一种基于栅格特征的差分进化地磁导航方法技术

本发明专利技术提出一种基于栅格特征的差分进化地磁导航方法，首先将导航区域栅格化并建立导航区域的栅格地磁数据库，之后基于栅格地磁参量进行差分进化地磁导航，利用移动载体中均布在载体质心周围的8个方向上的地磁传感器采集的不同方向上的地磁参量进行差分进化。试验结果表明，本发明专利技术能够有效的利用地磁场趋势，快速完成导航任务。

【技术实现步骤摘要】
一种基于栅格特征的差分进化地磁导航方法
本专利技术涉及一种基于栅格特征的差分进化地磁导航方法，属于地磁导航

技术介绍
地磁导航是以地球磁场的物理属性为基础，为移动载体提供相关的导航信息。地磁导航技术基于地磁场是一个矢量场，其强度大小和方向是位置的函数，同时地磁场具有丰富的特征，例如总强度、矢量强度、磁倾角、磁偏角等，为导航提供了丰富的信息。地磁导航是载体在运动过程中，通过当前位置的地磁参量与目标位置的地磁参量进行比较，经过导航算法解算出下一时刻载体的航向角，载体在行进过程中利用地磁趋势到达特定的目标位置。地磁导航技术作为一种无源自主导航方法，具有抗干扰能力强、隐蔽性好、无累积误差的优点。
技术实现思路
要解决的技术问题由于地磁场是一个长期变化的磁场，因此利用某一确定位置处的地磁参量作为导航参数会导致实际中导航精度不高，针对以上问题，本专利技术提出一种基于栅格特征的差分进化地磁导航方法。本专利技术的技术方案为：所述一种基于栅格特征的差分进化地磁导航方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：在导航区域内，将区域栅格化为长、宽均为L的栅格；步骤2：提取步骤1中每个栅格内的N个点的地磁参量，并对地磁参量进行处理作为当前栅格的地磁参量；步骤3：由步骤2中提取出的栅格地磁参量，建立导航区域的栅格地磁数据库；步骤4：基于栅格地磁参量进行差分进化地磁导航，其中移动载体上安装有9个地磁传感器，其中一个安装在载体质心位置，另外八个均布在载体质心周围的8个方向上：步骤4.1：初始化种群NP为种群个体数，利用随机数对种群中个体进行赋值如下：其中POP＝45°，这个种群中每个个体均为45°的倍数：45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°、360°，对应于载体上在这8个方向上安装的地磁传感器，使得载体可以向周围8个方向搜索；步骤4.2：设载体当前时刻进行的是第G次搜索，通过载体质心位置处地磁传感器采集得到的当前位置对应的地磁参量为B(xG,yG)，而起始位置的地磁参量为B0，目标位置的地磁参量为BT；当前种群为利用载体8个方向上安装的地磁传感器，采集载体在当前位置上8个方向的地磁参量，从而能够获得当前种群中各个个体所表示角度方向上的地磁参量并计算每个个体的适应度为：其中为种群中第j个个体所表示角度方向上的第i个地磁参量；步骤4.3：进行变异操作：从当前种群中随机选择三个不同的个体和按照公式进行个体变异，并将所得到的角度规整为最接近的45°倍数，从而得到变异后的个体参数F是尺度系数；重复变异过程NP次，得到变异后的种群步骤4.4：计算变异后种群中的每个个体的适应度；然后依据适应度值采用选择操作从当前种群和变异种群中选择出较优的个体组成新种群XG+1：其中为变异种群中第j个个体的适应度，为当前种群中第j个个体的适应度；步骤4.5：从新种群中随机选择一个个体所表示的角度作为载体的航向角，载体沿该航向前进至下一个栅格；然后利用载体质心位置处地磁传感器采集的地磁特征值进行判断，判断是否满足导航终止条件，若不满足，则进行G+1次搜索，若满足，则程序终止，到达目标点，导航完成。有益效果本专利技术提出差分进化算法的地磁导航方法，试验结果表明，本专利技术能够有效的利用地磁场趋势，快速完成导航任务。本专利技术的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明本专利技术的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：附图1是导航区域栅格化示意图；附图2是目标函数的收敛曲线；附图3是子目标函数的收敛曲线；附图4是基于栅格特征的最优梯度地磁导航轨迹示意图。具体实施方式地磁导航过程中，利用某一确定地磁参量作为导航参数时，由于地磁场中的主磁场是长期变化场，磁场的强度和方向随着时间缓慢变化，主要特征是整体向西偏移。因此利用某一确定点的地磁参量进行导航会对导航结果产生影响，本专利技术通过将导航区域栅格化，利用地磁场本身的趋势性，提出一种基于栅格特征的地磁导航方法，从而提高导航的精度和速度。具体步骤为：步骤1：在导航区域内，将区域栅格化为长、宽均为L＝0.05(度)的栅格，如附图1所示。步骤2：提取步骤1中每个栅格内的N＝10个点的地磁参量，并进一步处理作为当前栅格的地磁参量，本实施例中选择的地磁参量包括：地磁总强BF，北向分量BX，东向分量BY，可进行的处理包括求取均值、方差(标准差)、粗糙度、地磁熵等。本实施例中优选采用均值处理作为栅格的地磁参量。步骤3：由步骤2中提取出的栅格地磁参量，建立导航区域的栅格地磁数据库。步骤4：基于栅格地磁参量进行差分进化地磁导航，其中移动载体上安装有9个地磁传感器，其中一个安装在载体质心位置，另外八个均布在载体质心周围的8个方向上：步骤4.1：初始化种群NP＝50为种群个体数，利用随机数对种群中个体进行赋值如下：其中POP＝45°，这个种群中每个个体均为45°的倍数：45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°、360°，也对应于载体上在这8个方向上安装的地磁传感器，使得载体可以向周围8个方向搜索。步骤4.2：地磁导航的过程可以归结为地磁场的若干个地磁参量从起始位置(x0,y0)到目标位置(xT,yT)逐渐收敛的过程，B0和BT分别为起始位置和目标位置的地磁参量向量。因此，可以当前位置上地磁参量与目标位置上地磁参量的差异构成目标函数：第i个地磁参量在第G次搜索时对应的子目标函数fi(B,G)为：其中为第i个地磁参量在载体第G次搜索时，质心位置处地磁传感器采集的地磁参量，为第i个地磁参量在目标位置的地磁参量值；n为选择使用的地磁参量种类数；考虑到各地磁参量属性的不同，测量结果中各地磁参量的单位不统一，为此，将差异值进行归一化处理后作为目标函数：目标函数F(B,G)越小，表明载体运动趋近目标位置，即通过当前位置和目标位置地磁参量的差值表征对目标值的无限逼近，可以表示为：实际导航中，根据导航精度要求及目标点地磁参量的值，设定目标函数F(B,G)所表示的可以达到满足完成导航任务要求：F(B,G)＜ε其中ε的大小根据导航精度来设定。在导航过程中取得满足条件的目标函数值时，就可以认为到达目标位置，导航成功。假设载体当前时刻进行的是第G次搜索，通过载体质心位置处地磁传感器采集得到的当前位置对应的地磁参量为B(xG,yG)，而起始位置的地磁参量为B0，目标位置的地磁参量为BT；当前种群为利用载体8个方向上安装的地磁传感器，采集载体在当前位置上8个方向的地磁参量，从而能够获得当前种群中各个个体所表示角度方向上的地磁参量并基本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于栅格特征的差分进化地磁导航方法，其特征在于：包括以下步骤：/n步骤1：在导航区域内，将区域栅格化为长、宽均为L的栅格；/n步骤2：提取步骤1中每个栅格内的N个点的地磁参量，并对地磁参量进行处理作为当前栅格的地磁参量；/n步骤3：由步骤2中提取出的栅格地磁参量，建立导航区域的栅格地磁数据库；/n步骤4：基于栅格地磁参量进行差分进化地磁导航，其中移动载体上安装有9个地磁传感器，其中一个安装在载体质心位置，另外八个均布在载体质心周围的8个方向上：/n步骤4.1：初始化种群

