的位置。

进一步，确定x方向的平均梯度最大的多个区域中与测得的磁场垂向分量误差最小的计算得到的磁场垂向分量具体包括：

确定位置偏差区域x方向平均梯度最大的s个区域时，磁源的坐标C_x＝[C₁C₂…C_i…C_s]；

将所述磁源由C₁位置依次移动至C_s位置，待校正磁传感器测得到一组磁场垂向分量

表示磁源位置在C_i时测得的磁场垂向分量，同时通过B_Z＝f(r+Δr_x)计算到在待求偏差矢量Δr_x下待校正磁传感器的磁场垂向分量

表示磁源位置在C_i时计算的磁场垂向分量；

计算测得的磁场垂向分量B_zm与计算得到的磁场垂向分量B_zc的误差，通过算法优化得到与测得的磁场垂向分量B_zm误差最小的计算得到的磁场垂向分量B_zc。

进一步，确定y方向的平均梯度最大的多个区域中与测得的磁场垂向分量误差最小的计算得到的磁场垂向分量具体包括：

确定位置偏差区域y方向平均梯度最大的d个区域时，磁源的坐标G_y＝[G₁G₂…G_i…G_d]；

将所述磁源由G₁位置依次移动至G_d位置，待校正磁传感器测得到一组磁场垂向分量

表示磁源位置在G_i时测得的磁场垂向分量，同时通过B_Z＝f(r+Δr_y)计算到在待求偏差矢量Δr_y下待校正磁传感器的磁场垂向分量

表示磁源位置在G_i时计算的磁场垂向分量；

计算测得的磁场垂向分量B_zn与计算得到的磁场垂向分量B_zg的误差，通过算法优化得到与测得的磁场垂向分量B_zn误差最小的计算得到的磁场垂向分量B_zg。

进一步，确定z方向的平均梯度最大的多个区域中与测得的磁场垂向分量误差最小的计算得到的磁场垂向分量具体包括：

确定位置偏差区域z方向平均梯度最大的e个区域时，磁源的坐标H_x＝[H₁H₂…H_i…H_e]；

将所述磁源由H₁位置依次移动至H_e位置，待校正磁传感器测得到一组磁场垂向分量

表示磁源位置在H_i时测得的磁场垂向分量，同时通过B_Z＝f(r+Δr_z)计算到在待求偏差矢量Δr_z下待校正磁传感器的磁场垂向分量

表示磁源位置在H_i时计算的磁场垂向分量；

计算测得的磁场垂向分量B_zk与计算得到的磁场垂向分量B_zh的误差，通过算法优化得到与测得的磁场垂向分量B_zk误差最小的计算得到的磁场垂向分量B_zh。

进一步，确定实际位置到理想位置距离的偏差矢量Δr(Δx，Δy，Δz)，从而根据偏差矢量Δr校正磁传感器的位置具体包括：

最小化校正函数计算测得的磁场垂向分量B_zm与计算得到的磁场垂向分量B_z的误差，从而得到实际位置到理想位置距离偏差矢量Δr_x(Δx_x，Δy_x，Δz_x)，所述Δx_x为所述Δr中的Δx；

最小化校正函数计算测得的磁场垂向分量B_zn与计算得到的磁场垂向分量B_z的误差，从而得到实际位置到理想位置距离偏差矢量Δr_y(Δx_y，Δy_y，Δz_y)，所述Δy_y为Δr中的Δy；

最小化校正函数计算测得的磁场垂向分量B_zk与计算得到的磁场垂向分量B_z的误差，从而得到实际位置到理想位置距离偏差矢量Δr_z(Δx_z，Δy_z，Δz_z)，所述Δz_z为Δr中的Δz。

进一步，所述x方向的校正函数为Minimize：

所述y方向的校正函数为Minimize：

所述z方向的校正函数为Minimize：

本发明提供了一种基于磁场梯度优化的磁传感器位置校正方法，由于通过移动磁源，使待校正的磁传感器位于磁源磁场梯度值大的区域，进一步提升磁传感器位置校正的精度，具备很好的实用性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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是本发明的基于磁场梯度优化的磁传感器位置校正方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明的实施例中的附图，对本发明的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的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

