一种基于组网测距三角形辅助的地磁定位方法及系统与流程

1.本发明涉及地磁匹配技术领域，尤其涉及一种基于组网测距三角形辅助的地磁定位方法及系统。


背景技术：

2.目前主流的导航方法有惯性导航、卫星导航、天文导航、景像匹配导航、地磁导航、组合导航等。其中惯性导航自主性强,但其导航精度主要取决于陀螺的精度,其位置与速度误差会随时间积累而增大,而且单纯地依靠提高惯性仪表精度来提高导航精度是较为困难的。天文导航、景像匹配导航、卫星导航和地磁导航的优点为测量是离散的、误差不积累,但天文测量受到天体能见度的限制；景像匹配在地面信息内容(图像信息或地形信息)不丰富或根本无地面信息可利用的地区,无法通过景像匹配实现精确制导；卫星导航由于卫星信号易于受到遮挡和电磁干扰,其应用也受到限制；而地磁场具有全天时、全天候和全地域存在的特点，且是自主的、无长期积累误差且具有较强抗干扰能力的导航定位技术，同时,高精度低成本弱磁测量仪器(磁通门传感器、磁阻传感器)的出现,也为采用地磁匹配来实现导航提供了硬件基础。
3.现有技术使用惯性导航信息得到指示三角形，由惯性导航系统位置的估计误差来确定搜索范围，根据相似性准则选择最佳三角形。该方法存在较长延时，且误差随时间增加的问题。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于组网测距三角形辅助的地磁定位方法及系统，对移动物体组网群两两进行测距，得到匹配三角形辅助地磁定位，提高算法实时性，误差不会随时间增加。
5.为达到上述目的，本发明提供了一种基于组网测距三角形辅助的地磁定位方法，包括：
6.三个组网移动物体a1，b1，c1的地磁参数以及两两之间的距离；
7.基于地磁参数获取三个移动物体a1，b1，c1的待匹配区域；基于两两之间的距离得到指示三角形δabc；
8.由a1，b1，c1的待匹配区域分别选取顶点，形成多个待匹配三角形，计算各个待匹配三角形与指示三角形的最大覆盖面积；
9.基于各个待匹配三角形中与指示三角形的最大覆盖面积，选择匹配度最高的待匹配三角形作为最佳匹配三角形；
10.最佳匹配三角形各个顶点的位置作为三个移动物体的位置。
11.进一步地，每个移动物体配置磁感应器检测地磁参数，配置激光雷达进行两两测距。
12.进一步地，基于地磁参数获取三个移动物体a1，b1，c1的待匹配区域，包括：利用地
磁场模值搜索数据库中所述地磁参数对应的等值线，基于测量误差选取所述等值线的一段为待匹配区域。
13.进一步地，形成的待匹配三角形满足以下约束条件：
[0014][0015]
其中a
1i
、b
1i
、c
1i
为第i组三个移动物体a1，b1，c1的待匹配区满足约束条件的点，a
1i
b
1i
,b
1i
c
1i
,c
1i
a
1i
的边长分别为a
1i
b
1i
c
1i
构成一个待匹配三角形，r代表搜索范围。
[0016]
进一步地，计算各个待匹配三角形与指示三角形的最大覆盖面积，包括：
[0017]
(1)将指示三角形δabc和待匹配三角形δa
1i
b
1i
c
1i
置于一个直角坐标系中；将指示三角形δabc各顶点坐标为：
[0018]
a(0,0),b(cos∠a
·
l
ab
,sin∠a
·
l
ab
),c(l
ac
,0)；
[0019]
其中
[0020]
待匹配三角形δa
1i
b
1i
c
1i
各顶点坐标为：
[0021][0022]
其中
[0023]
(2)计算δabc的质心计算δa
1i
b
1i
c
1i
的质心
[0024]
(3)对待匹配三角形δa
1i
b
1i
c
1i
平移(t
x
,t
y
)，满足使其与δabc的质心重合，得到新的三角形δ
′
a
1i
b
1i
c
1i
；
[0025]
(4)对δ
′
a
1i
b
1i
c
1i
进行旋转得到的三角形与δabc覆盖面积最大，通过最优问题求解覆盖面积最大对应的旋转角度θ；
[0026]
(5)计算旋转角度θ对应的覆盖面积作为待匹配三角形与指示三角形的最大覆盖面积。
[0027]
进一步地，选择匹配度最高的待匹配三角形作为最佳匹配三角形，包括：
[0028]
(1)计算各个待匹配三角形面积s
i匹配
以及指示三角形面积s
指示
；
[0029]
[0030][0031]
其中分别为a
1i
b
1i
,b
1i
c
1i
,c
1i
a
1i
的边长，l
ab
,l
bc
,l
ac
分别为ab、bc、ac三条边长；