【技术特征摘要】
1.一种基于栅格特征的差分进化地磁导航方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：在导航区域内，将区域栅格化为长、宽均为L的栅格；
步骤2：提取步骤1中每个栅格内的N个点的地磁参量，并对地磁参量进行处理作为当前栅格的地磁参量；
步骤3：由步骤2中提取出的栅格地磁参量，建立导航区域的栅格地磁数据库；
步骤4：基于栅格地磁参量进行差分进化地磁导航，其中移动载体上安装有9个地磁传感器，其中一个安装在载体质心位置，另外八个均布在载体质心周围的8个方向上：
步骤4.1：初始化种群NP为种群个体数，利用随机数对种群中个体进行赋值如下：



其中POP＝45°，这个种群中每个个体均为45°的倍数：45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°、360°，对应于载体上在这8个方向上安装的地磁传感器，使得载体可以向周围8个方向搜索；
步骤4.2：设载体当前时刻进行的是第G次搜索，通过载体质心位置处地磁传感器采集得到的当前位置对应的地磁参量为B(xG,yG)，而起始位置的地磁参量为B0，目标位置的地磁参量为BT；当前种群为
利用载体8个方向上安装的地磁传感器，采集载体在当前位置上8个方向的地磁参量，从而能够获得当前种群中各个个体所表示角度方向上的地磁参量并计算每个个体的适应度为：



其中为种群中第j个个体所表示角度方向上的第i个地磁参量；
步骤4.3：进行变异操作：
从当前种群中随机选择三个不同...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘明雍，李嘉琦，牛云，王聪，汪培新，郭娇娇，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61