林沂，孫晶京,2，閆旭

( 1. 北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院, 北京 100871；2. 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)基礎(chǔ)部, 山西 太谷 030801 )

0 引言

地磁導(dǎo)航定位是多源融合導(dǎo)航定位技術(shù)體系中重要的技術(shù)手段之一，具有適用范圍廣、抗電磁干擾能力強(qiáng)、可全天時(shí)全天候工作等優(yōu)點(diǎn)，為運(yùn)動(dòng)載體特別是在地下、水下等衛(wèi)星信號(hào)接收受限的場(chǎng)景中提供一條無(wú)源被動(dòng)的自主導(dǎo)航定位技術(shù)解決途徑[1-4].

地磁導(dǎo)航定位利用地磁場(chǎng)強(qiáng)度隨地理空間位置變化具有不同分布的特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)載體的定位.地磁導(dǎo)航定位系統(tǒng)通過安裝在運(yùn)動(dòng)載體上的磁力儀，獲得運(yùn)動(dòng)航跡(軌跡)上的地磁場(chǎng)特征數(shù)據(jù)，與預(yù)先存儲(chǔ)的地磁場(chǎng)模型或地磁參考圖進(jìn)行匹配，以確定運(yùn)動(dòng)載體的實(shí)時(shí)位置，修正慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(inertial navigation system，INS)誤差. 地磁場(chǎng)的7 個(gè)地磁要素以及它們的組合都可以作為地磁特征數(shù)據(jù). 選擇地磁導(dǎo)航定位特征數(shù)據(jù)主要需考慮以下幾方面因素：1)空間差異明顯；2)隨時(shí)間變化緩慢；3)測(cè)量?jī)x器能夠準(zhǔn)確測(cè)量；4)受外界干擾小.

地磁輔助導(dǎo)航定位的基本原理與重力輔助導(dǎo)航定位方式類似，需要兩套工作系統(tǒng)，一套是預(yù)先處理系統(tǒng)，一套是實(shí)時(shí)定位系統(tǒng). 預(yù)先處理系統(tǒng)主要完成地磁基準(zhǔn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備；實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)主要包括地磁場(chǎng)的實(shí)時(shí)測(cè)量和定位計(jì)算.

根據(jù)地磁導(dǎo)航定位應(yīng)用的載體和場(chǎng)景不同，其實(shí)現(xiàn)過程存在一定差異，主要體現(xiàn)在：1)磁力儀傳感器；2)實(shí)時(shí)測(cè)量方法；3)導(dǎo)航定位算法. 本文將根據(jù)地磁導(dǎo)航定位的不同應(yīng)用場(chǎng)景做分類闡述，給出不同應(yīng)用場(chǎng)景下的原理性實(shí)現(xiàn)過程[5].

1 地磁導(dǎo)航定位常用磁力儀傳感器

在分場(chǎng)景闡述地磁導(dǎo)航定位技術(shù)前，首先概述常用的磁力儀傳感器. 目前市面上主流磁力儀傳感器如表1 所示. 地磁場(chǎng)的標(biāo)量測(cè)量主要使用質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀、光泵磁力儀等傳感器，其顯著特點(diǎn)是測(cè)量分辨率精度高、穩(wěn)定性好，但相應(yīng)裝置的體積較大，功耗較高. 因此，標(biāo)量測(cè)量適合外形尺寸較大的飛行器載體.地磁場(chǎng)的矢量測(cè)量主要使用磁通門磁力儀、磁阻傳感器等，同步測(cè)量地磁場(chǎng)矢量的三個(gè)分量. 矢量測(cè)量可獲取地磁場(chǎng)的三分量信息，也可通過矢量求模計(jì)算間接獲得磁場(chǎng)的總強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)間接的標(biāo)量測(cè)量. 矢量磁力儀的測(cè)量精度、分辨率水平相對(duì)較低(0.1～5 nT)，但體積相對(duì)較小，能耗、成本較低，故適用于小型飛行器載體，以及構(gòu)建面向數(shù)據(jù)融合的多傳感器測(cè)量系統(tǒng).

