一种基于空间环境磁场特征的无源组合定位方法技术

本发明专利技术涉及一种基于空间环境磁场特征的无源组合定位方法，将惯导+地磁+地图进行技术组合进行无源组合定位，不需要任何硬件部署、不向外发射和接收电磁信号、不需要维护、可以分辨楼层、不易受遮挡和干扰的优点；特别是针对磁场信号容易受到环境中不断变化的低频电、磁信号干扰，本发明专利技术提出事先对磁传感器进行标校，定位时实时对磁干扰进行识别和消除的处理方法，提高磁场测量精度；同时通过匹配算法的改进，提高地磁定位的稳定性，从而确保了该室内定位系统的鲁棒性和对绝大多数应用场景的适应性。

A passive combined location method based on the feature of magnetic field in space environment

The invention relates to a combination of passive positioning method based on magnetic field characteristics of the space environment, will be used for combination of passive positioning guide + + geomagnetic map, does not require any hardware deployment, not to transmit and receive electromagnetic signals, do not need to maintain, can distinguish between floors, not easily affected by the advantages of occlusion and interference; especially according to the magnetic field signal is susceptible to low-frequency electric and magnetic interference signal changing in the environment, the advance of magnetic sensors for calibration, positioning in real time on the magnetic interference identification and processing method to eliminate and improve the measurement accuracy of the magnetic field; at the same time through improved matching algorithm, improve the stability of the geomagnetic positioning, so as to ensure the robust the indoor positioning system and the vast majority of the application scenarios of adaptability.

