一种机动磁偶极子目标的定位跟踪系统技术方案

本发明专利技术提供了一种机动磁偶极子目标的定位跟踪系统，将磁偶极子目标的位置参数与磁矩参数分离，将传统定位跟踪模型独立变量个数由6个减少为3个，避免了磁矩变量初值的设定，具有抗磁矩突变能力强，定位跟踪过程中磁矩突变时不会影响位置参数的估计，且对突变磁矩具有快速响应能力。

A positioning and tracking system for moving magnetic dipole target

【技术实现步骤摘要】
一种机动磁偶极子目标的定位跟踪系统
本专利技术涉及铁磁性运动目标特性识别与实时跟踪领域，尤指一种机动磁偶极子目标的定位跟踪系统。
技术介绍
磁探测技术，因其能有效弥补浅海、近海复杂环境中声探测技术对水下目标探测的不足而备受国内外重视。目前，随着水下入侵目标体声学隐蔽性和声对抗能力不断提高，致使单纯依赖声学探测的技术效果不尽理想，因此磁探测技术作为非声探测的重要手段之一，具有重要的研究价值。依据传感器搭载平台的不同，磁探测技术分为基于运动平台磁探测技术与静止平台磁探测技术。其中，基于静止平台的磁探测技术具有更高的磁场探测精度，且不受载体平台干扰的影响，可以通过构建传感器网络实现对重要区域进行长期、实时监测，以实现对兴趣目标的检测、识别与跟踪等。磁异常信号作为磁性目标重要的识别源，利用磁异常对磁性目标进行定位和跟踪技术的研究，对水下入侵目标的跟踪与识别具有重要的研究价值。通常，当探测距离远大于磁性目标尺寸时，可将磁性目标视为磁偶极子。目前针对磁偶极子目标的定位主要通过大量观测数据结合最优化方法获取其位置、磁矩等参数，而磁偶极子目标的跟踪主要是基于贝叶斯估计的卡尔曼滤波方法和粒子滤波算法，研究方向主要在非线性跟踪模型的优化。然而，在传统磁偶极子目标定位跟踪模型中，目标位置变量与磁矩变量彼此独立，当其中任一变量发生突变或不满足跟踪模型时，往往导致所有跟踪参数出现跟踪偏差；此外，多个独立跟踪变量对跟踪算法中初值的设定也带来较大的挑战，不合理的初值会导致跟踪效率下降甚至跟踪发散等后果，因此研究较少独立变量的定位跟踪模型对提升磁偶极子目标跟踪性能具有重要意义。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本专利技术提供了一种机动磁偶极子目标的定位跟踪系统，解决了如下几点缺陷：(1)传统的磁偶极子目标定位跟踪模型中独立变量个数多，且互相制约。当磁矩或位置参数中任一变量突变或不满足模型时，会导致所有跟踪参数出现偏差，难以满足快速机动目标的跟踪需求。(2)多个独立变量对定位跟踪算法中初值的设定也带来较大的挑战，不合理的初值会导致跟踪效率下降甚至跟踪发散等后果。(二)技术方案本专利技术提供了一种机动磁偶极子目标的定位跟踪系统，包括磁场传感器阵列和定位跟踪装置：磁场传感器阵列测量磁偶极子目标的磁异常，定位跟踪装置根据磁偶极子目标的磁异常确定磁偶极子目标的位置参数，并根据磁偶极子目标的位置参数确定磁偶极子目标的磁矩参数；包括：步骤S1：磁场传感器阵列测量磁偶极子目标的磁异常；步骤S2：根据磁偶极子目标的磁异常确定磁偶极子目标的位置参数；步骤S3：根据磁偶极子目标的位置参数确定磁偶极子目标的磁矩参数；步骤S4：对机动的磁偶极子目标进行定位跟踪，确定磁偶极子目标在t时刻的状态信息。步骤S1中，磁偶极子目标的磁异常表达式为：其中，为不同时间磁性目标产生的磁异常，μ0为真空磁导率，为磁矩矢量，为目标与传感器间距离矢量。在步骤S2中，根据磁偶极子目标的磁异常，建立三维坐标系，磁偶极子目标的矢量表达式为：在步骤S2中，将传感器阵列测得磁偶极子目标的磁异常建立矩阵，令[Bi]＝[Bxi，Byi，Bzi]T，Mi＝[mx，my，mz]T。在步骤S2中，通过矩阵变换并结合磁矩变量的唯一确定性，通过两个测量传感器测得磁场建立磁偶极子目标位置变量等式：[R1]-1·[B1]＝[R2]-1·[B2]。在步骤S2中，对所述矩阵求逆，并求解目标函数f(x，y，z)，通过函数优化完成磁偶极子目标位置参数的估计。在步骤S3中，根据磁偶极子目标的位置参数并结合测量磁场计算得到磁偶极子目标的磁矩参数估计，计算式为：M＝[Ri]-1[Bi]。在步骤S4中，根据测量磁场传感器阵列测得的实时数据，计算可得磁偶极子目标的实时状态参数：xt＝[x(t)，y(t)，z(t)，vx(t)，vy(t)，vz(t)，mx(t)，my(t)，mz(t)]；其中：[x(t)，y(t)，z(t)]表示t时刻磁偶极子目标的位置，[vx(t)，vy(t)，vz(t)]表示t时刻磁偶极子目标的速度，[mx(t)，my(t)，mz(t)]表示t时刻磁偶极子目标的磁矩参数。从上述技术方案可以看出，本专利技术具有以下有益效果：(1)本专利技术所述的磁偶极子目标定位跟踪系统独立变量少，将传统定位跟踪模型独立变量个数由6个减少为3个，避免了磁矩变量初值的设定。(2)本专利技术所述的磁偶极子目标定位跟踪系统具有抗磁矩突变能力强，定位跟踪过程中磁矩突变时不会影响位置参数的估计，且对突变磁矩具有快速响应能力。附图说明图1为机动磁偶极子目标的定位跟踪系统流程图。图2为仿真磁偶极子运动目标轨迹及各坐标轴的投影示意图。图3为仿真磁偶极子运动目标磁矩示意图。图4为阵列传感器测量的目标磁异常示意图。图5为基于传统模型磁偶极子目标的跟踪结果示意图。图6为本专利技术磁偶极子目标的定位跟踪结果示意图。图7为传统模型与本专利技术的磁偶极子目标定位跟踪系统误差对比示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属
中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本专利技术的保护范围。本专利技术实施例提供了一种基于矢量传感器的机动磁偶极子目标的定位跟踪系统，该系统实现了目标位置与磁矩参数分离，降低了跟踪过程中的待求变量个数。定位跟踪系统包括：磁场传感器阵列和定位跟踪装置。磁场传感器阵列测量磁偶极子目标的磁异常。定位跟踪装置根据磁偶极子目标的磁异常确定磁偶极子目标的位置参数，并根据磁偶极子目标的位置参数和测量磁异常确定磁偶极子目标的磁矩参数。本专利技术实施例提供了一种基于矢量传感器的机动磁偶极子目标的定位跟踪方法，包括：步骤S1：磁场传感器阵列测量磁偶极子目标的磁异常。该系统中，磁偶极子目标周围的磁异常表达如式(1)：其中，为不同时间磁性目标产生的磁异常，μ0为真空磁导率，为磁矩矢量，为目标与传感器间距离矢量。步骤S2：根据磁偶极子目标的磁异常确定磁偶极子目标的位置参数。根据磁偶极子目标的磁异常，建立三维坐标系，磁偶极子目标的矢量表达式如式(2)：其中，xi＝xci-x0，yi＝yci-y0，zi＝zci-z0；(xci，yci，zci)为第i个磁场传感器的位置坐标；(x0，y0，z0)为磁本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种机动磁偶极子目标的定位跟踪系统，其特征在于，包括磁场传感器阵列和定位跟踪装置：磁场传感器阵列测量磁偶极子目标的磁异常，定位跟踪装置根据磁偶极子目标的磁异常确定磁偶极子目标的位置参数，并根据磁偶极子目标的位置参数确定磁偶极子目标的磁矩参数。/n

