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复杂环境下基于特征矢量的磁信标快速定位技术

李新年  
【摘要】:近几十年来随着人们生活质量的提高与生活环境的复杂化,对导航定位技术的精度与鲁棒性提出了许多新的要求,许多导航定位技术也是应声而来。传统的卫星导航定位技术由于存在多径效应、穿透能力差等缺陷,使其在室内、矿洞、地下等环境中无法提供高精度的定位服务,甚至丧失定位功能,惯性定位定位误差会伴随定位服务时间而累积,因而无法提供持续的高精度定位服务。人工低频磁场具有穿透能力强、易辨识、无多径效应等优点,因此利用人工低频磁场对复杂环境下的目标定位具有巨大的潜力,本文对基于特征矢量的低频磁场定位技术展开研究。首先,利用单磁偶极子模型对基于特征矢量的单磁信标定位技术相关的基础理论进行分析介绍,通过单磁偶极子模型推导出双轴磁信标在空间中某一点的磁场强度,通过提取到的特征矢量解算出目标点的相对方位,利用特征矢量的标量值计算出相对距离,实现静态目标的定位。然后,通过实际定位过程中对定位环境、磁信标的结构误差、磁信标与全局坐标系之间存在夹角等问题进行分析,系统所处环境中存在衰减性介质对单磁信标系统造成的误差进行了分析,提出了相应的标定补偿方案,对由于工艺问题造成的磁信标中心发生偏移、磁信标磁矩存在误差角和磁信标与全局坐标系之间存在夹角等误差对定位结果造成的影响进行了分析,提出了优化定位方法的思路来提高定位精度。接着,针对第三章的误差分析,提出了多磁信标定位方案这一优化思路,利用放置在目标活动区域多个磁信标与目标构成的几何体,提出了非线性方程组方案与几何定位方案,提高了基于特征矢量的磁信标定位技术在复杂环境下的鲁棒性。再者,本节针对多磁信标定位技术需要提前放置多个磁信标且需要多个驱动器同时驱动磁信标等耗费时间、能源的问题,本节利用磁场变化率这一属性提出了基于单磁信标的磁场梯度磁传感器阵列定位方案和基于几何法的磁信标定位方案,在保证单磁信标在复杂环境中定位精度的同时,有效的减少了定位服务的准备工作与能源消耗。最后,对动态目标的跟踪展开研究,分析动态目标测量的磁场与静态目标测得磁场的区别,结合动态目标的运动模型、多磁信标中信标之间位置关系、各个信标与运动目标相对俯仰角之间的关系、异步磁场梯度相关内容,提出了一种基于粒子滤波算法的低频磁场域的动态目标跟踪方法,实现了一种高精度的目标跟踪方案。


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