【技术实现步骤摘要】
一种基于空间环境磁场特征的无源组合定位方法
本专利技术涉及定位
，尤其是一种基于空间环境磁场特征的无源组合定位方法。
技术介绍
室内定位技术是指一种利用无线移动通信网络，通过对接收到的无线电波的一些参数或其他信息进行测量，根据特定的算法对人、车辆或设备在某一时间所处的地理位置进行精确测定，以便为定位终端用户提供相关的位置信息服务，或进行实时检测和追踪的定位与导航技术。应用比较多的室内定位技术包括蓝牙、WIFI、射频识别(RFID)、超宽带(UWB)、红外和超声波、Zigbee等。蓝牙定位技术数据传输不受视距的影响，但对于复杂的空间环境，蓝牙系统的稳定性稍差，受噪声信号干扰大；WIFI传输距离较短，功耗较高，受噪声信号干扰大；RFID不具有通信能力，抗干扰能力较差，不便于整合到其他系统之中，且用户的安全隐私保障和国际标准化都不够完善；UWB定位技术功耗较高，同时该系统成本高；红外线只能视线传播，穿透性能极差，布局复杂，成本较高，也极易受灯光、烟雾等环境因素影响；超声波在空气中的衰减较大，不适用于大型场合，反射测距时受多径效应和非视距传播影响很大，造成需要精确分析计算的底层硬件设施投资，成本太高；Zigbee传输速率低，定位精度对算法要求较高。目前，90％以上的室内定位技术是基于WiFi和蓝牙等无线基站的方式，这种定位方法，要么覆盖范围小，要么需要复杂的部署、硬件和安装，维护成本非常高。
技术实现思路
鉴于上述的分析，本专利技术旨在提供一种基于空间环境磁场特征的无源组合定位方法，用以解决传统的无线定位技术覆盖范围小，需要在室内部署无线基站，导致安装和维护成本较高的问题。本专利技术的目的主要是通过以下技术方案实现的：一种基于空间环境磁场特征的无源组合定位方法，包括如下步骤：步骤S1、数据的采集和存储，包括地磁图数据的存储、地图数据的存储、传感器原始参数的存储、惯性数据的采集、磁场数据的采集；步骤S2、数据的预处理，包括惯性数据校正、磁场数据校正和干扰磁场的识别分离；步骤S3、根据校正后的惯性数据进行IMU定位，结合IMU定位的定位结果，根据校正和去除干扰后的磁场数据进行地磁匹配定位，结合数字地图数据，对地磁匹配定位结果进行滤波，并修正IMU参数，得到组合定位结果。进一步地，所述步骤S2中干扰磁场的识别分离过程包括：对采集到的磁场数据进行中值滤波；对滤波后的数据进行一阶差分，放大台阶信号；去除台阶信号；对去除台阶信号的地磁数据用测量数据一阶差分的均值代替，并进行积分还原，得到干扰分离后的地磁数据。进一步地，所述步骤S3包括如下子步骤：S301、利用校正后惯性数据进行IMU定位；S302、结合IMU定位的定位结果，通过地磁匹配进行地磁定位；S302、结合数字地图数据，对地磁匹配定位结果进行滤波，并修正IMU参数，得到组合定位结果。进一步地，利用校正后惯性数据进行IMU定位方法包括：1)对俯仰角、横滚角和航向角赋初值；2)进行航位推算；3)进行零速检测；当三轴陀螺仪连续在五个周期内数据的极差小于某个接近0的阈值时，判定定位终端处于零速状态，启动零速更新；4)进行零速更新；如果当前定位终端处于零速，基于卡尔曼滤波器计算当前位置、速度、姿态误差，对位置和姿态进行纠正；5)输出位置、速度和姿态信息；经过航位推算得出的载体的位置、速度和姿态信息输出用于地磁定位和定位结果的滤波处理；6)对陀螺仪和加速度计参数修正条件进行判断；当累计超过特定数量的零速检测数据时，可启动陀螺仪和加速度计参数校正模块，所述特定数量范围为5～10；7)对陀螺仪和加速度计的参数校正；在零速条件下，陀螺仪测量值的均值为陀螺仪的零偏；对一段时间积累的零速条件下的陀螺仪的测量值求取均值，作为陀螺仪新的零偏数据，对原来的陀螺仪零偏数据进行更新替换，重新计算当前陀螺仪的零偏；对加速度计的各轴零偏进行更新替换与陀螺仪的各轴零偏更新替换方法相同。进一步地，所述航位推算是利用四元数，基于前一次的四元数值，以及当前测量得到的加速度、角速度信息计算当前四元数，得到欧拉转换矩阵，最后基于上组加速度、速度、位置以及当前的欧拉转换矩阵，计算当前加速度、速度以及位置，其具体过程包括：1)依据初始的姿态角计算初始四元数；2)计算角速度在一个周期内的积分：3)获得当前的四元数，并把当前时刻的四元数赋给初始四元数；4)依据当前四元数计算从载体坐标系到导航坐标系的新的旋转矩阵：5)更新导航坐标系下加速度值、速度值和位置值；6)更新导航坐标系下更新载体坐标系相对于导航坐标系的姿态角；7)重复2)～6)步骤，持续进行航位推算。进一步地，结合IMU定位结果的地磁匹配定位方法包括以下步骤：1)系统重新启动后，进行首匹配；所述首匹配启动全局搜索模式，对连续三次的匹配结果进行一致性判决，在搜索定位过程中，首先顺序测量三段长度均为3～10米的磁场序列，在区域内进行全局搜索，通过匹配相关算法，找到和地磁实时图最相似的地磁基准图所在的位置为PM1，PM2，PM3，此时IMU标记的位置是PA1，PA2，PA3；根据所述匹配定位的位置和IMU标记的位置进行首匹配判决，如果满足判决条件，则根据匹配相关算法的定位结果进行输出，如果不满足判决门限，则继续测量，直到满足判决条件为止；2)首匹配完成后，进行连续匹配定位，所述连续匹配定位每隔设定时间，进行一次匹配定位，所述匹配定位的范围以首匹配位置结合IMU的指示位置为中心，半径为R的范围内进行搜索和匹配定位，所述R的范围为事先根据IMU的定位误差范围确定，以大于所述定位误差范围为基准。进一步地，所述首匹配的一致性判决公式为判决条件为|Dis1-Dis2|≤m&|Dis2-Dis3|≤m&|Dis3-Dis1|≤m所述m是距离的判决门限，取1～3m。进一步地，所述匹配相关算法包括绝对平均差匹配方法或积相关匹配方法两种，在采用绝对平均差匹配方法进行匹配时，选择相似度值的最小值所对应的位置为最终的匹配位置，采用积相关匹配方法进行匹配时，选择相似度值的最大值所对应的位置为最终的匹配位置。进一步地，所述S302中，通过卡尔曼滤波算法，对地磁匹配定位结果进行滤波，结合数字地图数据对定位终端载体的运动区域的限定对定位结果进行滤波，所述限定为定位终端载体只能在数字地图的道路上移动，而不能在道路以外的位置上移动；并修正IMU参数，得到组合定位结果。本专利技术有益效果如下：本专利技术不需要任何硬件部署、不向外发射和接收电磁信号、不需要维护(除了建筑物结构改变以外)、可以分辨楼层、不易受遮挡和干扰的优点；特别是针对磁场信号容易受到环境中不断变化的低频电、磁信号干扰，本专利技术提出事先对磁传感器进行标校，定位时实时对磁干扰进行识别和消除的处理方法，提高磁场测量精度；同时通过匹配算法的改进，提高地磁定位的稳定性，从而确保了该室内定位系统的鲁棒性和对绝大多数应用场景的适应性。附图说明附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本专利技术的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。图1为基于空间环境磁场特征的无源组合定位流程图；图2为干扰磁场识别分离过程图；图3为IMU定位模块工作过程图；图4为地磁定位过程图。具体实施方式下面结合附图来具体描述本专利技术的优选实施例，其中，附图构成本本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于空间环境磁场特征的无源组合定位方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1、数据的采集和存储，包括地磁图数据的存储、地图数据的存储、传感器原始参数的存储、惯性数据的采集、磁场数据的采集；步骤S2、数据的预处理，包括惯性数据校正、磁场数据校正和干扰磁场的识别分离；步骤S3、根据校正后的惯性数据进行IMU定位，结合IMU定位的定位结果，根据校正和去除干扰后的磁场数据进行地磁匹配定位，结合数字地图数据，对地磁匹配定位结果进行滤波，并修正IMU参数，得到组合定位结果。

