一种基于磁矩量法的地磁指纹构建方法技术

本发明专利技术提供了一种基于磁矩量法的地磁指纹构建方法，能够通过数据插值来减小遍历采集的工作量，同时提高地磁指纹精度。本发明专利技术通过分析局部区域内的磁场分布，根据已有的采集数据，建立局部区域磁场模型，对模型所在区域内位置点进行地磁数据预测插值，获取局部区域内的地磁信息，通过数据插值来减小遍历采集的工作量，同时提高地磁指纹精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于磁矩量法的地磁指纹构建方法
本专利技术属于地磁匹配导航地磁指纹库构建
，具体涉及一种基于磁矩量法的地磁指纹构建方法。
技术介绍
针对高精度导航，目前主流的地磁导航方法是基于地磁图的匹配导航方法。这种方法的主要的流程是先建立待导航区域的地磁指纹库，然后导航时使用实时传感器数据与指纹库内数据进行匹配来得出载体的实时位置，实现定位功能。这种方法能够得到较好定位效果的前提是其使用的高精度的地磁指纹库，地磁指纹库的精度会直接影响地磁导航的精度，所以为了实现精准的地磁匹配定位，对地磁指纹构建方法进行研究是十分重要的。目前地磁导航时所使用的地磁指纹主要是导航区域内的地磁异常场，所以标准的中国地磁参考场(CGRF2010)模型是无法使用的，其尺度较大，匹配导航时无法得到有效位置。针对高精度地磁导航，目前主流的地磁指纹构建方法是通过遍历采集导航区域内所有位置点的方式，实现区域内地磁指纹的构建。此种方法优点是精度高，实时匹配时误差小，定位效果较好。但是此方法也有缺点，遍历采集需要对待导航区域内所有点进行密集采集，人力物力消耗比较大，为了解决人力消耗问题，目前业内主要采用众包和插值的方法来减小采集工作量。众包采集可以在采集区域得到较多数据，数据量较为完善，但是不同车辆以及不同传感器之间参数差异较大，数据难以统一，此方法应用不成熟。插值的方法是使用现有的采集数据，通过已有的插值模型拟合的方式，来计算出未采集点的数据，进而减小采集工作量。截至目前，国内外研究人员已经提出了一些插值的算法。张晓明，赵剡等人提出一种基于克里金插值的局部地磁图构建方法，论述了克里金插值理论能够描述地磁场的结构分量，为地磁场的构建提供理论基础。乔玉坤，王仕成等人提出一种采用矩谐分析和支持向量机的地磁基准图构建方法，在导航区域中心采用矩谐分析法来预测基准数据，以提高地磁基准图的精度并加以修正，在导航区域边缘采用支持向量机法来预测基准数据，减弱边界效应的影响。谭斌，林春生等人根据已有地磁测量点数据，采用径向基函数对缺少磁测资料的边界区域进行插值的方法，补充边界区域地磁测量值，加强边界约束，改善区域地磁场模型的边界效应，提高模型精度。杨云涛，石志勇等人采用泰勒多项式拟合法建立高精度区域地磁场模型，对测量点和插值补充点进行整体拟合，建立满足地磁匹配导航的高精度区域地磁场模型。但是，现有的插值方法，基本上都是以数学拟合的方法进行的，通过实测的数据加以数学上的算法运算来预测未采集点的地磁值。虽然能够解决数据插值问题，但是这些算法最主要的缺陷在于未能从磁场产生的机理上对磁来源进行分析，仅仅依靠拟合的方法不能很好地预测出未采集点的地磁数据。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种基于磁矩量法的地磁指纹构建方法，能够通过数据插值来减小遍历采集的工作量，同时提高地磁指纹精度。为实现上述目的，本专利技术的一种基于磁矩量法的地磁指纹构建方法，包括如下步骤：步骤1，首先针对场景内磁场分布进行调研，得到建筑物内钢结构的粗位置；其次进行数据采集，对待导航区域内位置点使用地磁传感器进行地磁数据采集；使用误差模型补偿所有采集数据，得到不含误差的地磁数据；步骤2，根据不含误差的地磁数据H和钢结构粗位置，基于磁矩量法构建初始局部磁场模型；使用已采集数据，对初始局部磁场模型进行迭代，其中，通过更改钢结构线单元的位置以及参数对模型进行调整，直到采集点的模型预测值与实际值偏差均值在误差阈值内再停止迭代，最后生成最终模型；步骤3，使用生成的最终模型预测数据来对未采集点进行插值，实现地磁指纹库的构建。其中，所述步骤1中，地磁采集过程中产生的误差包括传感器误差、安装误差以及载体误差。其中，所述步骤2中，基于磁矩量法构建初始局部磁场模型的具体方式为：根据不含误差的地磁数据H，减去地球产生的磁场H0，得到由钢结构产生的磁场强度Hm，根据钢结构粗位置，得到钢架线单元之间的位置关系，得到耦合系数C，将以上参数输入到模型构建方法中，得到钢结构的磁化强度，完成初始局部磁场模型的构建。其中，所述步骤2中，对钢结构的物理参数进行调整时，基于监督数据对模型参数进行监督学习，采用梯度下降法获取预测误差最小时模型参数的值，其中，所述载体误差包括载体硬磁误差和载体软磁误差；通过对载体工具的离线测量，得到目标载体的硬磁误差，测量值减去误差补偿数值，得到实际值；通过实验时实际场地的测量，对比含铁磁材料和不含铁磁材料测量值的偏差，得到比例关系，从而得到实际值与测量值之间的关系，通过引入载体软磁误差补偿比例系数矩阵，建立实际值与测量值的关系，将实际值左乘比例系数矩阵，再加上自身值，得到实际值。