[发明专利]一种基于磁偏角修正的地磁匹配导航方法

摘要

本发明公开了一种基于磁偏角修正的地磁匹配导航方法，本发明先采集地磁三轴矢量磁场强度数据，建立一个网格型的地磁数据库；利用电子罗盘对磁偏角也进行采样，建立一个网格型的磁偏角误差数据库。然后通过广义延拓逼近的方法对采集的离散数据，生成网格尽可能细分的数据库文件；在线导航定位阶段，用地磁传感器测得一串地磁场强信息序列，同时惯性器件获得的加速度和方向角进行航位推算结算出运动轨迹，将运动轨迹与地磁场强信息序列整合；通过误差补偿修正运动轨迹方向。将修正后的航位推算定位结果与修正后的地磁特征匹配定位结果进行扩展卡尔曼滤波融合，获得最终的定位结果。本发明提升了航位推算的精度，减少了计算复杂度。

主权项

1.一种基于磁偏角修正的地磁匹配导航方法，其特征在于：该方法基于的装置包括一个三轴地磁传感器模块、一个包含陀螺仪和加速度计的惯性器件模块、一个电子罗盘模块；所述的三轴地磁传感器模块，根据选定的待导航区域，对区域进行网格划分，地图上测量点的方向应该保持一致，保证地磁信息在空间的唯一性，进行采样点采样三轴地磁场强；所述的电子罗盘模块，通过采集磁偏角信息，它对所测的待导航区域进行网格划分与三轴地磁传感器模块的网格划分位置相同，在测量的过程中，测量方向保持一致，且在同一个位置上磁偏角与三轴地磁矢量强度一一对应；所述的包含陀螺仪和加速度计的惯性器件模块用于在模块进行初始定位的过程，以及后续模块持续运动中输出运动轨迹和航位角；该方法具体包括以下步骤：步骤S1：建立离散地磁数据库与磁偏角误差数据库模型；步骤S11：根据三轴地磁传感器模块，在采集地磁数据的过程中，相邻测量点之间的间隔保持一致，同时保证在地图上测量点的三轴地磁传感器模块的测量方向保持一致，在测量点采集一组数据后，通过拉依达准则去除粗大误差，再对该测量点的数值求平均，就得到一个测量点的数据，最后通过广义延拓逼近的方法将网格中的数据点向附近邻近数据点作延伸，形成延拓域，建立高精度的细分地磁数据库；步骤S12：根据电子罗盘模块，在采集磁偏角误差数据的过程中，保证相邻测量点之间的网格间隔距离与三轴地磁传感器模块进行测量的网格间隔距离保持一致；同时保证测量点电子罗盘方向指向坐标系同一个方向，每个测量点采集一组数据，通过拉依达准则去除粗大误差，对该测量点的数值求平均，就得到一个测量点的磁偏角误差数据，再通过广义延拓逼近的方法将网格中的数据点进行分片最佳逼近建立高精度的磁偏角误差细分数据库；步骤S2：对模块在地图上初始位置定位通过包含陀螺仪和加速度计的惯性器件模块，在二维地磁图上运动一段距离，得到一段地磁数据序列(m₁,m₂,…,m_k)，以及测得一组加速度(a₁,a₂,…,a_k)和方位角数据序列(θ₁,θ₂,…,θ_k)，还包括以下步骤：步骤S21：首先，通过模块所测的加速度和航向角数据通过航位推算方法：解算出里程信息(d₁,d₂,…,d_k)，对应坐标为(x₁,x₂,…,x_k)、(y₁,y₂,…,y_k)，通过动态时间规整的方法将里程信息与地磁场强序列进行规整，保证规整后的序列长度与离散数据库中地磁序场强序列长度一致，在地图中将运动轨迹画出来；其中表示下一时刻x轴的位置，表示当前时刻的速度，t_n表示从模块运动开始到当前位置的时间，t_n+1表示从模块运动开始到下一个位置的时间，表示航向角的偏差，表示下一时刻y轴的位置；步骤S22：利用Hausdorff距离的方法测得点集M与点集P双向Hausdorff距离：H(M,P)＝max[h(M,P),h(P,M)]其中M＝{m₁,m₂,…}代表实测得的地磁数据序列，P＝{p₁,p₂,…}代表离散数据库中的待匹配序列，H(P,M)称为双向Hausdorff距离，h(M,P)称为从点集M到点集P的单向Hausdorff距离,相应的h(P,M)称为从点集P到点集M的单向Hausdorff距离；得到一系列H值，取最小的H值，即得到模块运动初始定位位置；步骤S3:根据步骤S2所述的模块初始定位位置，在后续运动中，根据在地图中航位推算短时的运动轨迹，对模块的航向角进行磁偏角误差补偿，修正模块的航向角；通过步骤S21将航位推算运动轨迹在地图上画出来，同时通过步骤S22的将模块的地磁匹配导航结算的位置输出出来，通过扩展卡尔曼滤波器将两者定位结果进行融合；建立滤波模型如下,其中系统状态方程为：式中，坐标系采用的是东北天坐标系，W＝[λE,λN,λL,λθ]^T是以位置偏差λE与λN、里程偏差λL、航向角偏差λθ组成的状态量，其中L代表里程，θ代表航向角，λw_N和λw_E代表位置噪声，λw_L代表里程的噪声，λw_θ代表航向角的噪声；G＝[ΔE,ΔN]^T为以地磁特征匹配定位与航位推算定位的两系统定位位置误差所组成的测量值；其中观测噪声为白噪声；观测矩阵为：其中状态转移矩阵为：动态噪声矩阵为：测量矩阵为：通过融合模块航位推算定位结果和地磁匹配导航定位结果，得到最终模块的定位结果。