一种地磁惯性融合导航方法及系统

1.本发明属于全球低空飞行器、水下潜航器自主导领域，具体涉及一种地磁惯性融合导航方法及系统。


背景技术：

2.地磁导航是利用磁强计对地磁场进行测量，将地磁测量值与地磁模型或地磁图进行比对，并通过导航算法确定出平台的当前位置，是一种自主性强、抗干扰能力高、可全天时使用的导航方式。当全球导航卫星系统(gnss)被干扰，甚至被破坏的情况下，可以为各种运动平台提供自主导航服务。
3.从地磁导航实现的技术路线来看，地磁导航分为地磁滤波式导航和地磁匹配式导航两种方式。地磁滤波式导航利用地磁测量数据和地磁主磁场模型数据进行比对，通过导航算法确定平台的位置，适用于高空及轨道飞行器；地磁匹配式导航利用地磁测量数据和地磁异常场地磁图数据进行比对，通过匹配方法确定平台的位置，适用于低空飞行器和水下潜航器。
4.由于地磁匹配式导航需要利用地磁图数据与地磁测量数据进行匹配才能确定平台的位置信息，在应用此项技术时，需要提前测量应用区域的地磁场信息，并构建地磁图；或者说地磁匹配式导航只能在具有先验地磁图的区域使用，这造成地磁匹配式导航无法在非合作区域或者无先验地磁图的区域为平台提供自主导航服务，即如果我国的低空无人机和水下潜航器在使用地磁匹配导航技术后，智能在非合作区域内自主运行，无法实现全球范围内容实现自主运行。
5.研究不依赖先验地磁图的地磁导航技术，可以使地磁导航技术在全球任意区域内使用，可以使我国低空无人机和水下潜航器在全球任意区域具备自主导航能力，为其在全球任意区域的自主运行奠定基础。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服现有地磁导航技术需要依赖先验地磁图的缺陷。
7.为了实现上述目的，本发明提出了一种地磁惯性融合导航方法，所述方法包括：
8.步骤1：利用惯导和磁强计的差分测量信息，对地磁异常场模型进行快速估计；
9.步骤2：利用所估计的地磁异常场模型作为基础，输入磁强计对地磁异常场持续跟踪测量结果，估计位置变化信息；
10.步骤3：利用所估计的位置变化修正惯导的位置漂移；
11.步骤4：重复步骤1-3，确定位置变化信息，实现地磁惯性融合自主导航。
12.作为上述方法的一种改进，所述步骤1具体包括：
13.利用惯导的测量数据和磁强计的测量数据，分别计算位置和地磁场的两次测量之间的差分信息和
14.[0015][0016]
其中，为相邻两次惯导的测量值；为i+1次磁强计测量的地磁异常场值，为i次磁强计测量的地磁异常场值；
[0017]
利用和进行地磁异常场模型估计。
[0018]
作为上述方法的一种改进，所述步骤2具体包括：
[0019]
利用下式得到估计的位置变化信息
[0020][0021]
其中，为两次地磁场测量信息的差分信息；μ0为真空磁导率；为磁偶极子所表示的地磁异常场的磁矩；为测量点到地磁异常场的磁矩中心的位置信息；r为测量点到地磁异常场的磁矩中心的位置标量信息；t为矢量转置。
[0022]
作为上述方法的一种改进，所述步骤3具体包括：
[0023]
利用替代进行惯导递推，即令真实位置变化信息等于
[0024]
本发明还提供一种地磁惯性融合导航系统，所述系统包括：
[0025]
地磁异常场估计模块，用于利用惯导和磁强计的差分测量信息，对地磁异常场模型进行快速估计；
[0026]
位置变化估计模块，用于利用所估计的地磁异常场模型作为基础，输入磁强计对地磁异常场持续跟踪测量结果，估计位置变化信息；
[0027]
修改惯导位置漂移模块，用于利用所估计的位置变化修正惯导的位置漂移；
[0028]
确定位置信息模块，用于确定位置变化信息，实现地磁惯性融合自主导航。
[0029]