表1 主流磁力儀傳感器

2 航空地磁導(dǎo)航定位技術(shù)

航空地磁導(dǎo)航定位技術(shù)是指在飛行器載體內(nèi)應(yīng)用地磁導(dǎo)航定位技術(shù)，這里的飛行器指在大氣層內(nèi)，能飛離地面在空中飛行，可控制其飛行姿態(tài)和飛行高度的有人或無(wú)人飛行器. 地磁導(dǎo)航定位技術(shù)可作為衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)、慣性導(dǎo)航技術(shù)等導(dǎo)航定位技術(shù)的補(bǔ)充. 當(dāng)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)被干擾或不可用時(shí)，地磁導(dǎo)航定位系統(tǒng)與INS 組合，可為飛行器提供位置坐標(biāo)信息，提高整個(gè)導(dǎo)航定位系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性.

2.1 航空地磁導(dǎo)航定位的特征量的選擇

地磁導(dǎo)航定位參考的特征可以分為直接特征和間接特征，直接特征是指地磁場(chǎng)的七要素，比如地磁場(chǎng)總強(qiáng)度、磁偏角、地磁場(chǎng)北向分量等；間接特征是指除了地磁場(chǎng)的七要素以外的特征，比如地磁場(chǎng)的空間梯度、頻譜特征等. 在選擇特征量時(shí)，對(duì)特征量的選擇準(zhǔn)則可概括為：1)特征量的長(zhǎng)期變化比較穩(wěn)定；2)特征量的短期變化影響較??；3)特征量的實(shí)時(shí)測(cè)量對(duì)設(shè)備性能要求不高；4)基準(zhǔn)圖的獲取相對(duì)容易.

根據(jù)航空地磁導(dǎo)航定位的飛行平臺(tái)特點(diǎn)，地磁場(chǎng)的總場(chǎng)強(qiáng)度或者總場(chǎng)強(qiáng)度的梯度是比較適合航空地磁定位的特征量. 由此傳感器可選擇光泵磁力儀或者磁通門磁力儀.

2.2 航空地磁測(cè)量的實(shí)現(xiàn)

航空地磁能否實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位，在載體磁干擾下實(shí)現(xiàn)地磁場(chǎng)的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量是關(guān)鍵因素. 載體的組成部件中的各類磁性體和金屬導(dǎo)體，均在其周圍空間產(chǎn)生各種復(fù)雜的隨載體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化而變化的載體干擾磁場(chǎng). 特別在載體空間狹小，安裝位置受限的情況下，干擾磁場(chǎng)具有相當(dāng)強(qiáng)度，影響地磁場(chǎng)的準(zhǔn)確測(cè)量，因此必須在實(shí)時(shí)測(cè)量過程中去除由于載體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的干擾磁場(chǎng)[6].

載體的機(jī)械結(jié)構(gòu)、電控裝置、發(fā)動(dòng)機(jī)、隨動(dòng)部件等，均存在局部強(qiáng)磁場(chǎng)，此外，由于載體姿態(tài)的變化，引起載體內(nèi)部的磁通變化而產(chǎn)生渦流電場(chǎng)，進(jìn)而產(chǎn)生渦流磁場(chǎng). 這些構(gòu)成了對(duì)地磁場(chǎng)測(cè)量的復(fù)雜干擾.

載體固有磁干擾主要包括由載體結(jié)構(gòu)中的硬磁材料產(chǎn)生的剩磁干擾，以及電控裝置產(chǎn)生的雜散磁干擾等. 載體固有磁干擾與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)，但在載體運(yùn)動(dòng)時(shí)，固有磁場(chǎng)矢量與地磁場(chǎng)矢量的夾角在不斷變化，由此引起合成磁場(chǎng)變化，進(jìn)而產(chǎn)生對(duì)測(cè)量結(jié)果的干擾. 根據(jù)載體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，因固有磁干擾引起的干擾是最嚴(yán)重的背景干擾，其干擾強(qiáng)度與固有磁性的量值成正比.

