CN116165577B - 基于量子自主导航的地磁信号平衡方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的基于量子自主导航的地磁信号平衡方法，机动平台内嵌量子导航装置，实时确定自身位置以及机动过程中的姿态信息，将姿态信息输入到预置磁场控制单元，无论机动平台如何运动，预置磁场总是与地磁场保持方向相反、强度近同的状态，通过动态归零方式为量子磁力仪提供近零的磁场背景，此时野外环境下极微弱的磁场异常信号也能被有效捕获。本发明将量子自主导航和量子磁力仪结合在一起，实现了地磁信号的动态平衡补偿，将为野外环境勘探相关磁场测量设备提供重要帮助。

Description

基于量子自主导航的地磁信号平衡方法

技术领域

本发明属于量子精密测量、量子导航和信号处理的交叉学科，具体是指一种通过高精度量子导航确定飞行平台方位姿态，根据所处位置地磁信号的分布特征进行反向补偿，为量子磁力仪等磁场精密测量装置提供磁场环境平衡的方法，尤其涉及一种基于量子自主导航的地磁信号平衡方法。

背景技术

基于量子能级跃迁、量子自旋进动和量子物质波干涉等原理的量子精密测量技术，能够大幅提升电场、磁场、频率、时间、惯性量等物理量的测量精度，甚至超越经典散粒噪声极限。量子磁力仪是一种高灵敏度磁场测量设备，理论上能够的磁场信号比地磁场小数十个量级，甚至能够感知脑磁信号的变化。基于量子磁力仪对磁场的高灵敏度感知特性，能够实现地磁导航、磁体搜索、磁异信号监测等多种应用功能，是一个全新的发展方向。

量子磁场测量系统除了需要不断提升磁力仪的精度和灵敏度，还需要对地磁场和背景磁场进行补偿，以消除磁场噪声的影响。地磁场是一个方向和强度相对恒定的磁场，根据地理坐标、气象天候等条件的不同而变化；背景磁场主要是各种电路系统或机械结构切割磁感线产生的感生磁场。对于磁力仪来说，背景磁场可通过电磁屏蔽、监测反馈等方式进行补偿，平衡归零难度相对较小，野外作业环境下地磁场虽然不能使用电磁屏蔽的方式进行抑制，但也能通过预置磁场的方式进行补偿。然而，对于高速机动的搭载平台而言，平台本身的方向和位置不断变化，地磁场信号的相对方向和相对强度也在不断变化，预置磁场平衡归零难度骤然提升。

发明内容

针对上述缺陷，本发明要解决的技术问题是如何将量子自主导航设备和高灵敏度量子磁力仪同时搭载于机动平台，通过量子自主导航设备确定机动平台所处位置、姿态和方位，将这些数据输入到预置磁场补偿装置中，控制预置磁场方向使其与地磁场平衡抵消，此时机动平台上的量子磁力仪拥有了一个相对干净的磁场背景，能够测量环境中因其他因素而产生的、强度极弱甚至低于地磁场的微弱信号。

本发明的目的在于提供一种基于量子自主导航的地磁信号平衡方法，将量子核磁共振陀螺、原子加速度计以及量子惯性测量设备集成为量子自主导航系统并搭载在机动平台上，实时确定机动平台所处位置、姿态和方位，以机动平台参考系为基准确定地磁场的强度和方位，地磁场强度和方位信息通过地理位置相关数据库调阅，控制预置磁场补偿装置使预置磁场的方向与地磁场方向相反、磁场强度与地磁场相同，通过地磁信号平衡归零，量子磁力仪获得背景磁场，通过将量子自主导航和量子磁力仪紧耦合绑定以提升磁场测量的灵敏度，预置磁场和地磁场抵消归零，所述量子磁力仪只需补偿机动平台运动以及各种电学系统产生的感生电场，即获得相对较为干净的磁场背景，测量环境中极其微弱的磁异信号。