实施例一

图1是本发明的基于磁场梯度优化的磁传感器位置校正方法的流程图，如图1所示，本实施例的一种基于磁场梯度优化的磁传感器位置校正方法，包括以下步骤：

在消磁码头安装磁源；

磁源在消磁码头平面内相对于待校正磁传感器理想位置以0.6m的步长沿x或y方向移动；

计算以待校正磁传感器理想位置为中心0.6m*0.6m*0.6m位置偏差区域的磁场垂向分量

式中，μ₀表示真空磁导率，m表示磁偶极矩，r(x，y，z)表示位置偏差区域理想位置相对于磁源的位置矢量，Δr^d(Δx^d，Δy^d，Δz^d)表示位置偏差区域测量点相对于理想位置的位置矢量；

计算每次磁源位置改变时，位置偏差区域磁场垂向分量在x、y和z方向的平均梯度及磁源位置坐标；

确定x方向的平均梯度最大的多个区域中与测得的磁场垂向分量误差最小的计算得到的磁场垂向分量；

确定y方向的平均梯度最大的多个区域中与测得的磁场垂向分量误差最小的计算得到的磁场垂向分量；

确定z方向的平均梯度最大的多个区域中与测得的磁场垂向分量误差最小的计算得到的磁场垂向分量；

确定实际位置到理想位置距离的偏差矢量Δr(Δx，Δy，Δz)，从而根据偏差矢量Δr校正磁传感器的位置。

进一步地，确定x方向的平均梯度最大的多个区域中与测得的磁场垂向分量误差最小的计算得到的磁场垂向分量具体包括：

确定x方向平均梯度最大的s个区域的中心坐标C_x＝[C₁ C₂…C_s]；

确定位置偏差区域x方向平均梯度最大的s个区域时，磁源的坐标C_x＝[C₁C₂…C_i…C_s]；

将所述磁源由C₁位置依次移动至C_s位置，待校正磁传感器测得到一组磁场垂向分量

表示磁源位置在C_i时测得的磁场垂向分量，同时通过B_Z＝f(r+Δr_x)计算到在待求偏差矢量Δr_x下待校正磁传感器的磁场垂向分量

表示磁源位置在C_i时计算的磁场垂向分量；

计算测得的磁场垂向分量B_zm与计算得到的磁场垂向分量B_zc的误差，通过算法优化得到与测得的磁场垂向分量B_zm误差最小的计算得到的磁场垂向分量B_zc。

进一步地，确定y方向的平均梯度最大的多个区域中与测得的磁场垂向分量误差最小的计算得到的磁场垂向分量具体包括：

确定位置偏差区域y方向平均梯度最大的d个区域时，磁源的坐标G_y＝[G₁G₂…G_i…G_d]；

将所述磁源由G₁位置依次移动至G_d位置，待校正磁传感器测得到一组磁场垂向分量

表示磁源位置在G_i时测得的磁场垂向分量，同时通过B_Z＝f(r+Δr_y)计算到在待求偏差矢量Δr_y下待校正磁传感器的磁场垂向分量

表示磁源位置在G_i时计算的磁场垂向分量；

计算测得的磁场垂向分量B_zn与计算得到的磁场垂向分量B_zg的误差，通过算法优化得到与测得的磁场垂向分量B_zn误差最小的计算得到的磁场垂向分量B_zg。

进一步地，确定z方向的平均梯度最大的多个区域中与测得的磁场垂向分量误差最小的计算得到的磁场垂向分量具体包括：

确定位置偏差区域z方向平均梯度最大的e个区域时，磁源的坐标H_x＝[H₁H₂…H_i…H_e]；

将所述磁源由H₁位置依次移动至H_e位置，待校正磁传感器测得到一组磁场垂向分量

表示磁源位置在H_i时测得的磁场垂向分量，同时通过B_Z＝f(r+Δr_z)计算到在待求偏差矢量Δr_z下待校正磁传感器的磁场垂向分量

表示磁源位置在H_i时计算的磁场垂向分量；