[0032]
(2)查找各个待匹配三角形面积s
i匹配
与指示三角形面积s
指示
中的较大值作为s
imax
；
[0033]
(3)计算第i个待匹配三角形与指示三角形的匹配度：
[0034][0035]
s
i覆盖
为第i个待匹配三角形与指示三角形的最大覆盖面积。
[0036]
(4)选择匹配度最高的待匹配三角形作为最佳匹配三角形。
[0037]
第二方面提供一种基于组网测距三角形辅助的地磁定位系统，包括：
[0038]
获取模块，获取三个组网移动物体a1，b1，c1的地磁参数以及两两之间的距离；
[0039]
待匹配区域生成模块，基于地磁参数获取三个移动物体a1，b1，c1的待匹配区域；
[0040]
指示三角生成模块，基于两两之间的距离得到指示三角形δabc；
[0041]
最大覆盖面积计算模块，由a1，b1，c1的待匹配区域分别选取顶点，形成多个待匹配三角形，计算各个待匹配三角形与指示三角形的最大覆盖面积；
[0042]
最佳匹配三角形选择模块，基于各个待匹配三角形中与指示三角形的最大覆盖面积，选择匹配度最高的待匹配三角形作为最佳匹配三角形；
[0043]
位置输出模块，将最佳匹配三角形各个顶点的位置作为三个移动物体的位置。
[0044]
进一步地，所述获取模块获取各个移动物体配置磁感应器检测地磁参数以及配置的激光雷达进行两两测距的距离；
[0045]
进一步地，所述待匹配区域生成模块，利用地磁场模值搜索数据库中所述地磁参数对应的等值线，基于测量误差选取所述等值线的一段为待匹配区域。
[0046]
进一步地，最大覆盖面积计算模块，形成的待匹配三角形满足以下约束条件：
[0047][0048]
其中a
1i
、b
1i
、c
1i
为第i组三个移动物体a1，b1，c1的待匹配区满足约束条件的点，a
1i
b
1i
,b
1i
c
1i
,c
1i
a
1i
的边长分别为δa
1i
b
1i
c
1i
构成一个待匹配三角形，r代表搜索范围；
[0049]
进一步地，最大覆盖面积计算模块，包括：
[0050]
坐标生成单元，将指示三角形δabc和待匹配三角形δa
1i
b
1i
c
1i
置于一个直角坐标系中；将指示三角形δabc各顶点坐标为：
[0051]
a(0,0),b(cos∠a
·
l
ab
,sin∠a
·
l
ab
),c(l
ac
,0)；
[0052]
其中
[0053]
待匹配三角形δa
1i
b
1i
c
1i
各顶点坐标为：
[0054][0055]
其中
[0056]
计算δabc的质心计算δa
1i
b
1i
c
1i
的质心
[0057]
平移单元，对待匹配三角形δa
1i
b
1i
c
1i
平移(t
x
,t
y
)，满足使其与δabc的质心重合，得到新的三角形δ
′
a
1i
b
1i
c
1i
；
[0058]
旋转单元，对δ
′
a
1i
b
1i
c
1i
进行旋转得到的三角形与δabc覆盖面积最大，通过最优问题求解覆盖面积最大对应的旋转角度θ；
[0059]
输出单元，计算旋转角度θ对应的覆盖面积作为待匹配三角形与指示三角形的最大覆盖面积。
[0060]
进一步地，最佳匹配三角形选择模块，包括：
[0061]
面积计算单元，计算各个待匹配三角形面积s
i匹配
以及指示三角形面积s
指示
；
[0062][0063][0064]
其中分别为a
1i
b
1i
,b
1i
c
1i
,c
1i
a
1i
的边长，l
ab
,l
bc
,l
ac
分别为ab、bc、ac三条边长；
[0065]
最大面积提取单元，查找各个待匹配三角形面积s
i匹配
与指示三角形面积s
指示
中的较大值作为s
imax
；
[0066]
匹配度计算单元，计算第i个待匹配三角形与指示三角形的匹配度：
[0067][0068]
s
i覆盖
为第i个待匹配三角形与指示三角形的最大覆盖面积；
[0069]
选择单元，选择匹配度最高的待匹配三角形作为最佳匹配三角形。
[0070]
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
[0071]
本发明提供的基于组网测距三角形辅助的地磁定位方法，可以解决传统基于三角形匹配的地磁定位使用惯性导航信息得到匹配三角形存在较长延时，且误差随时间增加的问题。本发明对组网群内移动物体两两进行测距，得到匹配三角形辅助地磁定位，提高算法实时性，误差不会随时间增加。
附图说明
