101和A/D转换电路107连接，前者是控制D/A转 换电路101产生驱动信号，后者是通过A/D转换电路107接收测量得到的通过圆线圈反馈 电流；
[0111] D/A转换电路101，将数据处理及控制单元100输出的数字信号转换为模拟信号， 并作为驱动信号给驱动电路102 ;
[0112] 驱动电路102,主要由幅度放大、功率放大电路组成，将驱动信号进行放大处理，在 保护电路103的作用下驱动圆线圈104产生低频变化的磁场；
[0113] 保护电路103,由过压保护电路和过流保护电路构成，起静电保护和防止芯片以及 圆线圈104损坏的作用；
[0114] 圆线圈104,如图2所示，是能够形成圆度、间距比较统一的磁场线圈，并按照一定 拓扑结构固定在室内，由驱动电路102经保护电路103后提供电流，产生低频变化的磁场， 优选地，将待测空间平面分成多个矩形面，在这些矩形面的四个顶点分别放置圆线圈104， 且圆线圈104平行于同一水平面；
[0115] 电流检测电路105,主要由分流电阻器和电流检测放大器组成，目的是将通过圆线 圈104的电流值大小反馈给数据处理及控制单元100 ;
[0116] 滤波放大电路106,主要由仪表放大器和自动增益控制电路组成，将电流检测电路 105得到的电流值进行滤波及放大；
[0117] A/D转换电路107,负责将滤波放大后的模拟信号转换为供数据处理及控制单元 100处理的数字信号；
[0118] 三轴磁力计109,用于测量传感器坐标系中三个正交的轴向磁场大小，可以是独立 的测量设备，也可集成在移动终端设备中；
[0119] 上位机108，主要是PC机或移动终端设备，通过串口或者USB与数据处理及控制单 元100和三轴磁力计109分别相连，上位机利用三轴磁力计109的输出数据进行位置和姿 态的求解并将求解结果显示在上位机108的交互式图形界面上。
[0120] 本发明所述的数据处理和控制单元100工作时，首先由上位机108通过串口或者 USB将初始的驱动数字信号和电流反馈算法程序下载到FLASH中，供DSP读取，然后通过D/ A转换电路101将数字信号转换为模拟信号给驱动电路102,在保护电路103的作用下驱动 圆线圈104产生低频变化的磁场，且通过圆线圈104的电流经过电流检测电路105及滤波 放大电路106和A/D转换电路107后，将测量得到的模拟信号转换为数字信号给数据处理 和控制单元100,构成电流控制的反馈回路，而空间中的三轴磁力计109则将测量得到的信 号传给上位机108进行位置和姿态的解算。
[0121] 本发明的一种圆线圈磁场的定位方法，包括下列步骤：
[0122] (1)在空间设定三维坐标系的原点（0,0,0)，建立空间直角坐标系，测量每个圆线 圈104相对原点的空间三维坐标，并将原点与每个圆线圈104的三维坐标输入上位机，优选 地，空间直角坐标系的X轴与y轴构成的平面平行于水平面；
[0123] (2)基于码分多址（CDM)的通信结构，伪随机码选择组合码中的金码，给每个圆 线圈分配不同的金码并设定相同的码宽T。，N个圆线圈需要约#个不同的金码，设定金 码周期为从> VW的M个码片，并将每个圆线圈分配得到的金码和码宽信息输入上位机， N个圆线圈中，第i (i = 1，2, 3,…，Ν)个圆线圈在空间直角坐标系的位置记为（Xi, y;，Zi)， 分配得到的金码记为Ci= [Ci(I) CiO CiO…Ci(M)]'其中CiU) = ±l(j = 1, 2, 3,... ,M)；
[0124] (3)金码中的"1"代表电流大小为I的正向电流，"-1"代表电流大小为I的负向电 流，由上位机将分配给每个圆线圈的金码及电流反馈控制程序传给数据处理及控制单元， 再由数据处理及控制单元控制D/A转换电路，同时生成驱动信号给每一个驱动电路，最后 经过保护电路后周期性地驱动圆线圈，每个圆线圈就在空间中同时产生低频（OHz-IOOkHz) 变化的磁场，电流检测电路将通过圆线圈的电流信号经过滤波放大电路放大后，再通过A/D 转换电路将模拟信号转换为数字信号给数据处理及控制单元，利用电流反馈控制算法以提 高流过圆线圈电流大小的精度；
[0125] (4)三轴磁力计在待测空间目标位置测量传感器坐标系中三个正交的轴向磁场大 小，并将数据传给上位机进行位置和姿态的解算，最后将求解的位置和姿态信息在上位机 上显示出来；