載體的動(dòng)態(tài)磁干擾隨著載體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化而發(fā)生改變，主要包括由載體結(jié)構(gòu)受地磁場(chǎng)磁化而產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)，以及殼體導(dǎo)電材料在地磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的電渦流磁場(chǎng)等，其分布特性比較復(fù)雜，對(duì)地磁場(chǎng)實(shí)時(shí)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生顯著干擾.

采用光泵磁力儀作為地磁總強(qiáng)度直接測(cè)量?jī)x器，同時(shí)使用三軸矢量傳感器等提供載體在背景場(chǎng)中的姿態(tài)信息，用背景干擾磁場(chǎng)補(bǔ)償模型，對(duì)背景干擾磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償，消除載體剩磁、感應(yīng)磁場(chǎng)和渦流磁場(chǎng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)的精確測(cè)量，測(cè)量系統(tǒng)如圖1 所示.

圖1 航空地磁精確測(cè)量系統(tǒng)

2.3 航空地磁導(dǎo)航定位方法

2.3.1 批相關(guān)匹配算法

在利用地球物理場(chǎng)進(jìn)行導(dǎo)航的系統(tǒng)中，常采用的是批相關(guān)處理方法. 航空地磁導(dǎo)航定位批相關(guān)處理技術(shù)的基本原理可參照水下地磁導(dǎo)航系統(tǒng)(underwater geomagnetism contour matching，UGMCOM). 其基本思想是：當(dāng)載體運(yùn)行一段時(shí)間后，將INS 輸出的位置估計(jì)序列輸入預(yù)先存儲(chǔ)的地磁場(chǎng)基準(zhǔn)圖得到對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度序列(推估強(qiáng)度序列)，與由磁傳感器測(cè)得的真實(shí)航跡下的地磁強(qiáng)度序列(實(shí)測(cè)強(qiáng)度序列)進(jìn)行相關(guān)處理，所得相關(guān)極值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位置就是匹配位置，然后利用這個(gè)位置來(lái)對(duì)INS 進(jìn)行修正. 圖2 為基本原理示意圖.

圖2 批相關(guān)匹配算法的基本原理示意圖

批相關(guān)匹配算法具有如下優(yōu)點(diǎn)：1) 對(duì)初始位置誤差要求低；2) 不必對(duì)磁場(chǎng)做任何線性化假設(shè)，只要磁場(chǎng)變化特征明顯就可以工作；3) 求得的是全局最優(yōu)解.

但批相關(guān)匹配算法也存在以下問題：1) 如果推估強(qiáng)度序列由全局產(chǎn)生，即在整個(gè)地磁數(shù)字基準(zhǔn)圖中搜索； 2) 對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)在采集匹配數(shù)據(jù)期間的速度誤差和航向誤差敏感，因此采集數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度有限； 3) 存在基準(zhǔn)磁圖搜索間隔的量化誤差，使用小的搜索間隔能減少這種誤差，但會(huì)增加計(jì)算量；4) 處理數(shù)據(jù)量大，對(duì)數(shù)字計(jì)算機(jī)要求高，實(shí)時(shí)性較難保證. 無(wú)論是基準(zhǔn)磁圖的搜索、變換、相關(guān)計(jì)算、比較都有大量數(shù)據(jù)需要處理，故實(shí)時(shí)較差；5) 由于在相關(guān)處理算法中，實(shí)測(cè)強(qiáng)度序列始終以磁傳感器采集的數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，并未考慮其誤差，故此算法的魯棒性差.

2.3.2 測(cè)量序列向上延拓的批相關(guān)匹配算法

通常地磁參考圖僅是某一平面的已有數(shù)據(jù)，而且一般是通過海面測(cè)量或航空測(cè)量，通常是對(duì)應(yīng)某一海拔高度. 為此在探討匹配定位的問題時(shí)，一個(gè)不容忽視的情況是參考圖與測(cè)量序列的高度不統(tǒng)一. 針對(duì)該情況，在探討航空地磁批相關(guān)匹配的算法的同時(shí)，類似水下地磁導(dǎo)航定位，須引入對(duì)磁圖高度不同于測(cè)量序列這一特殊情況的處理，即增加地磁數(shù)據(jù)的延拓處理.

