一种基于磁矩不变量的矢量传感器网络实时定位方法及系统技术方案

一种基于磁矩不变量的矢量传感器网络实时定位方法及系统，属于磁异常探测领域，解决了传统网络定位方法实际定位性能低、实时性与定位精度较差的问题。本发明专利技术的技术要点为：在分布式磁传感器网络定位中，对磁传感器节点所观测到的实时磁场信息进行反演，基于磁矩不变量提出了构造更少求解参数的代价函数的方法，使得所需求解的参数减少。本发明专利技术适用于实际的户外定位场景。户外定位场景。户外定位场景。

【技术实现步骤摘要】
一种基于磁矩不变量的矢量传感器网络实时定位方法及系统


[0001]本专利技术属于磁异常探测领域，具体涉及一种矢量磁传感网络定位领域。

技术介绍

[0002]由于铁磁目标物的磁导率高于空气、水、海水和土壤等大多数介质，其周围的地磁场会受到扰动，磁异常探测(MAD)便是一种检测磁扰动的方法。具体来说，当传感器与被观察物体之间存在相对移动时，传感器输出的电压信息包含未知目标物特征的磁场变化信息。这种物理现象使得获得的磁异常特征可以作为隐藏目标检测、定位的重要线索，特别是在跨介质探测场景中。
[0003]在磁异常探测的基础上对目标物进行定位的分析目前多采用矢量磁传感网络的方式，在得到磁异常信息的基础上利用反演算法进行求解。随着近年来磁传感器的小型化低成本的发展趋势，大规模应用传感器网络进行目标物检测的方式成为可能。传统的全参数定位求解方法则多应用于医学等室内场景中，通过5个以上的传感器节点进行定位，而在户外场景下传感器的布放位置往往是随机稀疏的，该方法的实际定位性能较低。同时在磁异常信号源进行磁偶极子等效的情况下，目标物的定位参数反演中需要对6个参数求解，包括3个位置量与3个磁矩量。传统的全参数反演算法是对这6个参数同时求解，实时性与定位精度较差。因此需要定位实时性能高，在稀疏网络条件下可应用的方法来应用于实际的户外定位场景中。
[0004]对于代价函数的构建，常规反演算法是全参数求解(APS)，即构建包含6个参数(3个位置量与3个磁矩量)代价函数的方法。因此，APS算法的代价函数F
APS
可定义为如下形式：
[0005][0006]其中上标e代表估计值。
[0007]由于该策略需要同时对6个参数进行求解，至少需要构建包含6个非线性方程的方程组，即至少可以使用两个三轴磁传感器求解。但该代价函数的时效性较差，针对此问题，相关文献中的解决方案是改进优化算法，如通过PSO与LM的组合算法来提高性能。此外实际的应用中为了取得更好的定位精度，如小范围的胶囊内窥镜定位跟踪研究，使用了5个以上的三轴传感器进行定位，即通过提高磁传感器信息量的方式改善求解性能。但是，该方法很难适用于大范围稀疏传感器节点网络的实时定位应用。究其原因是改进优化算法、增加传感器数量等方式未改变APS算法需要在6维解空间中进行参数搜索的实质。由于高维度的解空间中存在大量的极值点，会导致求解容易陷入局部极值。因此，分离位置量与磁矩量，构建低维度解空间下的代价函数是提高实时定位性能的关键。