[0072]
图1是地磁定位流程示意图；
[0073]
图2为待匹配区域示意图；
[0074]
图3为待匹配三角形和指示三角形示意图；
[0075]
图4为指示三角形δabc和待匹配三角形δa
1i
b
1i
c
1i
置于一个直角坐标系示意图；
[0076]
图5为地磁定位系统组成示意图。
具体实施方式
[0077]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
[0078]
提供一种基于组网测距三角形辅助的地磁定位方法，结合图1，包括如下步骤：
[0079]
步骤一，三个组网移动物体a1，b1，c1的地磁参数以及两两之间的距离。
[0080]
在一个实施例中，移动物体为三个飞行器，三个飞行器组成飞行器群，每个飞行器配有测量磁场强度的传感器和测量距离的激光雷达。磁感应器检测地磁参数，激光雷达进行两两测距。
[0081]
步骤二，基于地磁参数获取三个移动物体a1，b1，c1的待匹配区域；基于两两之间的距离得到指示三角形δabc。
[0082]
通过磁感应器测取当地的地磁参数信息，利用地磁场模值搜索数据库中对应的等值线，利用测量误差选取等值线某一段为待匹配区。待匹配区半径和磁感应器的测量精度有关，可以提前设置好。结合图2，虚框内为选取等值线某一段为待匹配区，该区域覆盖了真实位置。
[0083]
检测的地磁参数为：磁场模值和磁场矢量。测量地磁场矢量，误差相对较大，但是可以与模值结合得到一个点，与真实的位置比较可以得到位置误差大小。事先标定好误差大小，从而设定出待匹配区域q的半径。
[0084]
对三个飞行器(a1，b1，c1)分别选择待匹配区，可以得到三个待匹配区域q1，q2，q3。对飞行器群两两进行测距可以得到指示三角形δabc，ab、bc、ac三条边长分别为l
ab
,l
bc
,l
ac
，结合图3。
[0085]
步骤三，由a1，b1，c1的待匹配区域分别选取顶点，形成多个待匹配三角形，计算各个待匹配三角形与指示三角形的最大覆盖面积。
[0086]
待匹配三角形满足以下约束条件：
[0087][0088]
其中a
1i
、b
1i
、c
1i
为三个待匹配区满足约束条件的点，a
1i
b
1i
,b
1i
c
1i
,c
1i
a
1i
的边长分别为δa
1i
b
1i
c
1i
构成一个待匹配三角形，r代表搜索范围和定位精度相关。
[0089]
计算待匹配三角形s
i匹配
与指示三角形s
指示
的最大覆盖面积，过程如下。
[0090]
将指示三角形δabc和待匹配三角形δa
1i
b
1i
c
1i
置于一个直角坐标系中，如图4所示，各坐标如下：
[0091]
a(0,0),b(cos∠a
·
l
ab
,sin∠a
·
l
ab
),c(l
ac
,0)；
[0092]
其中
[0093][0094]
其中
[0095]
为δabc的质心，为δa
1i
b
1i
c
1i
的质心。
[0096]
对待匹配三角形δa
1i
b
1i
c
1i
进行平移(t
x
,t
y
)，满足使其与δabc的质心重合，得到新的三角形记为δ
′
a
1i
b
1i
c
1i
，对δ
′
a
1i
b
1i
c
1i
旋转θ使三角形δ
″
a
1i
b
1i
c
1i
与δabc覆盖面积最大，θ可以通过最优问题进行求解。
[0097]
步骤四，基于各个待匹配三角形中与指示三角形的最大覆盖面积，选择匹配度最高的待匹配三角形作为最佳匹配三角形。
[0098]
第i个匹配三角形与指示三角形的匹配度由下式求取：
[0099][0100]
其中ε为匹配度，越接近于1，匹配三角形与指示三角形的匹配程度越高，s
max
为s
匹配
和s
指示
中较大值，s
i匹配
和s
指示
分别按如下公式求取：
[0101][0102][0103]
取ε
max
＝max{ε1,ε2...ε
n
}，则ε
max
对应的三角形δa
1i
b
1i
c
1i
即为所求。
[0104]
计算第i个匹配三角形与指示三角形的匹配度时，采用最大覆盖面积除以第i个匹配三角形与指示三角形中面积较大的那一个s
max
，而不是所有三角形中面积最大的。
[0105]
步骤五，最佳匹配三角形各个顶点的位置作为三个移动物体的位置。
[0106]
对三个移动物体两两进行测距，得到匹配三角形辅助地磁定位。最终获得了三个移动物体的位置，定位准确，计算效率高，定位实时性好。
[0107]