[0126] 图3示出位置和姿态求解算法的整体流程图，位置和姿态求解算法的具体实现步 骤如下：
[0127] (1)用矩阵表示待测目标的位置和姿态参数；
[0128] 待测目标的位置信息由相对空间三维坐标原点（0, 0, 0)的位置（X，y，z)描述，图 4示出了待测目标的坐标系OXsYsZs与空间三维坐标系OXYZ的方位坐标关系，坐标系OX JqZq 以空间三维坐标系OXYZ为基准，绕Z。轴旋α角得到坐标系OX AZ。，坐标系OX1Y1Zid再绕X 1 轴转β角得到坐标系OX1YsZ1，最后坐标系(《，石绕Ys轴旋转γ角得到待测目标的坐标系 OXsYsZs，待测目标的姿态信息就由方位角α，横滚角β，俯仰角γ描述，姿态角可由姿态矩 阵T表示，T为正交矩阵；
[0129]
[0130] (2)图5示出了利用毕奥萨伐尔定律构建圆线圈产生磁场的磁偶极子模型，圆线 圈的半径为R，圈数为η，面积为s = π R2,流过圆线圈的电流大小为I，则位于空间直角坐 标系中的待测点P (X，y, ζ)用球坐标表示为6?,史)，磁通量B为
[0131]
{2:)
[0132] 式⑵中，μ。= 4 π X 10 7H/m，为真空的磁导率，与Θ ^分别为点P在球坐标系 中r方向上与Θ方向上的单位矢量，记第i个圆线圈在P点沿着某一方向V产生的磁通量 大小为B lv;
[0133] (3)在一个完整的金码周期内，空间坐标系中N个圆线圈在P点沿着V方向产生的 磁通量序列测量值记为：
[0134]
(3)
[0135] 式（3)中，1\为P点沿着V方向的磁通量偏差（包括地磁场在P点沿着V方向的 磁通量大小），M v是MX 1的矩阵，写成矩阵表达式为
[0136] Mv=AXv (4)
[0137] A 为 MX (N+1)的矩阵，XvS (N+l) X 1 的矩阵，即
[0138]
[0139] 记Mv est为P点沿着V方向的测量值，利用金码具有的优良自相关和互相关性能 (相同金码序列之间具有良好的相关性，不同金码序列之间基本不相关），通过最小二乘 法，即可识别出P点的磁场是哪些圆线圈产生的磁场叠加产生的，具体计算公式为：
[0140] Xv_est= (AtA) 1A1Mvest (6)
[0141] 通过式（6)计算的结果为 Xv f3st= [B lv est B2v f3st B3v f3st …bV f；st]T，其中 Blv f3st的值 越大，则说明第i个线圈距离P点越近；
[0142] (4)通过式（6)找出所有可能位于P点周围的圆线圈，定义测量值和计算值之间的 偏差D vS
[0143]
(7)
[0144] 并定义品质因数Q为
[0145]
(8)
[0146] 式⑶中std (Dv)与std (Mv J分别为M ,_^的标准差，品质因数的大小直接 与P点周围最近的3-8个圆线圈的距离相关，Q值越大则说明所选择的圆线圈离P点越近， 反之则越远；
[0147] (5)在首次进行解算或者在上位机计算能力足够的情况下，首先利用式（6)找出P 点周围的圆线圈，再通过穷举的方式依次选择其中的3-8个圆线圈通过式（8)找出Q值最 大的圆线圈组合进行之后的解算；
[0148] (6)解算前需要判别P点是否受到电磁感应的干扰，P点在空间坐标系中受到电磁 感应干扰时沿着V方向产生的磁通量序列测量值记为
[0149]
(9)
[0150] 式（9)中，
是根据C1中的码片变化 而产生序列，具体规则定义为，Cl(j)到(^(」+1)为"-1"到"+1"时，中的Ae丨(/+1)为 "+l"，Cl(j)到(：山_+1)为"+1"到"-1"时，Δγ,:(./ + 1)为"-l"，Cl(j)到(：山_+1)保持不变时， 知心+ 1)为"0"；
[0151]
是根据Δ?^1中的码片变化而产生序 列，具体规则定义为，到Ac^ + l)为"-1"到"+1"或"-1"到"0"时，ACf中的Δ?2(./ + ]) 为 "-1"，Δ<^·)到 Δ?^· + 1)为 "+1" 到 "-1" 或 "1" 到 "0" 时，Δ?2〇· + 1)为 "+1"，￥(/)到 +1)保持不变或为 " 0 " 到 "+1" 或 " 0 " 到 " -1" 时，Δ?2 G +1)为 " 0 " ；