測(cè)量序列向上延拓的批相關(guān)匹配算法(UGMCOM based on measurement sequence upward continuation，MSUC-UGMCOM)包含兩個(gè)環(huán)節(jié)：二維磁異常的向上延拓與批相關(guān)匹配. 首先對(duì)測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度序列進(jìn)行分解，分別獲得其正常場(chǎng)與異常場(chǎng)部分. 正常場(chǎng)的計(jì)算利用的是有限距離內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度差異度可忽略，然后利用國(guó)際地磁參考場(chǎng)模型(international geomagnetic reference field，IGRF)模型計(jì)算磁圖高度處的正常場(chǎng)值，而異常場(chǎng)部分則作向上延拓運(yùn)算. 將磁圖高度處的計(jì)算正常場(chǎng)值與異常場(chǎng)值相加，重新獲得該處的地磁分布序列. 然后利用UGMCOM 算法進(jìn)行匹配定位.

選取某局部區(qū)域的地磁圖，如圖3 所示，基于地磁異常上延操作準(zhǔn)確度較高，對(duì)其進(jìn)行上延作為基準(zhǔn)磁圖. 而從已知地磁圖中按照INS 指示航跡抽取地磁總強(qiáng)度幅值序列，加上測(cè)量的高斯白噪聲作為真實(shí)測(cè)量序列. 然后利用MSUC-UGMCOM 算法進(jìn)行匹配定位.

圖3 實(shí)測(cè)平面的某局部區(qū)域磁圖

所用區(qū)域磁場(chǎng)的相關(guān)參數(shù)為：經(jīng)度范圍為105.7920°W～105.6208°W，緯度范圍為37.2128°N～37.3282°N，采樣間距為50 m，高度為150 m，如圖4所示，構(gòu)造基準(zhǔn)磁圖的上延高度為100 m. 利用IGRF模型計(jì)算得到的正常場(chǎng)平均值為52009.1 nT，上延100 m 正常場(chǎng)部分的差值為2.6 nT.

圖4 作為基準(zhǔn)磁圖的上延分布

地磁測(cè)量的附加誤差為幅值4 nT 的高斯白噪聲.INS 偏移誤差為200 m，采樣序列累積長(zhǎng)度為30 個(gè)采樣點(diǎn)，采用MSUC-UGMCOM 算法的定位結(jié)果如圖5 所示，該算法具有基本的定位可用性. 但由于測(cè)量序列兩端的斷點(diǎn)對(duì)上延后的結(jié)果產(chǎn)生影響，同時(shí)上延使得分布特征變?nèi)酰虼诵枰獙?duì)航空地磁匹配定位算法做進(jìn)一步的思考.

圖5 MSUC-UGMCOM 算法的定位結(jié)果

3 水下地磁導(dǎo)航定位技術(shù)

水下地磁導(dǎo)航定位技術(shù)是指在水面或水下航行器內(nèi)應(yīng)用地磁導(dǎo)航定位技術(shù)，航行器是指可以航行于水面或水下，或兩者兼可的航行體，包括載人航行器和無(wú)人航行器. 在海洋開發(fā)日益重要的現(xiàn)在，航行器能夠完成運(yùn)輸、勘探、偵測(cè)甚至是軍事上的進(jìn)攻防守等任務(wù)，無(wú)論是在民用還是在軍用上，都扮演著重要的角色. 導(dǎo)航定位技術(shù)作為航行器能否順利執(zhí)行任務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)之一，發(fā)揮著重要作用. 地磁導(dǎo)航定位技術(shù)作為一種導(dǎo)航定位手段，為航行器的導(dǎo)航定位提供了多一種選擇[7-9].