优选的，上述量子自主导航系统能够感知x-y-z三个方向的角加速度和加速度。

优选的，将上述量子自主导航系统搭载于机动平台上，运动前确定自己的出发位置坐标。

优选的，上述机动平台根据量子自主导航系统提供的位置信息和姿态信息，提前建立好地理位置坐标-地磁特征之间一一对应的数据库。

优选的，从数据库内提取出此处地磁场的强度和绝对坐标下的方向，所述绝对坐标是指以地球地轴为参考系的绝对坐标。

优选的，上述方法具体包括以下步骤：

S1、将量子核磁共振陀螺、原子加速度计等量子惯性测量设备集成为量子自主导航系统；

S2、将量子磁力仪和量子自主导航设备搭载于机动平台上，运动前确定自己的出发位置坐标；

S3、机动平台移动过程中，量子自主导航感知角加速度与加速度变化，推算出自己的实时位置坐标以及姿态坐标；

S4、预置磁场装置获取实时位置坐标，根据数据库保存的地磁信号数据确定预置磁场强度，获取姿态坐标并以机动平台为参考系进行反向进动旋转使预置磁场在绝对参考系中的方向与地磁信号始终相反，；

S5、预置磁场和地磁场抵消归零，此时量子磁力仪只需补偿机动平台运动以及各种电学系统产生的感生电场，即可获得相对较为干净的磁场背景，测量环境中极其微弱的磁异信号。

优选的，上述S4中机动平台抬升时预置磁场方向相对机动平台俯降、机动平台俯降时预置磁场方向相对机动平台抬升，在地球绝对坐标系下预置磁场方向始终保持不变且与地磁信号相反。

优选的，上述机动平台内嵌量子导航装置，实时确定自身位置以及机动过程中的姿态信息，将姿态信息输入到预置磁场控制单元。

优选的，无论机动平台如何运动，预置磁场总是与地磁场保持方向相反、强度近同的状态，通过动态归零方式为量子磁力仪提供近零的磁场背景，确保野外环境下极微弱的磁场异常信号也能被有效捕获。

本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述方法。

与现有技术相比，本发明具有以下优势：

首先，本发明使用量子自主导航作为位置和姿态数据的传感装置，“自主”的能力体现在精度较高而在一定时间范围内毋须外界矫正，这一特性赋予了机动平台极高的灵活性；

其次，本发明将量子自主导航数据复用为地磁信号参考源，根据自主导航数据调整补偿磁场的方向，具备对地磁信号的实时补偿能力，可为量子磁力仪提供相对较干净的磁场背景，进一步提升量子磁力仪在实际应用中的灵敏度；

最后，本发明还为导航定位提供了一种全新的冗余机制，可以通过量子自主导航+量子磁力仪地磁导航的方式，进一步提升机动平台导航定位精度，创新量子精密测量设备的应用方法。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，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示出了本发明基于量子自主导航的地磁信号平衡方法的一实施例示意图；

图2示出了本发明基于量子自主导航的地磁信号平衡方法的具体实施例示意图；

图3示出了本发明基于量子自主导航的地磁信号平衡方法的另一实施例示意图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明，并不被配置为限定本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

如图1所示，本发明提供了一种基于量子自主导航的地磁信号平衡方法的实施例，包括：

S101、自主导航数据的获取，机动平台上的高精度量子自主导航设备实时确定机动平台所处位置、姿态和方位，以机动平台参考系为基准确定地磁场的强度和方位；

S102、地磁信号平衡归零，地磁场强度和方位信息可通过地理位置相关数据库调阅，控制预置磁场补偿装置使预置磁场的方向与地磁场方向相反、磁场强度与地磁场相同；

S103、量子磁力仪的磁异信号测量，通过地磁信号平衡归零，量子磁力仪获得了一个相对较弱的背景磁场，由环境因素产生的异常磁场信号能够被有效捕获，亦即通过将量子自主导航和量子磁力仪紧耦合绑定能够提升磁场测量的灵敏度。

在一些实施例中，量子自主导航系统能够感知x-y-z三个方向的角加速度和加速度。

在一些实施例中，将所述量子自主导航系统搭载于机动平台上，运动前确定自己的出发位置坐标。

在一些实施例中，机动平台根据量子自主导航系统提供的位置信息和姿态信息，提前建立好地理位置坐标-地磁特征之间一一对应的数据库。

在一些实施例中，从数据库内提取出此处地磁场的强度和绝对坐标下的方向，所述绝对坐标是指以地球地轴为参考系的绝对坐标。

如图2所示，本实施例还提供一种基于量子自主导航的地磁信号平衡方法，实施步骤为：

1. 将量子核磁共振陀螺、原子加速度计等量子惯性测量设备集成为量子自主导航系统，该系统能够感知x-y-z三个方向的角加速度和加速度；

2. 将量子磁力仪和量子自主导航设备搭载于机动平台上，运动前确定自己的出发位置坐标；

3. 机动平台移动过程中，量子自主导航感知角加速度与加速度变化，推算出自己的实时位置坐标以及姿态坐标；

4. 预置磁场装置获取实时位置坐标，根据数据库保存的地磁信号数据确定预置磁场强度，获取姿态坐标并以机动平台为参考系进行反向进动旋转使预置磁场在绝对参考系中的方向与地磁信号始终相反，即机动平台抬升时预置磁场方向相对机动平台俯降、机动平台俯降时预置磁场方向相对机动平台抬升，在地球绝对坐标系下预置磁场方向始终保持不变且与地磁信号相反；