技术实现思路

[0008]本专利技术提供一种基于磁矩不变量的矢量传感器网络实时定位方法及系统，解决了
传统网络定位方法实际定位性能低、实时性与定位精度较差的问题。
[0009]一种基于磁矩不变量的矢量传感器网络实时定位方法，所述方法包括：
[0010]根据目标建立定位分析模型；
[0011]根据磁矩一致性原理定义代价函数；
[0012]根据所述模型得到目标的位置信息和相应位置点处的磁场信息；
[0013]将所述目标的位置信息和相应位置点处的磁场信息代入所述代价函数；
[0014]根据所述模型选取优化求解算法，获得目标的多组磁矩量求解及迭代；
[0015]根据多组磁矩量的差异性获得定位信息；
[0016]根据定位信息对多组磁矩量求均值，得到所述目标的磁矩量，完成一种基于磁矩不变量的矢量传感器网络实时定位方法。
[0017]进一步地，所述目标是将实际定位目标等效为一磁偶极子，磁场表示如下：
[0018][0019]其中μ0＝4π
×
10
‑7H/m为真空磁导率，r＝[x,y,z]表示所述磁偶极子与观测点之间的相对位置关系，m＝[m
x
,m
y
,m
z
]为所述目标的磁矩。
[0020]进一步地，所述磁场表示为B＝kAm，
[0021]其中k为常数项μ0/4π，A为位置矢量矩阵。
[0022]进一步地，所述位置矢量矩阵具体为：
[0023][0024]进一步地，所述代价函数为：
[0025][0026]其中，m
xie
(i＝1,2,
…
n)为第i个传感器所解算出的x轴的估计磁矩值，m
yie
和m
zie
分别为第i个传感器y轴和z轴的估计磁矩值。
[0027]进一步地，所述多组磁矩量的差异性由标准差函数σ表示。
[0028]进一步地，所述目标的磁矩量为：
[0029][0030]一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，当所述处理器运行所述存储器存储的计算机程序时，所述处理器执行上述的一种基于磁矩不变量的矢量传感器网络实时定位方法。
[0031]一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质用于储存计算机程序，所述
计算机程序执行上述的一种基于磁矩不变量的矢量传感器网络实时定位方法。
[0032]本专利技术所述的一种基于磁矩不变量的矢量传感器网络实时定位方法可以全部采用计算机软件来实现，因此，对应地，本专利技术还要求保护一种基于磁矩不变量的矢量传感器网络实时定位系统，所述系统包括：
[0033]用于根据目标建立定位分析模型的建模装置；
[0034]用于定义代价函数的装置；
[0035]用于获得目标的位置信息和相应位置点处的磁场信息的接收装置；
[0036]用于将所述目标的位置信息和相应位置点处的磁场信息代入所述代价函数，并选取优化求解算法，获得目标的多组磁矩量求解及迭代的计算装置；
[0037]用于根据多组磁矩量的差异性获得定位信息，对多组磁矩量求均值，得到目标磁矩量的计算装置。
[0038]本专利技术的有益效果：
[0039]本专利技术提出的一种基于磁矩不变量的矢量传感器网络实时定位方法及系统在进行定位求解时具备更快的求解速度与求解精度，在定位实时性还是定位准确度上都相较传统APS算法有着显著的提升，在实际应用中有着更大的意义。该优点来源于对代价函数的构造，此举使得所需求解的参数减少。当需要求解的参数减少后，代价函数解空间会得以优化，能够大幅度提高定位准确率。经过蒙特卡罗仿真对比，在相同条件粒子群算法下(100个搜索粒子)，0.1s、0.3s、1.0s的求解时间内，传统算法的求解准确率分别为20％、35％、50％左右，而本专利技术所述的方法求解准确率分别为30％、95％和99％，通过对比能够证明本专利技术所述的方法的准确率与现有技术相比较具有显著的提高。
[0040]本专利技术适用于实际的户外定位场景。
附图说明
[0041]图1为实施方式一所述的分布式传感器网络观测模型；
[0042]图2为实施方式一、实施方式二所述的基于磁矩不变量的矢量传感器网络实时定位方法的流程示意图。
具体实施方式
[0043]实施方式一：参照图1、图2说明本实施方式。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于磁矩不变量的矢量传感器网络实时定位方法，其特征在于，所述方法包括：根据目标建立定位分析模型；根据磁矩一致性原理定义代价函数；根据所述模型得到目标的位置信息和相应位置点处的磁场信息；将所述目标的位置信息和相应位置点处的磁场信息代入所述代价函数；根据所述模型选取优化求解算法，获得目标的多组磁矩量求解及迭代；根据多组磁矩量的差异性获得定位信息；根据定位信息对多组磁矩量求均值，得到所述目标的磁矩量，完成一种基于磁矩不变量的矢量传感器网络实时定位方法。2.根据权利要求1所述的一种基于磁矩不变量的矢量传感器网络实时定位方法，其特征在于，所述目标是将实际定位目标等效为一磁偶极子，磁场表示如下：其中μ0＝4π
×
10
‑7H/m为真空磁导率，r＝[x,y,z]表示所述磁偶极子与观测点之间的相对位置关系，m＝[m
x
,m
y
,m
z
]为所述目标的磁矩。3.根据权利要求2所述的一种基于磁矩不变量的矢量传感器网络实时定位方法，其特征在于，所述磁场表示为：B＝kAm，其中k为常数项μ0/4π，A为位置矢量矩阵。4.根据权利要求3所述的一种基于磁矩不变量的矢量传感器网络实时定位方法，其特征在于，所述位置矢量矩阵具体为：5.根据权利要求1所述的一种基于磁矩不变量的矢量传感器网络实时定位方法，其特征在于，所述代价函数为：其中，m
xie
(i＝1,2,
...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈莹，王嘉增，高俊奇，蒋泽坤，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：