作为上述系统的一种改进，所述地磁异常场估计模块的处理过程包括：
[0030]
利用惯导的测量数据和磁强计的测量数据，分别计算位置和地磁场的两次测量之间的差分信息和
[0031][0032][0033]
其中，为相邻两次惯导的测量值；为i+1次磁强计测量的地磁异常场值，为i次磁强计测量的地磁异常场值；
[0034]
利用和进行地磁异常场模型估计。
[0035]
作为上述系统的一种改进，所述位置变化估计模块的处理过程包括：
[0036]
利用下式得到估计的位置变化信息
[0037][0038]
其中，为两次地磁场测量信息的差分信息；μ0为真空磁导率；为磁偶极子所
表示的地磁异常场的磁矩；为测量点到地磁异常场的磁矩中心的位置信息；r为测量点到地磁异常场的磁矩中心的位置标量信息；t为矢量转置。
[0039]
作为上述系统的一种改进，所述修改惯导位置漂移模块的处理过程包括：
[0040]
利用替代进行惯导递推，即令真实位置变化信息等于
[0041]
与现有技术相比，本发明的优势在于：
[0042]
1、本技术一种地磁惯性融合导航方法，不同于地磁匹配导航方法，不需要区域地磁图的支持。
[0043]
2、本技术一种地磁惯性融合导航方法，可以在全球任意范围内为低空无人机和水下潜航器提供自主导航服务，为其在全球任意范围内自主运行奠定基础，是对地磁匹配导航技术的一种颠覆，具有巨大的意义和应用价值。
附图说明
[0044]
图1所示为地磁惯性融合导航方法原理图；
[0045]
图2所示为地磁惯性融合导航方法核心处理流程图；
[0046]
图3所示为地磁惯性融合导航方法流程图。
具体实施方式
[0047]
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细的说明。
[0048]
本发明是针对地磁匹配导航不能在非合作区域或无地磁图的区域不能为低空飞行器和水下潜航器提供自主导航服务的弊端，而提出的一种新型自主导航方法，该方法不同于地磁匹配导航，需要提前获取导航应用区域的地磁异常场地磁图，而只需要对地地磁异常场进行跟踪测量，在惯导的参与下，实现地磁/惯性融合自主导航。其基本原理为：首先利用惯导的位置信息对某区域地磁异常场进行在线快速估计；然后利用磁强计对地磁异常进行跟踪测量，反演位置的变化信息；最后利用所反演的位置变化信息，修正惯导的位置漂移，实现高精度的地磁/惯性融合自主导航技术。原理图如图1所示。
[0049]
本发明一种地磁惯性融合导航方法使用的测量传感器为惯导和磁强计。首先利用惯导的测量值对某地磁异常进行快速估计，然后基于磁强计对此异常场的持续跟踪测量，反演位置变化信息，最后利用此位置变化信息修正惯性导航的位置漂移信息，而今实现高精度的地磁/惯性融合导航技术。如图2所示，算法的核心为：地磁异常场快速估计
→
地磁异常场跟踪测量
→
位置变化信息反演估计
→
惯导位置漂移修正。
[0050]
实施例1：
[0051]
本发明提供一种地磁惯性融合导航方法，该方法包括：
[0052]
步骤1：利用惯导和磁强计的差分测量信息，对地磁异常场模型进行快速估计；本技术使用的地磁异常场模型为现有技术中通用的地磁异常场模型。
[0053]
步骤2：以磁强计对地磁异常场进行持续跟踪测量信息作为输入，利用所估计的地磁异常场模型作为基础，估计载体的位置变化信息；
[0054]
步骤3：利用所估计的载体的位置变化修正惯导的位置漂移；
[0055]
步骤4：重复步骤1-3，最优确定载体位置信息，实现地磁/惯性融合自主导航。
[0056]
一种地磁惯性融合导航方法的具体实施步骤为：
[0057]
步骤1：基于差分信息的地磁异常场模型的快速估计
[0058]
