一种基于三角函数拟合的旋转磁场定位方法与流程

本发明涉及导航定位技术领域，特别涉及一种基于三角函数拟合的旋转磁场定位方法。

背景技术：

导航定位技术是一门多学科交叉的工程应用技术，在军用以及民用领域都有着相关广泛的应用前景，近年来，导航定位服务已经成为了人们日常生活、工作中不可或缺的部分，为社会经济的发展做出了巨大的贡献。

现有技术中，室外环境下的定位精度已经基本能够满足日常生活需求，然而，在诸如地下、室内、工厂等环境中，由于地形多变、存在多种干扰等原因，卫星导航定位的精度较低，甚至无法完成定位。室内导航定位方法主要分为三类，分别是基于无线信号的交汇技术、基于数据库的匹配技术和惯性导航技术。基于无线信号的交汇技术，当环境中存在障碍物时，信号会产生较大衰减，进而导致定位精度下降；基于数据库的匹配技术，由于场测量数据极易被环境噪声干扰，因此成本较高，并且只能作为辅助导航手段；惯性导航技术利用递推计算来进行导航定位，误差会随着时间积累，因此对于需要长时间提供导航定位服务的场合，惯性导航不能够满足要求。

随着磁场测量技术的不断进步，磁导航定位技术正迅速发展。目前，磁信标导航定位的算法按照目标位置解算方法来分类，主要可以分为三种：磁场强度法、梯度张量法和特征矢量法。磁场强度法的缺点是，对传感器测得的磁感应强度数据太过依赖，导致算法的抗干扰能力弱，因此不适合在电磁较为复杂的区域。梯度张量法的缺点在于为了测量磁梯度张量，至少需要将八个三轴磁通门传感器组成测量阵列，因此对测量装置的要求较高。

目前还尚未有关于特征矢量法的定位方法介绍。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明旨在提出一种基于三角函数拟合的旋转磁场定位方法，以有效降低复杂环境下障碍物对定位的影响，同时抑制噪声，提供精确定位服务。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于三角函数拟合的旋转磁场定位方法，包括：设置磁信标，使所述磁信标产生满足预设分布函数的旋转磁场；获取待测目标位置的总磁场强度h0’(t)；采用三角函数拟合法对所述目标位置的总磁场强度h0’(t)进行去噪处理，得到所述目标位置处由所述磁信标引发的正弦磁场的强度h’(t)；根据所述正弦磁场的强度h’(t)确定所述旋转磁场的旋转面的特征矢量hcs；根据所述旋转磁场的预设分布函数和所述正弦磁场的强度h’(t)确定所述目标位置到所述磁信标中心的距离r，根据所述特征矢量hcs确定所述目标位置相对于所述磁信标中心的方位角θ0和俯仰角

进一步的，所述磁信标包括两个相互正交且线圈匝数和直径相同的螺线管；所述设置磁信标，使所述磁信标产生满足预设分布函数的旋转磁场包括：向两个所述螺线管中分别通入的电流为相位差为π/2的正弦电流。

进一步的，所述获取待测目标位置的总磁场强度h0’(t)包括：获取所述待测目标位置在目标位置坐标系下的磁场强度hraw，获取所述目标位置坐标系相对于磁信标坐标系的姿态旋转矩阵r；通过所述待测目标位置在所述目标位置坐标系下的磁场强度hraw和所述姿态旋转矩阵r确定所述待测目标位置在所述磁信标坐标系下的总磁场强度h0’(t)。

进一步的，过磁通门传感器获取所述待测目标位置在目标位置坐标系下的磁场强度hraw，通过惯性传感器获取所述姿态旋转矩阵r。

进一步的，所述采用三角函数拟合法对所述目标位置的总磁场强度h0’(t)进行去噪处理包括：建立与所述正弦磁场的强度h’(t)的正弦信号相同频率的参考信号；获取所述正弦信号与所述参考信号的互关联参数，根据所述互关联参数确定所述正弦信号的幅值a和相位根据所述正弦信号的幅值a和相位确定所述正弦磁场的强度h’(t)。