3.1 水下地磁導(dǎo)航定位的特征量的選擇

水下載體一般采取拖曳式測(cè)量方式，磁力儀很難姿態(tài)穩(wěn)定，而且磁力儀的姿態(tài)和水下載體的姿態(tài)并不相同，故無(wú)法通過水下載體的姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)獲得磁力儀的姿態(tài)，也無(wú)法獲得磁傳感器在大地坐標(biāo)系下的姿態(tài)，所以根據(jù)水下平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)和磁測(cè)特點(diǎn)，水下應(yīng)用地磁導(dǎo)航定位技術(shù)，優(yōu)選地磁場(chǎng)總場(chǎng)強(qiáng)度是比較適合的特征量，磁力儀傳感器可選擇光泵磁力儀或者磁通門磁力儀，光泵磁力儀可直接測(cè)得地磁場(chǎng)總強(qiáng)度，磁通門磁力儀可通過三分量矢量求和的方式計(jì)算得到地磁場(chǎng)總強(qiáng)度[10].

3.2 水下地磁測(cè)量的實(shí)現(xiàn)

為了減少船體對(duì)測(cè)量的影響，水下地磁測(cè)量盡量選擇拖曳式測(cè)量方式，拖曳距離與船體的干擾大小有關(guān)，船體磁場(chǎng)越大，拖曳距離越遠(yuǎn). 一般選擇50～100 m.

對(duì)每一條測(cè)線根據(jù)起始位置判斷測(cè)量方向，對(duì)于南北向測(cè)線，由南至北，需要減去拖魚至差分全球定位系統(tǒng)(Difference Global Positioning System, DGPS)天線之間線纜長(zhǎng)度；反之，則加上拖魚至DGPS 天線之間線纜長(zhǎng)度. 對(duì)于東西向測(cè)線，則需對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行X方向上位置修正，由西至東，需要在X方向上減去拖魚至DGPS 天線之間線纜長(zhǎng)度；反之，則加上拖魚至DGPS 天線之間線纜長(zhǎng)度. 對(duì)于斜向，首先根據(jù)斜率分別計(jì)算X、Y方向修正值，然后根據(jù)X、Y方向分別進(jìn)行修正[11-12].

3.3 水下地磁導(dǎo)航定位方法

由于地磁本身存在的擾動(dòng)性，以及磁力儀拖曳存在一定擺動(dòng)[13]，即使對(duì)非線性函數(shù)采用高階近似，仍然存在非量測(cè)的誤差干擾. 同時(shí)地磁場(chǎng)分布在量測(cè)序列的有限區(qū)間內(nèi)，無(wú)法保證滿足高斯分布. 采用適用于較大干擾環(huán)境，基于蒙特卡羅隨機(jī)采樣的粒子濾波算法[14-18]，可以解決非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)過程狀態(tài)非高斯分布的濾波問題.

濾波中應(yīng)用蒙特卡羅方法可以追溯至1969—1970 年. 作為非線性濾波方法之一的粒子濾波，可以針對(duì)非線性和非高斯模型. 它是一種對(duì)于給定狀態(tài)變量分布序列提供迭代蒙特卡羅近似的算法，通過采集狀態(tài)空間的大量點(diǎn)近似所需的概率密度函數(shù)(probability density function，PDF)，這些點(diǎn)被稱為粒子. 每一個(gè)粒子對(duì)應(yīng)一個(gè)給定的權(quán)值，狀態(tài)變量的分布可以采用依賴于每個(gè)粒子的離散分布近似，每個(gè)粒子賦予的概率正比于權(quán)重. 這些粒子是按照所需PDF 隨機(jī)選定的采樣. 于是，隨著粒子數(shù)目的增加，它們有效地提供了對(duì)于所需PDF 的良好近似. 粒子濾波不僅應(yīng)用于航位推算[19]、地形導(dǎo)航[20]，而且用于目標(biāo)的跟蹤[21]，當(dāng)前針對(duì)粒子濾波導(dǎo)航提出了一些改進(jìn)算法[22-25].

當(dāng)系統(tǒng)維數(shù)較高時(shí)，單獨(dú)采用粒子濾波將需要大量的粒子，使得運(yùn)算量過大. Rao-Blackwellized 算法將系統(tǒng)分為非線性部分和近似的線性部分. 對(duì)于其中的非線性部分，利用粒子濾波進(jìn)行濾波；而剩余的線性部分則運(yùn)用Kalman 濾波器進(jìn)行濾波. 結(jié)合Rao-Blackwellized 算法作為理論基礎(chǔ)，探討粒子濾波在位置修正中的作用.