5. 预置磁场和地磁场抵消归零，此时量子磁力仪只需补偿机动平台运动以及各种电学系统产生的感生电场，即可获得相对较为干净的磁场背景，测量环境中极其微弱的磁异信号。

如图3所示，本实施例展示了基于量子自主导航的地磁信号平衡方法实施例，具体包括：

S201、将量子核磁共振陀螺、原子加速度计等量子惯性测量设备集成为量子自主导航系统，量子自主导航系统能够接收外界的导航定位信息，也能凭借高精度量子惯性测量设备在无信息参考的前提下获取自身位置和姿态信息；

S202、机动平台根据量子自主导航系统提供的位置信息和姿态信息，提前建立好地理位置坐标-地磁特征之间一一对应的数据库，即可从数据库内提取出此处地磁场的强度和绝对坐标下的方向，所谓绝对坐标是指以地球地轴为参考系的绝对坐标；

S203、预置磁场补偿装置实时分析机动平台的位置信息和姿态信息，根据位置信息调整磁场强度，根据姿态信息旋转磁场方向，使预置磁场强度与地磁场强度相同，使预置磁场方向在绝对坐标下始终保持与地磁场相反；通过这种以自主导航数据为输入的地磁信号平衡归零方法，为量子磁力仪创造一个相对较为干净的磁场背景，提升实用环境下磁场测量的精度。

本发明还提供一种基于量子自主导航的地磁信号平衡方法的实施例，机动平台内嵌量子导航装置，实时确定自身位置以及机动过程中的姿态信息，将姿态信息输入到预置磁场控制单元，无论机动平台如何运动，预置磁场总是与地磁场保持方向相反、强度近同的状态，通过动态归零方式为量子磁力仪提供近零的磁场背景，此时野外环境下极微弱的磁场异常信号也能被有效捕获。本发明将量子自主导航和量子磁力仪结合在一起，实现了地磁信号的动态平衡补偿，将为野外环境勘探相关磁场测量设备提供重要帮助。

在一些实施例中，量子磁力测量设备能够对磁场强度进行精确测量，测量机理为量子特性，测量精度和灵敏度能够突破经典瓶颈，且具有设备级的测量能力（即涵盖漂移补偿等整机伺服功能），包括但不限于原子干涉磁力仪、光泵磁力仪等，不限定量子磁力测量设备的系统组成和参数指标。

在一些实施例中，量子惯导设备能够对加速度、角加速度等物理量进行精确测量，测量机理为量子特性，测量精度能够突破经典瓶颈，具有设备级的测量能力（即涵盖漂移补偿等伺服功能），量子精密测量设备包括但不限于核磁共振陀螺仪、原子自旋陀螺仪、原子干涉加速度计等。

在一些实施例中，不限定量子精密测量设备的参数指标，不限定量子惯导系统结构和参数指标。

在一些实施例中，地磁信号平衡归零中机动平台根据量子自主导航系统提供的位置信息和姿态信息，提前建立好地理位置坐标-地磁特征之间一一对应的数据库，即可从数据库内提取出此处地磁场的强度和绝对坐标下的方向，所谓绝对坐标是指以地球地轴为参考系的绝对坐标；预置磁场补偿装置实时分析机动平台的位置信息和姿态信息，根据位置信息调整磁场强度，根据姿态信息旋转磁场方向，使预置磁场强度与地磁场强度相同，使预置磁场方向在绝对坐标下始终保持与地磁场相反；通过这种以自主导航数据为输入的地磁信号平衡归零方法，为量子磁力仪创造一个相对较为干净的磁场背景，提升实用环境下磁场测量的精度。

在一些实施例中，凡使用导航设备实现位置姿态信息并以此为输入源控制预置磁场实现地磁信号平衡归零的方法均属本发明权利要求范围内。同时，通过量子自主导航和量子磁力仪地磁导航数据互校验提升机动平台导航定位能力的方法也属于本发明所述权利要求范围内。