进一步的，所述根据所述正弦磁场的强度h’(t)确定所述旋转磁场的旋转面的特征矢量hcs包括：获取所述正弦磁场的强度h’(t)在任意时刻t1和t2下的磁场强度h1’(t)和h2’(t)，根据所述磁场强度h1’(t)和h2’(t)确定所述特征矢量hcs。

进一步的，所述根据所述旋转磁场的预设分布函数和所述正弦磁场的强度h’(t)确定所述目标位置到所述磁信标中心的距离r包括：根据所述预设分布函数和所述正弦磁场的强度h’(t)确定磁场方程，根据所述磁场方程确定所述目标位置到所述磁信标中心的距离r。

进一步的，根据所述特征矢量hcs确定所述目标位置相对于所述磁信标中心的俯仰角包括：确定特征方向角α，所述特征方向角α为所述特征矢量hcs与z轴方向的夹角，所述俯仰角由所述特征方向角α确定。

进一步的，所述特征方向角α和所述俯仰角之间满足：

进一步的，所述方位角θ0满足：其中，所述hcsy和所述hcsx分别为所述特征矢量hcs在y轴和x轴的分量。

相对于现有技术，本发明所述的一种基于三角函数拟合的旋转磁场定位方法具有以下优势：

(1)本发明所述的一种基于三角函数拟合的旋转磁场定位方法，工作原理简单，抗干扰能力强，定位误差不随时间累积，且有较强的穿透能力，能够适应多种复杂工作环境，提供精确的定位服务。

(2)本发明所述的一种基于三角函数拟合的旋转磁场定位方法，相较于传统定位方法而言，旋转磁场定位具有以下优势：旋转磁场的频率较低(1hz～100hz)，在复杂环境下受障碍物的影响较小；利用一个旋转周期内，磁场旋转面的特征矢量方向不变的特点进行定位解算，容易抑制噪声，定位的精度和稳定性较好，并且不会有累积误差。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明所述的定位方法流程图；

图2为本发明所述的静态磁偶极子模型图；

图3为本发明所述的椭圆旋转磁场示意图；

图4为本发明所述的定位方法示意图；

图5为本发明所述的定位方法的具体流程方框图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

另外，本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域人员的公知技术。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明的基于三角函数拟合的旋转磁场定位方法，如图1所示，包括如下步骤：

第一步，设置磁信标，使磁信标产生满足预设分布函数的旋转磁场。

所述满足预设分布函数的旋转磁场可以是具有磁场矢量周期变化特征的磁场。

所述旋转磁场可以由任意构成方式的磁信标信号源生成，本发明对此不做限制。例如，所述磁信标可以包括两个正交的螺线管，两个螺线管通以时变电流后产生的磁场相互叠加，构成所述的旋转磁场，本发明以两个正交的螺线管为例进行后续说明。

具体的，在空间中的已知位置安装磁信标，以磁信标中心为原点建立磁信标坐标系，在磁信标坐标系下，待测目标位置的坐标为(r，θ0)，磁信标中心与待测目标位置(r，θ0)的距离为r。

在本说明书中，磁信标包括两个正交的螺线管，且两个螺线管的线圈直径和匝数相同。单个螺线管产生的磁场分布模型可以用如图2所示的静态磁偶极子模型等效，磁场方向满足右手定则，区别在于静态磁偶极子模型由单个通电线圈产生，而螺线管模型可视为l/d个通电线圈叠加的结果(其中，l为螺线管长度，d为螺线管直径)；现实情况下由于理想磁偶极子并不存在，常使用通电螺线管来模拟磁偶极子的磁场模型，在本发明中，使用静态磁偶极子模型来等效螺线管的磁场分布模型。

在空间中的已知位置安装磁信标后，向两根螺线管中分别通入相位相差90°(即π/2)的正弦电流，正弦电流的频率为f，两根螺线管形成的磁场等效为静态磁偶极子的磁场；两个静态磁偶极子的磁场合成，在空间中产生如图3所示的椭圆旋转磁场，即为磁信标产生的旋转磁场。磁信标产生的旋转磁场满足预设分布函数，例如，预设分布函数满足如下文所述的条件。要说明的是，通入相位相差90°(即π/2)的正弦电流仅仅是其中一种简单易行的具体实现形式，所述两根螺线管也可以通以其它形式的时变电流，只需要二者产生的时变磁场复合叠加后能够得到所述满足预设分布函数即可。