【技术特征摘要】
1.一种机动磁偶极子目标的定位跟踪系统，其特征在于，包括磁场传感器阵列和定位跟踪装置：磁场传感器阵列测量磁偶极子目标的磁异常，定位跟踪装置根据磁偶极子目标的磁异常确定磁偶极子目标的位置参数，并根据磁偶极子目标的位置参数确定磁偶极子目标的磁矩参数。


2.一种机动磁偶极子目标的定位跟踪方法，其特征在于，包括：
步骤S1：磁场传感器阵列测量磁偶极子目标的磁异常；
步骤S2：根据磁偶极子目标的磁异常确定磁偶极子目标的位置参数；
步骤S3：根据磁偶极子目标的位置参数确定磁偶极子目标的磁矩参数；
步骤S4：对机动的磁偶极子目标进行定位跟踪，确定磁偶极子目标在t时刻的状态信息。


3.根据权利要求2所述的一种机动磁偶极子目标的定位跟踪方法，其特征在于，步骤S1中，磁偶极子目标的磁异常表达式为：



其中，为不同时间磁性目标产生的磁异常，μ0为真空磁导率，为磁矩矢量，为目标与传感器间距离矢量。


4.根据权利要求2所述的一种机动磁偶极子目标的定位跟踪方法，其特征在于，在步骤S2中，根据磁偶极子目标的磁异常，建立三维坐标系，磁偶极子目标的矢量表达式为：





5.根据权利要求2所述的一种机动磁偶极子目标的定位跟踪方法，其特征在于，在步骤S2中，将传感器阵列测得磁偶极子目标的磁异常建立矩阵，令[Bi]＝[Bxi，...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯永强，陈路昭，朱万华，纪奕才，方广有，
申请(专利权)人：中国科学院电子学研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11