采用實(shí)測(cè)的海洋局部磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，同時(shí)為彌補(bǔ)驗(yàn)證樣本的多樣性，采用另一航空磁測(cè)數(shù)據(jù)作為補(bǔ)充. 兩者均為規(guī)則格網(wǎng)形式. 航空磁測(cè)數(shù)據(jù)的格網(wǎng)間距為50 m，共480×480 個(gè)點(diǎn). 海洋磁測(cè)數(shù)據(jù)格網(wǎng)間距為50 m，共50×50 個(gè)點(diǎn). 粒子采樣數(shù)為50000. 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6～11 所示.

圖6 航空磁測(cè)數(shù)據(jù)仿真試驗(yàn)結(jié)果

圖7 基于航磁北向定位誤差

圖9 海洋磁測(cè)數(shù)據(jù)仿真試驗(yàn)結(jié)果

圖10 基于海磁北向定位誤差

圖11 基于海磁東向定位誤差

粒子濾波算法在初始采樣估計(jì)的過程中，存在偏離載體真實(shí)位置的可能，但隨著采樣估計(jì)的遞推，濾波效果由于粒子坍塌等問題偏差增大. 采用重采樣方法，可使定位結(jié)果回復(fù)至水下載體真實(shí)位置附近. 同時(shí)雖然水下載體航行低速的特點(diǎn)對(duì)算法的實(shí)時(shí)性要求不高，粒子濾波算法的運(yùn)算速度方面仍需改進(jìn).

粒子濾波的改進(jìn)算法有很多. 其中利用先驗(yàn)知識(shí)給出可能分布的一種近似，是對(duì)該方法的有效改進(jìn)之一，如無(wú)跡粒子濾波(unscented particle filter，UPF)算法[26]. 這些方法為粒子濾波定位結(jié)果精度與運(yùn)行速度的提高提供了可能. 實(shí)際上盡量使得測(cè)量序列呈現(xiàn)高斯?fàn)顟B(tài)也是一種改進(jìn)的有效措施，考慮到濾波模式并不存儲(chǔ)前一狀態(tài)的信息以提高效率，序列的濾波消噪無(wú)法執(zhí)行. 結(jié)合迭代點(diǎn)與上一點(diǎn)之前因高頻采樣存在冗余信息，因此采用離線辨識(shí)的方法去除導(dǎo)致非高斯性明顯的實(shí)時(shí)測(cè)量野值，降低粒子數(shù)目，提高定位精度及運(yùn)行效率.

4 地面車輛地磁導(dǎo)航定位技術(shù)

無(wú)人駕駛汽車和機(jī)器人等地面無(wú)人交通和運(yùn)輸工具，給人們的工作和生活帶來(lái)越來(lái)越多的便利，隨著5G、高分辨率地圖、傳感器技術(shù)、人工智能技術(shù)等的發(fā)展，無(wú)人駕駛車輛受到越來(lái)越多的關(guān)注，成為新一代信息技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[27-28]. 國(guó)內(nèi)外對(duì)于無(wú)人駕駛汽車的研究多衍生于微型輪式移動(dòng)車輛控制領(lǐng)域，集中于對(duì)車輛局部周邊環(huán)境感知、同時(shí)定位與地圖構(gòu)建、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與控制的研究. 實(shí)時(shí)精確定位行駛中車輛對(duì)于車輛導(dǎo)航系統(tǒng)、車聯(lián)網(wǎng)、無(wú)人駕駛汽車等智能車輛技術(shù)是十分重要的. 各種采用單一定位源進(jìn)行獨(dú)立的定位方案，均存在不同類型缺點(diǎn)：GNSS 無(wú)法高頻輸出，且受障礙物干擾嚴(yán)重；INS 定位誤差隨時(shí)間積累，較長(zhǎng)時(shí)間后定位結(jié)果存在很大偏差，采用單一定位源的車輛定位方法可靠性無(wú)法保證. 近年來(lái)采用多傳感器融合進(jìn)行車輛定位的方法受到越來(lái)越高的重視，特別是地磁導(dǎo)航定位技術(shù)，是對(duì)現(xiàn)有導(dǎo)航定位技術(shù)的一個(gè)有效補(bǔ)充[4].