计算测得的磁场垂向分量B_zk与计算得到的磁场垂向分量B_zh的误差，通过算法优化得到与测得的磁场垂向分量B_zk误差最小的计算得到的磁场垂向分量B_zh。

进一步地，确定实际位置到理想位置距离的偏差矢量Δr(Δx，Δy，Δz)，从而根据偏差矢量Δr校正磁传感器的位置具体包括：

最小化校正函数计算测得的磁场垂向分量B_zm与计算得到的磁场垂向分量B_z的误差，从而得到实际位置到理想位置距离偏差矢量Δr_x(Δx_x，Δy_x，Δz_x)，所述Δx_x为所述Δr中的Δx；

最小化校正函数计算测得的磁场垂向分量B_zn与计算得到的磁场垂向分量B_z的误差，从而得到实际位置到理想位置距离偏差矢量Δr_y(Δx_y，Δy_y，Δz_y)，所述Δy_y为Δr中的Δy；

最小化校正函数计算测得的磁场垂向分量B_zk与计算得到的磁场垂向分量B_z的误差，从而得到实际位置到理想位置距离偏差矢量Δr_z(Δx_z，Δy_z，Δz_z)，所述Δz_z为Δr中的Δz。

进一步地，所述x方向的校正函数为Minimize：

所述y方向的校正函数为Minimize：

所述z方向的校正函数为Minimize：

本说明书的实施例提供了一种基于磁场梯度优化的磁传感器位置校正方法，由于通过移动磁源，使待校正的磁传感器位于磁源磁场梯度值大的位置，进一步提升磁传感器位置校正的精度，具备很好的实用性。

对本实施例进行1.2：10物理缩比模型实验，以圆形载流线圈作为磁源，等效成磁场极子，对位于1.8m深，距离磁源1.2米宽的5种磁传感器位置偏差状态进行校正仿真实验，结果如表1所示，x方向的误差为0.18cm，y方向的平均误差为0.19cm，z方向的平均误差为0.48cm，模值d的平均误差为0.56cm，相对误差d_re为0.31％(d_re＝d/(1.52+12)^1/2×100％)。该误差与现有模值的平均误差1.167cm，相对误差1.87％相比，定位精度提升了一个数量级。

表1

上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于磁场梯度优化的磁传感器位置校正方法，其特征在于，包括以下步骤：

在消磁码头安装磁源；

磁源在消磁码头平面内相对于待校正磁传感器理想位置以0.6m的步长沿x或y方向移动；

计算以待校正磁传感器理想位置为中心0.6m*0.6m*0.6m位置偏差区域的磁场垂向分量

式中，μ₀表示真空磁导率，m表示磁偶极矩，r(x，y，z)表示位置偏差区域理想位置相对于磁源的位置矢量，Δr^d(Δx^d，Δy^d，Δz^d)表示位置偏差区域测量点相对于理想位置的位置矢量；

计算每次磁源位置改变时，位置偏差区域磁场垂向分量在x、y和z方向的平均梯度及磁源位置坐标；确定x方向的平均梯度最大的多个区域中与测得的磁场垂向分量误差最小的计算得到的磁场垂向分量；确定y方向的平均梯度最大的多个区域中与测得的磁场垂向分量误差最小的计算得到的磁场垂向分量；确定z方向的平均梯度最大的多个区域中与测得的磁场垂向分量误差最小的计算得到的磁场垂向分量；

确定实际位置到理想位置距离的偏差矢量Δr(Δx，Δy，Δz)，从而根据偏差矢量Δr校正磁传感器的位置。

2.根据权利要求1所述的基于磁场梯度的磁传感器位置校正方法，其特征在于，所述确定x方向的平均梯度最大的多个区域中与测得的磁场垂向分量误差最小的计算得到的磁场垂向分量具体包括：

