[发明专利]一种提高地磁场定位精度的方法

权利要求书

1.一种提高地磁场定位精度的方法，包括如下步骤：

步骤1.建立基于统计学分布的地磁场指纹数据库；

地球磁场向量在坐标轴的三个分量方向下分解：以地理上的正北方向、正东方向以及与水平面垂直向下方向，分解为总磁场的正北分量、正东分量和垂直分量；地球磁场在水平面上的投影，称为水平分量，总是指向地磁正北；水平分量的指向就是指南针北极所指的方向，通常被称为磁北；水平分量与地理正北方向形成的角度，称为磁偏角；地球磁场与水平面形成的角度，称为磁倾角；

综上所述可以将地磁场的各个参数标记为：磁场总强度B，正北分量B_θ，正东分量B_Φ，垂直分量B_γ，水平分量B_H，磁偏角D，磁倾角I；

先将待测量的地块划分为i行j列的网格，网格的大小应小于地磁场测量的精度要求，然后按以下公式测量每个网格的地磁场强度：

其中分别表示地磁场正北、正东、垂直方向上的分量，表示地磁场的总强度；由于经过验算，在统计学上基本符合正态分布，因此我们可以将其分布特征作为指纹特征来进行储存；因此指纹数据库的数据格式为：

(μ_Ax,μ_Ay,μ_Az,σ_Ax,σ_Ay,σ_Az,x_A,y_A) (2)

其中μ_Ax，μ_Ay，μ_Az分别为三个方向磁场强度经过高斯滤波之后的均值，σ_Ax，σ_Ay，σ_Az分别为三个方向磁场强度的标准差，x_A，y_A为位置坐标；

步骤2.测量值位于指纹数据库的各网格的置信度计算方法；

当需要判断定位数据与指纹数据库中的数据的符合程度时，可以通过计算其最小置信区间对应的置信度，即：

P(θ₁＜θ＜θ₂)＝1-α (3)

当有一组随机变量X(x₁,x₂,x₃,…,x_n)为一组样本，设X～N(μ,σ²)，若存在随机区间[θ₁,θ₂]，使对于给定的α，0＜α＜1，满足以上公式，则称随机区间[θ₁,θ₂]是θ的置信水平为1-α的置信区间，θ₁称为置信下限，θ₂称为置信上限，概率1-α称为置信水平或置信度，置信区间的意义是它以1-α的概率包含未知参数θ；

当样本容量大于50时，可以通过用样本方差S²估计σ，进行均值的置信区间计算，此时有：

其中为样本均值，μ为总体均值，S为样本标准差，n为样本容量；对于给定的置信度1-α，有概率：

将前式代入可得：

这样即容易得到的值，此时便得到μ的置信度为1-α的置信区间，此时若有确定的样本能计算出，便得到置信区间的常数表达形式：

步骤3.在定位阶段，采用路径匹配的方法来计算当前位置的坐标，测量和计算的步骤是：

(1)在直行段，通过方向感应器和加速度传感器测量运动方向和运动速度，并调用地磁传感器，测量10组地磁强度数据；

(2)使用惯性传感器采集方向数据，通过角度是否大幅改变，判断是否转弯；

(3)在转弯点，调用地磁传感器，测量10组地磁强度数据；

(4)根据惯性传感器数据和时间算出每条直行段长度，并将长度绘制成带有方向的向量；

(5)按顺序连接各个向量，获得路径轨迹；

(6)通过轨迹形状，得到若干条可能行走路径；

(7)联合上一步得到的行走路径，通过解算转弯点的地磁数据计算置信度，并采用贝叶斯分类器根据历史路径数据及先验概率，求得若干路径转弯点的概率；

采用贝叶斯分类器求得若干路径转弯点概率的具体方法是：

朴素贝叶斯算法的基本模型是，若事件a₁,a₂,a₃…组成一个完备事件组，即这些事件相互独立，且P(a_i)0，那么对于任一个事件b，有全概率公式：

P(b)＝∑_iP(a_i)P(b|a_i) (8)

若P(b)0，则有：

在测量过程中，先验概率是指获得的历史数据，后验概率是指当前节点位于某个位置的概率，在已知先验概率P(A＝a),P(B＝b)和P(B＝b|A＝a)的情况下，计算P(A＝a|B＝b)的公式为：

在实际定位计算时，某一时间在某一点ε采集到的一组磁场强度数据，则计算ε点与点(i,j)的匹配概率的方法如下：

这里，训练实例集中某一点是(i,j)，训练实例集中三个方向的磁场数据分别与ε点三个方向的磁场数据近似相等；由于磁场数据符合正态分布，在这里两个数据之间近似相等的意思是，ε点某一方向的强度大小与被匹配的点数据的差值小于某置信度ξ，ξ的大小在这里设置为被匹配点对应方向数据的标准差的5％，即ξ＝0.05σ；应用贝叶斯分类器分类器公式，可得到：

其中x_ε、y_ε、z_ε分别是在ε点测到的三个方向上的磁场强度，x、y、z分别是训练实例集中的点测量到的三个方向上的磁场强度；由于任意一点三个方向的磁场强度相互独立，使|x_ε-x|，|y_ε-y|，|z_ε-z|相互独立，就有：

P(|x_ε-x|＜ξ_x,|y_ε-y|＜ξ_y,|z_ε-z|＜ξ_z)＝P(|x_ε-x|＜ξ_x)×P(|y_ε-y|＜ξ_y)×P(|z_ε-z|＜ξ_z) (12)

以及：

由此可以得到ε点与点(i,j)的匹配概率，再计算ε点与其他点的匹配概率，得到匹配概率最大的点，即是ε点最可能所在的位置；接着在整个测量区域中，测量在所有节点上测量磁场数据，并且进行平均值滤波，将得到的数据特征按照处理ε点方法进行定位，就得到每个节点的定位结果；

(8)通过比较若干条路径在转弯点的概率值，匹配到最可能的路径，从而获得定位位置。