设mc与ms为两根通电螺线管的磁矩，两根螺线管在距离磁信标中心r处的任意点p(ur,vr,wr)产生的磁场分别为hc和hs，根据磁场公式有：

其中，u、v和w分别为磁场中任意点p的xyz三轴坐标参数相对于r的系数，i，j，k分别为x，y，z轴的方向向量，根据磁场椭圆极化原理将hc和hs合成得到预设分布函数，即磁信标产生的磁场强度h为：

hmin＝m/4πr³

其中，m为总磁矩，hmin指磁信标产生的磁场强度h的最小取值，hmax需要根据实际椭圆旋转磁场的参数予以确认。结合图4所示，总磁矩m可以分解为在x轴上的分量mc和在y轴的分量ms，除图4所示的分量mc设置在x轴上以及分量ms设置在y轴上外，还可将mc和ms设置在xyz轴中不同的两轴上，本说明书以分量mc设置在x轴上以及分量ms设置在y轴上为例进行说明，不对本发明的保护范围构成限制。

第二步，获取待测目标位置的总磁场强度h0’(t)。

具体的，结合图5所示，通过磁通门传感器在待测目标位置处获取的磁场强度为hraw，hraw为待测目标位置在目标位置坐标系下的磁场强度；磁通门传感器的采样频率满足香农采样定理，即为了不失真地恢复模拟信号，采样频率应该不小于模拟信号频谱中最高频率的2倍。

通过惯性传感器测得的目标位置坐标系相对磁信标坐标系的姿态旋转矩阵r，经过坐标转换得到磁信标坐标系下待测目标位置的总磁场强度h0’(t)为h0’(t)＝r·hraw。其中，惯性传感器包括加速度计(或加速度传感计)和角速度传感器(陀螺)以及它们的单、双、三轴组合imu(惯性测量单元)，ahrs(包括磁传感器的姿态参考系统)。mems加速度计是利用传感质量的惯性力测量的传感器，通常由标准质量块(传感元件)和检测电路组成。imu主要由三个mems加速度传感器及三个陀螺和解算电路组成。

第三步，采用三角函数拟合法对目标位置的总磁场强度h0’(t)进行去噪处理，得到目标位置处由所述磁信标引发的正弦磁场的强度h’(t)。

具体的，在空间中除了磁信标产生的正弦磁场外，还包括地磁场和涡流磁场等干扰磁场，干扰磁场会形成噪音干扰，在第二步中总磁场强度h0’(t)掺杂有噪音干扰，即磁信标坐标系下待测目标位置的总磁场强度h0’(t)并不是完全由磁信标产生的正弦信号，因此需要进行信号辨识来重构正弦信号，得到目标位置处由磁信标引发的正弦磁场的强度h，(t)。

本发明采用三角函数拟合法对含有噪音干扰的信号进行去噪处理，三角函数拟合法以信号相关原理为基础，利用和待检测信号同频率的参考信号完成对测量信号的分析处理，具体是确认三角函数信号的四参数，四参数分别为幅值a、频率ω、相位和偏移量c；其中，在本发明的方法中，频率ω已知，同时偏移量c为0，因此只需要确认三角函数的幅值a和相位即可。

三角函数拟合法对目标位置的总磁场强度h0’(t)进行去噪处理的具体方法如下：设测量信号为：其中s(t)为待检测信号，n(t)为噪声信号，a和分别为待测信号s(t)的幅值和相位，x(t)对应磁信标坐标系下待测目标位置的总磁场强度h0’(t)，s(t)对应目标位置处由磁信标引发的正弦磁场的强度h’(t)，三角函数拟合法的目的在于确定待检测信号s(t)的正弦参数从而确定s(t)，即能确定目标位置处由磁信标引发的正弦磁场的强度h’(t)。

设两个与待检测信号同频率的参考信号分别为：y(t)＝sin(ωt)，y’(t)＝cos(ωt)，根据信号相关原理，噪音信号n(t)与参考信号的互关联参数为0；同时对于待检测信号s(t)，在一个信号周期t内的n个采样点有：