利用惯导的测量数据和磁强计的测量数据，分别计算位置和地磁场的两次测量之间的差分信息和其中：
[0059][0060]
式中，为相邻两次惯导的测量值，为相应惯导的漂移信息，在相邻两次测量中，惯导的漂移信息非常接近，可以被认为相等。
[0061][0062]
式中，为i+1次磁强计的测量值，为i次磁强计的测量值，测量值中包含地磁异常场和地磁主磁场在相邻两次的磁强计的测量过程中，可认为主磁场的变化很小，即
[0063]
利用惯导的差分测量信息和磁强计的差分测量信息可以实现地磁异常场模型的快速估计。由于差分测量信息不仅有效消除了惯导的漂移信息，而且也去掉了地球主磁场的信息，所以可以实现地磁异常场模型的高精度估计，为后续位置变化信息的估计奠定基础。
[0064]
步骤2：基于地磁异常场模块跟踪测量的位置变化信息估计
[0065]
地磁异常场利用磁偶极子可表示为：
[0066][0067]
将上式进行差分运算，可以得到：
[0068][0069]
其中，为地磁场测量信息，为两次地磁场测量信息的差分信息；μ0为真空磁导率；为磁偶极子所表示的地磁异常场的磁矩；为测量点到地磁异常场的磁矩中心的位置信息；r为测量点到地磁异常场的磁矩中心的位置标量信息；为对应地磁测量差分信息的位置变化信息，所以有t为矢量转置。这样由测量值可以得到位置变化信息为后续惯导修正奠定基础。
[0070]
步骤3：惯性导航位置漂移的修正
[0071]
在利用地磁异常估计位置变化信息时，由于地磁异常场模型的估计精度高，所估计的位置变化信息不含随时间因素的漂移。所以利用去校正惯导含有漂移的位置
变化信息，惯导在两次测量过程中有：
[0072][0073]
得到：
[0074][0075]
为真实的两次测量之间的位置变化信息，即在导航过程中中由于有的存在，所以会大于即
[0076][0077]
利用替代进行惯导递推，即令
[0078][0079]
既可以将惯导位置漂移误差信息δp去掉，进而实现高精度的地磁/惯性融合导航信息。
[0080]
步骤4：最值信息的最优估计
[0081]
利用修正后的惯导测量信息、磁强计测量信息继续优化地磁异常场模型，以迭代方式继续进行地磁/惯性融合导航，实现最优的位置信息估计。
[0082]
本发明提供的一种地磁惯性融合导航方法，可以在不依赖先验地图的情况下实现低空飞行器、水下潜航器的自主导航。该导航技术由于不依赖任何外部支持，所以可以在全球任意区域内使用。自主导航是实现运行平台自主运行的基础，一种不依赖先验地磁图的地磁/惯性融合导航方法可以为低空无人机和水下潜航器的全球自主运行奠定基础。
[0083]
实施例2：
[0084]
本发明还提供一种地磁惯性融合导航系统，所述系统包括：
[0085]
地磁异常场估计模块，用于利用惯导和磁强计的差分测量信息，对地磁异常场模型进行快速估计；
[0086]
位置变化估计模块，用于利用所估计的地磁异常场模型作为基础，输入磁强计对地磁异常场持续跟踪测量结果，估计位置变化信息；
[0087]
修改惯导位置漂移模块，用于利用所估计的位置变化修正惯导的位置漂移；
[0088]
确定位置信息模块，用于确定位置变化信息，实现地磁/惯性融合自主导航。
[0089]
本发明的创新点在于：利用磁强计对地磁异常场进行跟踪测量，对地磁异常场模型在线进行快速估计，并反演载体的位置变化信息，修正惯导的位置漂移，进而实现地磁/惯性融合导航。该技术不依赖先验地磁图即可实现低空飞行器和水下潜航器的地磁/惯性融合导航。
[0090]
