基于磁梯度张量和地磁矢量测量的运动式定位方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于磁测量技术领域，具体涉及一种基于磁梯度张量和地磁矢量测量的运 动式定位方法。
【背景技术】
[0002] 地磁场变化缓慢，与磁目标异常相比，其梯度张量可忽略不计。三轴磁传感器被广 泛用于磁场分量测量，多个磁传感器组成阵列能测量磁分量和磁梯度张量，故磁传感器阵 列能用于磁目标追踪定位。其基本原理是把磁性目标当做磁偶极子，磁偶极子的磁梯度张 量和分量与距离有关，而且与空间坐标系位置相关。则通过磁传感器阵列测量磁梯度张量 和分量，可计算出磁目标在磁传感器阵列坐标系下的位置。
[0003] 针对磁目标定位，一些国内外学者进行了研究。例如：T.Nara等设计了一套微 型磁传感器阵列，并对基于磁梯度张量和分量的直接反演定位法进行了阐述（T. Nara，S. Suzuki, and S.Ando,A closed-form formula for magnetic dipole localization by measurement of its magnetic field and spatial gradients.IEEE Trans. Magn. 42(2006)3291 - 3293)。Marius Birsan等采用4个巴汀通磁通门传感器组成平 面式T型阵列，使用粒子滤波算法进行磁目标定位（M. Birsan, Recursive Bayesian method for magnetic dipole tracking with a tensor gradiometer IEEE Trans Magn. 47(2011)409 - 415) oChao Hu等设计了磁阻传感器阵列，用于医学方面的无线胶囊定 位，其中胶囊里面包含一个小磁铁（C. Hu, M. Q. -H. Meng, and M. Mandal, A linear algorithm for tracing magnet position and orientation by using three-axis magnetic sensors, IEEE Trans. Magn.，43 (2007) 4096 - 4101)。H. F. Pang 等米用 4 个 DM 磁通门 传感器，设计成平面阵列形式，并对一块磁铁进行了三位空间坐标系定位（H. F. Pang，S. T. Luo, Q. Zhang, J. Li, D. X. Chen, M. C. Pan, and F. L. Luo, Calibration of a fluxgate magnetometer array and its application in magnetic object localization, Meas. Sci. Technol. 24 (2013) 0751021 - 8)。然而，上述方法均属于静态式定位方法，即磁传感器 阵列不动，磁目标运动，通过磁梯度张量和分量测量，计算出磁目标在阵列坐标系下的位 置。当磁传感器阵列运动时（即运动式定位），由于磁传感器阵列姿态不断变化，地磁场在 阵列坐标系的投影分量将不断变化，则无法准确测量磁异常分量，甚至1°的姿态变化会引 起上千nT的分量测量误差（nT为磁场强度单位），将难以进行磁目标实时定位。
[0004] 在运动探测方面，主要是采用光泵式总量传感器确定有无磁性目标（尹景涯，磁 探搜潜系统的目标信号识别，舰船电子工程，Vol. 32, No. 3, 119 - 120)。或者通过多次扫描， 判断磁性目标大致位置（王光源，马海洋，章尧卿，航空磁探仪探潜目标磁梯度定位方法， 兵工自动化，2011，30 (1)，32 - 34)。但是总量式传感器仅能判断有无，或者需要反复探测以 确定目标大致位置，无法实时动态确定磁目标三维坐标系。
[0005] 综上所述，在磁目标定位方面，主要是静态式定位，即阵列不动时进行定位；或者 用总量传感器进行运动式磁目标信号探测，而运动式三维定位方面缺乏研究。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种原件简单、易实现、易操作的基于 磁梯度张量和地磁矢量的运动式定位方法。
[0007] 具体技术方案如下：
[0008] -种基于磁梯度张量和地磁矢量的运动式定位方法，运用惯导系统和磁传感器进 行磁目标定位，包括以下步骤：
[0009] (S1)将磁传感器阵列和惯导系统安置在无磁运动装置上，并保持磁传感器阵列和 惯导系统在同一个平面上，所述磁传感器阵列由N个磁传感器组成，N为整数，选取平面上 一点为坐标中心，建立阵列坐标系，坐标轴表示为X轴、Y轴、Z轴；所述N个磁传感器至坐 标中心的距离相等，且每个磁传感器的三轴方向均保持一致，并与阵列坐标系X轴、Y轴、Z 轴对应平行；保持惯导系统坐标系与阵列坐标系三轴方向平行；
[0010] (S2)在无磁异常区域，获取任一个磁传感器测量值，利用惯导系统输出的姿态角， 计算地理坐标系下的地磁场矢量值；
[0011] (S3)无磁运动装置移动在磁目标区域，获取磁传感器阵列中N个磁传感器测量值 和惯导系统输出的姿态角；
[0012] (S4)利用在无磁运动装置移动状态下的惯导系统输出的姿态角，将所述地理坐标 系的地磁场矢量值转换到阵列坐标系下的地磁场分量值；