其中，rsy和rsy’为待检测信号s(t)分别与参考信号y(t)＝sin(ωt)和y’(t)＝cos(ωt)的互关联参数，从而待检测信号s(t)的正弦参数为：待检测信号s(t)的幅值a和相位予以确定，从而能够重构出正弦信号。利用三角函数拟合法对磁信标坐标系下的总磁场强度h0’(t)进行去噪处理，可以得到正弦磁场的强度h’(t)：

其中，h’x，h’y，h’z为正弦磁场的强度h’(t)的三轴分量，ax，ay，az为正弦磁场的强度h’(t)的幅值a的三轴分量，ω为正弦磁场的强度h’(t)的频率，为正弦磁场的强度h’(t)的相位的三轴分量，ax、ay、az、bx、by、bz分别为对应角标ax，ay，az展开的幅值分量。

第四步，根据正弦磁场的强度h’(t)确定旋转磁场的旋转面的特征矢量hcs。

具体的，组成磁信标的两根螺线管产生的磁场分别为hc和hs，将hc和hs叉乘得到旋转磁场的旋转面的特征矢量hcs，即hcs＝hc×hs，而两根螺线管产生的磁场分别为hc和hs在第一步中已经确定，分别为：

从而得到旋转磁场的旋转面的特征矢量hcs为

将hcs由空间直角坐标系(x，y，z)按照极坐标和直角坐标的转换公式转换至极坐标系(r，θ0)，有:

同样，可以取第三步中经过三角函数拟合法得到的正弦磁场的强度h’(t)在任意t1和t2时刻的三轴磁场数据，t1和t2时刻的三轴磁场分别记为h’1＝(h’1x，h’1y，h’1z)，h’2＝(h’2x，h’2y，h’2z)，将两个时刻的磁场矢量h’1和h’2叉乘，同样能够得到上述特征矢量hcs的具体结果，即

第五步，根据旋转磁场的预设分布函数和正弦磁场的强度h’(t)确定所述目标位置到所述磁信标中心的距离r，根据特征矢量hcs确定目标位置相对于磁信标中心的方位角θ0和俯仰角

通过磁场矢量h和h′的总磁场强度相同，建立磁场方程：

通过磁场方程得到目标位置相对磁信标中心的距离为其中ab＝axbx+ayby+azbz，ax、ay、az、bx、by、bz在第三步中已经说明具体含义；

除了确定目标位置相对磁信标中心的距离r，还需要确定目标位置相对于磁信标中心的方位角θ0和俯仰角才能确定目标位置(r，θ0)。

通过特征矢量hcs获得方位角θ0和俯仰角结合图4所示，相对方位角θ0为hcs在z＝0平面上的投影与x轴所成的角度，可得

俯仰角为op和z轴所成的角度。定义磁偶极子的特征磁场hcs与z轴方向的夹角为特征方向角α，有据此能够求得相对俯仰角为：

由于磁信标的位置坐标已知，从而能够直接确定目标位置相对磁信标的(r，θ0)。

按照极坐标和直角坐标的转换公式将目标位置相对磁信标的极坐标(r，θ0)转换到直角坐标系，得到目标位置(x0，y0，z0)，输出目标位置(x0，y0，z0)，实现目标位置的定位。

本发明是一种基于旋转磁场的无时间累积的定位定向方法，利用磁信标装置在空间中产生周期旋转磁场，通过测量目标位置的磁场特征量，实现目标定位。现有的磁信标导航定位算法按照目标位置解算方法来分类，主要分为三种：磁场强度法、梯度张量法和特征矢量法。

其中，磁场强度法主要是基于毕奥-萨伐尔定律，利用测得的三轴磁感应强度与位置组成约束方程，进而解算出目标位置的三个未知数。该算法的优点是简单易实现，然而，该方法的缺点是，对传感器测得的磁感应强度数据太过依赖，导致算法的抗干扰能力弱，因此不适合在电磁较为复杂的区域。