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.一种地磁惯性融合导航方法，所述方法包括：步骤1：利用惯导和磁强计的差分测量信息，对地磁异常场模型进行快速估计；步骤2：利用所估计的地磁异常场模型作为基础，输入磁强计对地磁异常场持续跟踪测量结果，估计位置变化信息；步骤3：利用所估计的位置变化修正惯导的位置漂移；步骤4：重复步骤1-3，确定位置变化信息，实现地磁惯性融合自主导航。2.根据权利要求1所述的地磁惯性融合导航方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：利用惯导的测量数据和磁强计的测量数据，分别计算位置和地磁场的两次测量之间的差分信息和和和其中，其中，为相邻两次惯导的测量值；为i+1次磁强计测量的地磁异常场值，为i次磁强计测量的地磁异常场值；利用和进行地磁异常场模型估计。3.根据权利要求2所述的地磁惯性融合导航方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：利用下式得到估计的位置变化信息利用下式得到估计的位置变化信息其中，为两次地磁场测量信息的差分信息；μ0为真空磁导率；为磁偶极子所表示的地磁异常场的磁矩；为测量点到地磁异常场的磁矩中心的位置信息；r为测量点到地磁异常场的磁矩中心的位置标量信息；t为矢量转置。4.根据权利要求3所述的地磁惯性融合导航方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：利用替代进行惯导递推，即令真实位置变化信息等于5.一种地磁惯性融合导航系统，其特征在于，所述系统包括：地磁异常场估计模块，用于利用惯导和磁强计的差分测量信息，对地磁异常场模型进行快速估计；位置变化估计模块，用于利用所估计的地磁异常场模型作为基础，输入磁强计对地磁异常场持续跟踪测量结果，估计位置变化信息；修改惯导位置漂移模块，用于利用所估计的位置变化修正惯导的位置漂移；确定位置信息模块，用于确定位置变化信息，实现地磁惯性融合自主导航。6.根据权利要求5所述的地磁惯性融合导航系统，其特征在于，所述地磁异常场估计模块的处理过程包括：利用惯导的测量数据和磁强计的测量数据，分别计算位置和地磁场的两次测量之间的差分信息和和
其中，为相邻两次惯导的测量值；为i+1次磁强计测量的地磁异常场值，为i次磁强计测量的地磁异常场值；利用和进行地磁异常场模型估计。7.根据权利要求6所述的地磁惯性融合导航系统，其特征在于，所述位置变化估计模块的处理过程包括：利用下式得到估计的位置变化信息利用下式得到估计的位置变化信息其中，为两次地磁场测量信息的差分信息；μ0为真空磁导率；为磁偶极子所表示的地磁异常场的磁矩；为测量点到地磁异常场的磁矩中心的位置信息；r为测量点到地磁异常场的磁矩中心的位置标量信息；t为矢量转置。8.根据权利要求7所述的地磁惯性融合导航系统，其特征在于，所述修改惯导位置漂移模块的处理过程包括：利用替代进行惯导递推，即令真实位置变化信息等于

技术总结
本发明提供了一种地磁惯性融合导航方法及系统，所述方法包括：利用惯导和磁强计的差分测量信息，对地磁异常场模型进行快速估计；利用所估计的地磁异常场模型作为基础，输入磁强计对地磁异常场持续跟踪测量结果，估计位置变化信息；利用所估计的位置变化修正惯导的位置漂移；重复前述步骤，确定位置信息，实现地磁惯性融合自主导航。本发明的优势在于：本方法不同于地磁匹配导航方法，不需要区域地磁图的支持。可以在全球任意范围内为低空无人机和水下潜航器提供自主导航服务，为其在全球任意范围内自主运行奠定基础，是对地磁匹配导航技术的一种颠覆，具有巨大的意义和应用价值。具有巨大的意义和应用价值。具有巨大的意义和应用价值。


技术研发人员：高东 梁宇潇 韩鹏 卞春江
受保护的技术使用者：中国科学院国家空间科学中心
技术研发日：2023.02.22
技术公布日：2023/7/19