[0013] (S5)根据N个磁传感器测量值，计算阵列坐标系下的磁梯度张量，并计算阵列坐 标系下的磁异常分量与地磁场分量值的叠加值，结合阵列坐标系下的地磁场分量值，计算 出阵列坐标系下的磁异常分量；
[0014] (S6)根据阵列坐标系下的磁梯度张量和磁异常分量，计算出在阵列坐标系下的磁 目标位置。
[0015] 进一步地，所述无磁运动装置包括一个无磁平台、平台支撑轴，无磁基座和移动滑 轮，所述平台支撑轴安装在无磁基座上，平台支撑轴与无磁平台连接并支撑无磁平台，移动 滑轮安装在无磁基座底部，便于无磁运动装置移动。
[0016] 进一步地，所述步骤（S2)的计算过程为：
【主权项】
1. 一种基于磁梯度张量和地磁矢量的运动式定位方法，运用惯导系统和磁传感器进行 磁目标定位，其特征在于，包括以下步骤： (51) 将磁传感器阵列和惯导系统安置在无磁运动装置上，并保持磁传感器阵列和惯导 系统在同一个平面上，所述磁传感器阵列由N个磁传感器组成，N为整数，选取平面上一点 为坐标中心，建立阵列坐标系，坐标轴表示为X轴、Y轴、Z轴；所述N个磁传感器至坐标中 心的距离相等，且每个磁传感器的三轴方向均保持一致，并与阵列坐标系X轴、Y轴、Z轴对 应平行；保持惯导系统坐标系与阵列坐标系三轴方向平行； (52) 在无磁异常区域，获取任一个磁传感器测量值，利用惯导系统输出的姿态角，计算 地理坐标系下的地磁场矢量值； (53) 无磁运动装置移动在磁目标区域，获取磁传感器阵列中N个磁传感器测量值和惯 导系统输出的姿态角； (54) 利用在无磁运动装置移动状态下的惯导系统输出的姿态角，将所述地理坐标系的 地磁场矢量值转换到阵列坐标系下的地磁场分量值； (55) 根据N个磁传感器测量值，计算阵列坐标系下的磁梯度张量，并计算阵列坐标系 下的磁异常分量与地磁场矢量值的叠加值，结合阵列坐标系下的地磁场矢量值，计算出阵 列坐标系下的磁异常分量； (56) 根据阵列坐标系下的磁梯度张量和磁异常分量，计算出在阵列坐标系下的磁目标 位置。
2. 如权利要求1所述的基于磁梯度张量和地磁矢量的运动式定位方法，其特征在于， 所述无磁运动装置包括一个无磁平台、平台支撑轴，无磁基座和移动滑轮，所述平台支撑轴 安装在无磁基座上，平台支撑轴与无磁平台连接并支撑无磁平台，移动滑轮安装在无磁基 座底部，便于无磁运动装置移动。
3. 如权利要求1所述的基于磁梯度张量和地磁矢量的运动式定位方法，其特征在于， 所述步骤（S2)的计算过程为：
其中，hxl，hyl，hzl为磁传感器测量值，ex，e x，ey为地理坐标系的地磁场矢量值，Ψ, θ，φ 为惯导系统输出的姿态角。
4. 如权利要求1所述的基于磁梯度张量和地磁矢量的运动式定位方法，其特征在于， 所述步骤（S4)的计算过程为：
其中，Hxtl, Hytl, Hztl表示阵列坐标系下的地磁场矢量值，ex，ex，\为地理坐标系的地磁场 矢量值，Ψ1; Θ i，Cj5l为运动过程中惯导输出的姿态角。
5. 如权利要求1所述的基于磁梯度张量和地磁矢量的运动式定位方法，其特征在于， 所述磁传感器的个数N取值为4个。
6. 如权利要求5所述的基于磁梯度张量和地磁矢量的运动式定位方法，其特征在于， 所述步骤（S5)的计算过程为， 阵列坐标系下磁梯度张量：
其中，d表不阵列中心到磁传感器距尚，Gxy, Gyy, Gzy, Gxz, Gyz, Gzz, Gxx, Gyx, Gzx表不阵列坐标 系下的磁梯度张量的 9 个元素；(Bxl，Byl，Bzl)，（Bx2, By2, Bz2)，（Bx3, By3, Bz3)，（Bx4, By4, BJ 分别 为4个磁传感器的测量值。 磁异常分量和地磁场矢量值的叠加值（Bx，By，Bz)在阵列坐标系下表示为：
阵列坐标系下的磁异常分量值（Cx，Cy，Cz)为：
其中，HxQ，HyQ，Hztl表示阵列坐标系下的地磁场分量值。
7. 如权利要求6所述的基于磁梯度张量和地磁矢量的运动式定位方法，其特征在于， 所述步骤（S6)的计算过程为：
其中，Lx, Ly, Lz表不阵列坐标系下的磁目标位直，Gxy, Gyy, Gzy, Gxz, Gyz, Gzz, Gxx, Gyx, 62!￡表 示阵列坐标系下的磁梯度张量的9个元素；Cx，Cy，Cz表示磁异常分量值。
8. 如权利要求1所述的基于磁梯度张量和地磁矢量的运动式定位方法，其特征在于， 所述磁传感器为磁通门传感器或三轴磁传感器。
【专利摘要】本发明属于磁测量技术领域，具体涉及一种基于磁梯度张量和地磁矢量测量的运动式定位方法。包括以下步骤：(S1)设置磁传感器阵列和惯导系统；(S2)在无磁异常区域，获取磁传感器测量值，计算地理坐标系下的地磁矢量值；(S3)无磁运动装置移动在磁目标区域，获取磁传感器测量值和惯导系统输出的姿态角；(S4)计算阵列坐标系下的地磁场分量值；(S5)计算阵列坐标系下的磁梯度张量和磁异常分量；(S6)根据阵列坐标系下的磁梯度张量和磁异常分量，计算出在阵列坐标系下的磁目标位置。本发明可实现运动式实时定位，克服了静态定位中要求阵列不动的要求，通过姿态换算后，更能正确获取地磁场在磁传感器坐标系的投影。
【IPC分类】G01C21-08
【公开号】CN104535062
【申请号】CN201510027060
【发明人】庞鸿锋, 朱学军, 万成彪, 张琦, 潘孟春, 陈棣湘, 罗诗途, 李季, 胡佳飞, 何赟泽
【申请人】中国人民解放军国防科学技术大学
【公开日】2015年4月22日
【申请日】2015年1月20日