另一方面提供一种基于组网测距三角形辅助的地磁定位系统，实时进行三个组网
移动物体的定位。结合图5，包括获取模块、待匹配区域生成模块、指示三角生成模块、最大覆盖面积计算模块、最佳匹配三角形选择模块以及位置输出模块。
[0108]
获取模块，获取三个组网移动物体a1，b1，c1的地磁参数以及两两之间的距离。通过通讯，获取各个移动物体配置磁感应器检测地磁参数以及配置的激光雷达进行两两测距的距离。
[0109]
待匹配区域生成模块，基于地磁参数获取三个移动物体a1，b1，c1的待匹配区域。利用地磁场模值搜索数据库中所述地磁参数对应的等值线，基于测量误差选取所述等值线的一段为待匹配区域。
[0110]
指示三角生成模块，基于两两之间的距离得到指示三角形δabc。
[0111]
最大覆盖面积计算模块，由a1，b1，c1的待匹配区域分别选取顶点，形成多个待匹配三角形，计算各个待匹配三角形与指示三角形的最大覆盖面积。
[0112]
最大覆盖面积计算模块，包括待匹配三角形生成单元、坐标生成单元、平移单元、旋转单元以及输出单元。
[0113]
待匹配三角形生成单元，形成的待匹配三角形满足以下约束条件：
[0114][0115]
其中a
1i
、b
1i
、c
1i
为第i组三个移动物体a1，b1，c1的待匹配区满足约束条件的点，a
1i
b
1i
,b
1i
c
1i
,c
1i
a
1i
的边长分别为δa
1i
b
1i
c
1i
构成一个待匹配三角形，r代表搜索范围。
[0116]
坐标生成单元，将指示三角形δabc和待匹配三角形δa
1i
b
1i
c
1i
置于一个直角坐标系中；将指示三角形δabc各顶点坐标为：
[0117]
a(0,0),b(cos∠a
·
l
ab
,sin∠a
·
l
ab
),c(l
ac
,0)；
[0118]
其中
[0119]
待匹配三角形δa
1i
b
1i
c
1i
各顶点坐标为：
[0120][0121]
其中
[0122]
计算δabc的质心计算δa
1i
b
1i
c
1i
的质心
[0123]
平移单元，对待匹配三角形δa
1i
b
1i
c
1i
平移(t
x
,t
y
)，满足
使其与δabc的质心重合，得到新的三角形δ
′
a
1i
b
1i
c
1i
；
[0124]
旋转单元，对δ
′
a
1i
b
1i
c
1i
进行旋转得到的三角形与δabc覆盖面积最大，通过最优问题求解覆盖面积最大对应的旋转角度θ；
[0125]
输出单元，计算旋转角度θ对应的覆盖面积作为待匹配三角形与指示三角形的最大覆盖面积。
[0126]
最佳匹配三角形选择模块，基于各个待匹配三角形中与指示三角形的最大覆盖面积，选择匹配度最高的待匹配三角形作为最佳匹配三角形。
[0127]
最佳匹配三角形选择模块，包括面积计算单元、最大面积提取单元、匹配度计算单元以及选择单元。
[0128]
面积计算单元，计算各个待匹配三角形面积s
i匹配
以及指示三角形面积s
指示
；
[0129][0130][0131]
其中分别为a
1i
b
1i
,b
1i
c
1i
,c
1i
a
1i
的边长，l
ab
,l
bc
,l
ac
分别为ab、bc、ac三条边长；
[0132]
最大面积提取单元，查找各个待匹配三角形面积s
i匹配
与指示三角形面积s
指示
中的较大值作为s
imax
；
[0133]
匹配度计算单元，计算第i个待匹配三角形与指示三角形的匹配度：
[0134][0135]
s
i覆盖
为第i个待匹配三角形与指示三角形的最大覆盖面积；
[0136]
选择单元，选择匹配度最高的待匹配三角形作为最佳匹配三角形。
[0137]
位置输出模块，将最佳匹配三角形各个顶点的位置作为三个移动物体的位置。
[0138]
综上所述，本发明涉及一种基于组网测距三角形辅助的地磁定位方法及系统。三个组网移动物体的地磁参数以及两两之间的距离；基于地磁参数获取待匹配区域；基于两两之间的距离得到指示三角形；由的待匹配区域分别选取顶点，形成多个待匹配三角形，计算各个待匹配三角形与指示三角形的最大覆盖面积；选择匹配度最高的待匹配三角形作为最佳匹配三角形；最佳匹配三角形各个顶点的位置作为三个移动物体的位置。本发明对组网群内移动物体两两进行测距，得到匹配三角形辅助地磁定位，提高算法实时性，误差不会随时间增加。
[0139]
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修
改例。