与现有技术相比，本发明具有以下优势：

首先，本发明使用量子自主导航作为位置和姿态数据的传感装置，“自主”的能力体现在精度较高而在一定时间范围内毋须外界矫正，这一特性赋予了机动平台极高的灵活性；

其次，本发明将量子自主导航数据复用为地磁信号参考源，根据自主导航数据调整补偿磁场的方向，具备对地磁信号的实时补偿能力，可为量子磁力仪提供相对较干净的磁场背景，进一步提升量子磁力仪在实际应用中的灵敏度；

最后，本发明还为导航定位提供了一种全新的冗余机制，可以通过量子自主导航+量子磁力仪地磁导航的方式，进一步提升机动平台导航定位精度，创新量子精密测量设备的应用方法。

为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

本申请可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本申请，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。

内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。内存是计算机可读介质的示例。

计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种基于量子自主导航的地磁信号平衡方法，其特征在于，将量子核磁共振陀螺、原子加速度计以及量子惯性测量设备集成为量子自主导航系统并搭载在机动平台上，实时确定机动平台所处位置、姿态和方位，以机动平台参考系为基准确定地磁场的强度和方位，地磁场强度和方位信息通过地理位置相关数据库调阅，控制预置磁场补偿装置使预置磁场的方向与地磁场方向相反、磁场强度与地磁场相同，通过地磁信号平衡归零，量子磁力仪获得背景磁场，通过将量子自主导航和量子磁力仪紧耦合绑定以提升磁场测量的灵敏度，预置磁场和地磁场抵消归零，所述量子磁力仪只需补偿机动平台运动以及各种电学系统产生的感生电场，即获得相对较为干净的磁场背景，测量环境中极其微弱的磁异信号。

2.根据权利要求1所述的基于量子自主导航的地磁信号平衡方法，其特征在于，所述量子自主导航系统能够感知x-y-z三个方向的角加速度和加速度。

3.根据权利要求1所述的基于量子自主导航的地磁信号平衡方法，其特征在于，将所述量子自主导航系统搭载于机动平台上，运动前确定自己的出发位置坐标。

4.根据权利要求3所述的基于量子自主导航的地磁信号平衡方法，其特征在于，所述机动平台根据量子自主导航系统提供的位置信息和姿态信息，提前建立好地理位置坐标-地磁特征之间一一对应的数据库。

5.根据权利要求4所述的基于量子自主导航的地磁信号平衡方法，其特征在于，从数据库内提取出此处地磁场的强度和绝对坐标下的方向，所述绝对坐标是指以地球地轴为参考系的绝对坐标。

6.根据权利要求1所述的基于量子自主导航的地磁信号平衡方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：

S1、将量子核磁共振陀螺、原子加速度计等量子惯性测量设备集成为量子自主导航系统；

S2、将量子磁力仪和量子自主导航设备搭载于机动平台上，运动前确定自己的出发位置坐标；

S3、机动平台移动过程中，量子自主导航感知角加速度与加速度变化，推算出自己的实时位置坐标以及姿态坐标；

S4、预置磁场装置获取实时位置坐标，根据数据库保存的地磁信号数据确定预置磁场强度，获取姿态坐标并以机动平台为参考系进行反向进动旋转使预置磁场在绝对参考系中的方向与地磁信号始终相反；

S5、预置磁场和地磁场抵消归零，此时量子磁力仪只需补偿机动平台运动以及各种电学系统产生的感生电场，即可获得相对较为干净的磁场背景，测量环境中极其微弱的磁异信号。

7.根据权利要求6所述的基于量子自主导航的地磁信号平衡方法，其特征在于，所述S4中机动平台抬升时预置磁场方向相对机动平台俯降、机动平台俯降时预置磁场方向相对机动平台抬升，在地球绝对坐标系下预置磁场方向始终保持不变且与地磁信号相反。

8.根据权利要求6所述的基于量子自主导航的地磁信号平衡方法，其特征在于，所述机动平台内嵌量子导航装置，实时确定自身位置以及机动过程中的姿态信息，将姿态信息输入到预置磁场控制单元。

9.根据权利要求1所述的基于量子自主导航的地磁信号平衡方法，其特征在于，无论机动平台如何运动，预置磁场总是与地磁场保持方向相反、强度近同的状态，通过动态归零方式为量子磁力仪提供近零的磁场背景，确保野外环境下极微弱的磁场异常信号也能被有效捕获。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现权利要求1-9任一项所述方法。

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