有益效果：本专利技术通过分析局部区域内的磁场分布，根据已有的采集数据，建立局部区域磁场模型，对模型所在区域内位置点进行地磁数据预测插值，获取局部区域内的地磁信息，通过数据插值来减小遍历采集的工作量，同时提高地磁指纹精度。附图说明图1为本专利技术构建方法流程图。具体实施方式下面结合附图并举实施例，对本专利技术进行详细描述。本专利技术提出的基于磁矩量法的地磁指纹构建方法，构建方法流程图1所示，包括如下步骤：步骤1，首先进行外业调研，针对场景内磁场分布进行调研，得到建筑物内钢结构的粗位置。其次进行数据采集，对待导航区域内位置点使用地磁传感器进行地磁数据采集。数据采集完之后，针对采集时存在的数据误差现象进行误差补偿，消除采集时混入的数据误差，保证数据的可信度。步骤2，地磁数据经过误差补偿后，根据地磁数据和钢结构粗位置，基于磁矩量法构建初始局部磁场模型，使用已采集数据，通过不断优化迭代，调整模型来达到较好的预测效果，最后生成最终模型。步骤3，使用生成的最终模型预测数据来对未采集点进行插值，实现高精度的地磁指纹库的构建。其中，所述步骤1中，地磁采集过程中产生的误差主要是传感器误差，安装误差以及载体误差。针对这三类误差产生机理设计误差模型进行误差补偿，所述误差模型如公式(1)-公式(5)所示，具体如下：首先是传感器误差，传感器自身误差产生的主要原因是生产工艺上的偏差使得传感器的测量结果达不到预期的效果，带来一定的误差。传感器自身误差主要表现在三个方面，传感器零偏误差、传感器灵敏度误差、传感器三轴非正交误差。零偏误差在传感器制造过程中已经被确定，在一定时间段内基本不变。采集数据时，不同磁传感器具有不同的灵敏度，在同样的地点采集地磁数据也会有偏差，所以不同的传感器有不同的灵敏度系数。磁传感器三轴只用来测量其对应三轴的地磁分量大小，所以磁传感器三轴非正交会造成测量地磁数据的偏差。这三类误差会根据不同传感器而发生改变，针对此三类误差，厂家会在传感器出厂时会进行校正，使其输出值是误差补偿后的值。其次是传感器安装误差，传感器安装过程中也会产生安装误差，实际的测量过程中，地磁传感器普遍固定在车辆内部平台上，所以主要考虑XOY平面上的安装误差，针对偏本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于磁矩量法的地磁指纹构建方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤1，首先针对场景内磁场分布进行调研，得到建筑物内钢结构的粗位置；其次进行数据采集，对待导航区域内位置点使用地磁传感器进行地磁数据采集；/n使用误差模型补偿所有采集数据，得到不含误差的地磁数据；/n步骤2，根据不含误差的地磁数据H和钢结构粗位置，基于磁矩量法构建初始局部磁场模型；/n使用已采集数据，对初始局部磁场模型进行迭代，其中，通过更改钢结构线单元的位置以及参数对模型进行调整，直到采集点的模型预测值与实际值偏差均值在误差阈值内再停止迭代，最后生成最终模型；/n步骤3，使用生成的最终模型预测数据来对未采集点进行插值，实现地磁指纹库的构建。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于磁矩量法的地磁指纹构建方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，首先针对场景内磁场分布进行调研，得到建筑物内钢结构的粗位置；其次进行数据采集，对待导航区域内位置点使用地磁传感器进行地磁数据采集；
使用误差模型补偿所有采集数据，得到不含误差的地磁数据；
步骤2，根据不含误差的地磁数据H和钢结构粗位置，基于磁矩量法构建初始局部磁场模型；
使用已采集数据，对初始局部磁场模型进行迭代，其中，通过更改钢结构线单元的位置以及参数对模型进行调整，直到采集点的模型预测值与实际值偏差均值在误差阈值内再停止迭代，最后生成最终模型；
步骤3，使用生成的最终模型预测数据来对未采集点进行插值，实现地磁指纹库的构建。


2.如权利要求1所述的基于磁矩量法的地磁指纹构建方法，其特征在于，所述步骤1中，地磁采集过程中产生的误差包括传感器误差、安装误差以及载体误差。


3.如权利要求1所述的基于磁矩量法的地磁指纹构建方法，其特征在于，所述步骤2中，基于磁矩量法构建初始局部磁场...

【专利技术属性】
技术研发人员：王威，魏东岩，纪新春，陆一，袁洪，
申请(专利权)人：中国科学院空天信息创新研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11