梯度张量法的基本假设是，目标点的磁场梯度可用差分方程来近似，通过建立目标位置磁感应强度矢量与其雅各比矩阵之间的关系，可以快速解算出目标位置。梯度张量法的缺点在于为了测量磁梯度张量，至少需要将八个三轴磁通门传感器组成测量阵列，因此对测量装置的要求较高。

特征矢量法主要是基于旋转磁场在空间中的特征矢量一致性，通过向正交螺线管中通入相位相差90°的电流，在空间中任一点产生的磁场矢量会周期旋转，形成椭圆旋转面，利用该旋转面法向量不随时间变化的特点，便能够建立该特征矢量与目标方位的关系，实现位置解算。本发明以上述的特征矢量法作为磁信标导航定位算法来介绍本发明的基于三角函数拟合的旋转磁场定位方法。

采用本发明的基于三角函数拟合的旋转磁场定位方法，相较于传统定位方法而言，旋转磁场定位具有以下优势：旋转磁场的频率较低(1hz～100hz)，因此信号具有较强的穿透能力，在复杂环境下受障碍物的影响较小；利用一个旋转周期内，磁场旋转面的特征矢量方向不变的特点进行定位解算，容易抑制噪声，定位的精度和稳定性较好，并且不会有累积误差。本发明的定位方法工作原理简单，抗干扰能力强，定位误差不随时间累积，且有较强的穿透能力，能够适应多种复杂工作环境，提供精确的定位服务。

以下通过具体实施例来详细展示本发明的具体流程。

实施例1

本实施例提供一种基于三角函数拟合的旋转磁场定位方法，在磁信标和目标之间未布置障碍物，将依照本发明的基于三角函数拟合的旋转磁场定位方法实现的定位结果与根据磁场强度定位方法实现的定位结果相比较。向磁信标通入频率为20hz，幅值为4a的正弦电流，磁信标在整个坐标系中的初始位置(px，py，pz)＝(0,0,0)，目标所在位置分别为(4,4,4)，(5,5,5)，(6,6,6)。从待定位目标所安装的磁力计上以1000hz的采样频率采样，按照上述方法步骤进行计算，则可得到定位结果如下表1所示，在无障碍物存在的情况下，本方法相较于磁感应强度定位法已有较高精度。

表1无衰减时定位结果

实施例2

本实施例与上述实施例的区别在于，在磁信标和目标之间布置衰减系数为0.9的障碍物，将依照本发明的基于三角函数拟合的旋转磁场定位方法实现的定位结果与根据磁场强度定位方法实现的定位结果相比较。向磁信标通入频率为20hz，幅值为4a的正弦电流，磁信标在整个坐标系中的初始位置(px，py，pz)＝(0,0,0)，目标所在位置分别为(4,4,4)，(5,5,5)，(6,6,6)。从待定位目标所安装的磁力计上以1000hz的采样频率采样，按照上述方法步骤进行计算，则可得到定位结果如下表2所示，相对于利用磁感应强度定位的方法，本方法能够在有障碍物遮挡的环境中保持较高的定位精度。

表2衰减率为0.9时定位结果

实施例3

本实施例与上述实施例的区别在于，在磁信标和目标之间布置衰减系数为0.95的障碍物，将依照本发明的基于三角函数拟合的旋转磁场定位方法实现的定位结果与根据磁场强度定位方法实现的定位结果相比较。向磁信标通入频率为20hz，幅值为4a的正弦电流，磁信标在整个坐标系中的初始位置(px，py，pz)＝(0,0,0)，目标所在位置分别为(4,4,4)，(5,5,5)，(6,6,6)。从待定位目标所安装的磁力计上以1000hz的采样频率采样，按照上述方法步骤进行计算，则可得到定位结果如下表3所示，相对于利用磁感应强度定位的方法，本方法能够在有障碍物遮挡的环境中保持较高的定位精度。

表3衰减率为0.95时定位结果

本发明提供了一种在复杂条件下，能够实现精确定位的方法，在室内定位或地下施工工程中，通过在环境中布置磁信标，利用载体携带的磁通门传感器采集磁场信号，通过三角函数拟合技术对磁场信号进行辨识，并利用旋转磁场特征矢量不变的特点，有效降低复杂环境下障碍物对定位的影响，同时抑制噪声，对载体进行精确定位。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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。