4.1 地面車輛地磁定位的特征量的選擇

根據(jù)地面車輛的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，磁力儀可固定安裝在車上，與其他場(chǎng)景和平臺(tái)不同之處在于，道路上行駛的車輛除了可以選擇地磁場(chǎng)總場(chǎng)強(qiáng)度以外，還可以選擇三分量作為地磁定位的特征量. 測(cè)力儀選擇光泵磁力儀或者磁通門磁力儀.

4.2 地面車輛地磁測(cè)量的實(shí)現(xiàn)

建立磁通門磁力儀零偏、靈敏度、正交誤差角三個(gè)固有參數(shù)與輸出磁場(chǎng)強(qiáng)度關(guān)系的理論模型，通過標(biāo)量匹配法，給出基于最小二乘法求解傳感器的9 個(gè)固有參數(shù)求解算法，然后對(duì)磁通門磁力儀的9 個(gè)固有參數(shù)修正. 磁通門傳感器校正流程如圖12 所示.

圖12 磁通門傳感器校正流程

4.3 地面車輛地磁導(dǎo)航定位方法

匹配算法在測(cè)量噪聲較低的情況下，定位效果較好. 結(jié)合地磁場(chǎng)存在擾動(dòng)的狀況，對(duì)實(shí)測(cè)序列的降噪提出了明確的要求. 首先需要剔除磁暴等引發(fā)的野值，其次需要減弱地磁場(chǎng)微擾動(dòng). 雖然已提出的消噪方法整體上具有較好的效果，但仍無(wú)法避免定位判定函數(shù)的結(jié)果因單點(diǎn)的較大偏移而導(dǎo)致發(fā)散. 因此對(duì)于定位判定規(guī)則同樣進(jìn)行考慮，采用Huber 型M-估計(jì)的方法改進(jìn)批相關(guān)函數(shù).

M-估計(jì)是最大似然率估計(jì)的一種常用形式，其中參數(shù)P可以通過最大化其對(duì)應(yīng)的似然方程F來(lái)獲得. Huber 函數(shù)是M-估計(jì)器的一種有效實(shí)現(xiàn)方式. 它是0 值附近的拋物線，在給定的 |r|＞k范圍內(nèi)線性增加，這限制了野值的影響. 利用該估計(jì)器，標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布接近95%的漸進(jìn)效率可以通過調(diào)諧常數(shù)k=1.345σ獲得，其中 σ 是誤差的估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏差. 對(duì)于調(diào)諧常數(shù)k的相同值，它對(duì)于很多正態(tài)分布同等有效. Huber型M-估計(jì)器相關(guān)度(Huber’s M-estimation corelation，HMC)給出了測(cè)量序列與基準(zhǔn)磁圖中的供比較序列之間的相似度度量，它的值可以利用Huber 統(tǒng)計(jì)計(jì)算得到. 相關(guān)的掩膜函數(shù)可以壓縮野值的影響. 計(jì)算相關(guān)度的標(biāo)準(zhǔn)差 σ 是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，它可以通過測(cè)量序列和可供比較序列的殘差自適應(yīng)尋找過程中計(jì)算出來(lái).

作為魯棒定位算法目標(biāo)函數(shù)的Huber 型M-估計(jì)器，它的掩膜函數(shù)減少了高噪聲與缺失采樣的影響，相對(duì)求解相關(guān)度的定位算法具有優(yōu)勢(shì). 結(jié)合側(cè)重特征提取的定位定向算法與側(cè)重目標(biāo)確認(rèn)的Huber 型M-估計(jì)定位判定規(guī)則，可提供較佳的定位結(jié)果.