【技术特征摘要】
1.一种基于空间环境磁场特征的无源组合定位方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1、数据的采集和存储，包括地磁图数据的存储、地图数据的存储、传感器原始参数的存储、惯性数据的采集、磁场数据的采集；步骤S2、数据的预处理，包括惯性数据校正、磁场数据校正和干扰磁场的识别分离；步骤S3、根据校正后的惯性数据进行IMU定位，结合IMU定位的定位结果，根据校正和去除干扰后的磁场数据进行地磁匹配定位，结合数字地图数据，对地磁匹配定位结果进行滤波，并修正IMU参数，得到组合定位结果。2.根据权利要求1所述无源组合定位方法，其特征在于，所述步骤S2中干扰磁场的识别分离过程包括：对采集到的磁场数据进行中值滤波；对滤波后的数据进行一阶差分，放大台阶信号；去除台阶信号；对去除台阶信号的地磁数据用测量数据一阶差分的均值代替，并进行积分还原，得到干扰分离后的地磁数据。3.根据权利要求1所述无源组合定位方法，其特征在于，所述步骤S3包括如下子步骤：S301、利用校正后惯性数据进行IMU定位；S302、结合IMU定位的定位结果，通过地磁匹配进行地磁定位；S302、结合数字地图数据，对地磁匹配定位结果进行滤波，并修正IMU参数，得到组合定位结果。4.根据权利要求3所述无源组合定位方法，其特征在于，利用校正后惯性数据进行IMU定位方法包括：1)对俯仰角、横滚角和航向角赋初值；2)进行航位推算；3)进行零速检测；当三轴陀螺仪连续在五个周期内数据的极差小于某个接近0的阈值时，判定定位终端处于零速状态，启动零速更新；4)进行零速更新；如果当前定位终端处于零速，基于卡尔曼滤波器计算当前位置、速度、姿态误差，对位置和姿态进行纠正；5)输出位置、速度和姿态信息；经过航位推算得出的载体的位置、速度和姿态信息输出用于地磁定位和定位结果的滤波处理；6)对陀螺仪和加速度计参数修正条件进行判断；当累计超过特定数量的零速检测数据时，可启动陀螺仪和加速度计参数校正模块，所述特定数量范围为5～10；7)对陀螺仪和加速度计的参数校正；在零速条件下，陀螺仪测量值的均值为陀螺仪的零偏；对一段时间积累的零速条件下的陀螺仪的测量值求取均值，作为陀螺仪新的零偏数据，对原来的陀螺仪零偏数据进行更新替换，重新计算当前陀螺仪的零偏；对加速度计的各轴零偏进行更新替换与陀螺仪的各轴零偏更新替换方法相同。5.根据权利要求4所述无源组合定位方法，其特征在于，所述航位推算是利用四元数，基于前一次的四元数值，以及当前测量得到的加速度、角速度信息计算当前四元...

【专利技术属性】
技术研发人员：李素敏，王刚刚，申志飞，
申请(专利权)人：北京麦钉艾特科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11