确定位置偏差区域x方向平均梯度最大的s个区域时，磁源的坐标C_x＝[C₁C₂…C_i…C_s]；

将所述磁源由C₁位置依次移动至C_s位置，待校正磁传感器测得到一组磁场垂向分量

表示磁源位置在C_i时测得的磁场垂向分量，同时通过B_Z＝f(r+Δr_x)计算到在待求偏差矢量Δr_x下待校正磁传感器的磁场垂向分量

表示磁源位置在C_i时计算的磁场垂向分量；

计算测得的磁场垂向分量B_zm与计算得到的磁场垂向分量B_zc的误差，通过算法优化得到与测得的磁场垂向分量B_zm误差最小的计算得到的磁场垂向分量B_zc。

3.根据权利要求2所述的基于磁场梯度的磁传感器位置校正方法，其特征在于，所述确定y方向的平均梯度最大的多个区域中与测得的磁场垂向分量误差最小的计算得到的磁场垂向分量具体包括：

确定位置偏差区域y方向平均梯度最大的d个区域时，磁源的坐标G_y＝[G₁G₂…G_i…G_d]；

将所述磁源由G₁位置依次移动至G_d位置，待校正磁传感器测得到一组磁场垂向分量

表示磁源位置在G_i时测得的磁场垂向分量，同时通过B_Z＝f(r+Δr_y)计算到在待求偏差矢量Δr_y下待校正磁传感器的磁场垂向分量

表示磁源位置在G_i时计算的磁场垂向分量；

计算测得的磁场垂向分量B_zn与计算得到的磁场垂向分量B_zg的误差，通过算法优化得到与测得的磁场垂向分量B_zn误差最小的计算得到的磁场垂向分量B_zg。

4.根据权利要求3所述的基于磁场梯度的磁传感器位置校正方法，其特征在于，所述确定z方向的平均梯度最大的多个区域中与测得的磁场垂向分量误差最小的计算得到的磁场垂向分量具体包括：

确定位置偏差区域z方向平均梯度最大的e个区域时，磁源的坐标H_x＝[H₁H₂…H_i…H_e]；

将所述磁源由H₁位置依次移动至H_e位置，待校正磁传感器测得到一组磁场垂向分量

表示磁源位置在H_i时测得的磁场垂向分量，同时通过B_Z＝f(r+Δr_z)计算到在待求偏差矢量Δr_z下待校正磁传感器的磁场垂向分量

表示磁源位置在H_i时计算的磁场垂向分量；

计算测得的磁场垂向分量B_zk与计算得到的磁场垂向分量B_zh的误差，通过算法优化得到与测得的磁场垂向分量B_zk误差最小的计算得到的磁场垂向分量B_zh。

5.根据权利要求4所述的基于磁场梯度的磁传感器位置校正方法，其特征在于，确定实际位置到理想位置距离的偏差矢量Δr(Δx，Δy，Δz)，从而根据偏差矢量Δr校正磁传感器的位置具体包括：

最小化校正函数计算测得的磁场垂向分量B_zm与计算得到的磁场垂向分量B_z的误差，从而得到实际位置到理想位置距离偏差矢量Δr_x(Δx_x，Δy_x，Δz_x)，所述Δx_x为所述Δr中的Δx；

最小化校正函数计算测得的磁场垂向分量B_zn与计算得到的磁场垂向分量B_z的误差，从而得到实际位置到理想位置距离偏差矢量Δr_y(Δx_y，Δy_y，Δz_y)，所述Δy_y为Δr中的Δy；

最小化校正函数计算测得的磁场垂向分量B_zk与计算得到的磁场垂向分量B_z的误差，从而得到实际位置到理想位置距离偏差矢量Δr_z(Δx_z，Δy_z，Δz_z)，所述Δz_z为Δr中的Δz。

6.根据权利要求5所述的基于磁场梯度的磁传感器位置校正方法，其特征在于，所述x方向的校正函数为Minimize：

所述y方向的校正函数为Minimize：

所述z方向的校正函数为Minimize：

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