5 行人地磁導(dǎo)航定位技術(shù)

隨著GNSS 的成熟，面向行人的導(dǎo)航定位技術(shù)特別是室內(nèi)/地下等封閉空間的行人定位成為研究熱點(diǎn).行人導(dǎo)航定位可以用于消費(fèi)者在購(gòu)物中心、車站、機(jī)場(chǎng)、場(chǎng)館等的室內(nèi)信息指引，特殊行業(yè)定位跟蹤從而提升企業(yè)安全管理的智能化水平；在應(yīng)急救援搜救、反恐、消防、軍事、執(zhí)法、罪犯跟蹤等應(yīng)用領(lǐng)域，通過定位掌握任務(wù)執(zhí)行人員的位置和狀態(tài)，確保任務(wù)安全可靠協(xié)同高效執(zhí)行[4,29-30]. 位置服務(wù)對(duì)行人意義重大，但是人類70%的活動(dòng)場(chǎng)景在室內(nèi)，而GNSS 適合室外無(wú)遮擋區(qū)域的位置服務(wù)，所以行人導(dǎo)航定位不能完全依賴GNSS，地磁導(dǎo)航定位技術(shù)為行人在室內(nèi)或者地下等封閉空間的位置服務(wù)提供了一種技術(shù)途經(jīng).

5.1 行人地磁定位的特征量的選擇

磁場(chǎng)定位的工作過程如下，智能手機(jī)或者其他定制終端隨著人的行走或者車的移動(dòng)，其內(nèi)部的磁傳感器芯片不斷采集行走/行駛路線上的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，將磁傳感器實(shí)際測(cè)量的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)與預(yù)先采集得到的地磁圖進(jìn)行搜索匹配. 在地磁圖內(nèi)找到和測(cè)量磁場(chǎng)數(shù)據(jù)最相似的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)所在的位置，即認(rèn)為是智能手機(jī)所在的位置，即行人的位置. 因此針對(duì)行人應(yīng)用地磁定位，由于磁傳感器無(wú)法和行人進(jìn)行固定連接，只能選擇地磁場(chǎng)總強(qiáng)度作為特征量[31].

5.2 行人地磁測(cè)量的實(shí)現(xiàn)

人員定位對(duì)傳感器的成本、大小和易用性提出了特別要求，隨著芯片技術(shù)的發(fā)展，目前磁阻傳感器已經(jīng)可以滿足人員定位需求，所以人員定位選擇磁阻傳感器作為磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x器，通過三分量磁場(chǎng)合成總場(chǎng)強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)定位.

5.3 行人地磁導(dǎo)航定位方法

人員地磁定位方案，具體流程如圖13 所示. 首先完成地磁數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建；在定位階段，提取智能手機(jī)提供的姿態(tài)信息(這里主要是航向，由于目前大多數(shù)的智能設(shè)備均提供了成熟的濾波算法用于獲取設(shè)備姿態(tài)，因此本文未加入姿態(tài)濾波算法)、加速度、磁以及藍(lán)牙掃描得到的信號(hào)強(qiáng)度，首先基于加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行行人步態(tài)檢測(cè)及步長(zhǎng)估計(jì)，并結(jié)合航向信息進(jìn)行行人航位推算(pedestrian dead reckoning，PDR)，然后將磁場(chǎng)數(shù)據(jù)和PDR 結(jié)果進(jìn)行對(duì)應(yīng)(這里選取10 步長(zhǎng)度的PDR 結(jié)果)，獲取一定長(zhǎng)度的含有相對(duì)位置的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，在藍(lán)牙定位結(jié)果基礎(chǔ)上，若當(dāng)前的軌跡符合判別條件，則進(jìn)行磁場(chǎng)匹配，輸出磁場(chǎng)定位結(jié)果，若當(dāng)前軌跡不符合判別條件，則直接輸出藍(lán)牙定位結(jié)果.

圖13 多源信息融合的室內(nèi)定位方案

在圖13 所示的融合定位方案中，軌跡判別主要基于當(dāng)前提取軌跡的航向信息進(jìn)行判別，即航向變化小于某個(gè)閾值時(shí)進(jìn)行后續(xù)的融合定位. 磁場(chǎng)導(dǎo)航定位流程如圖14 所示.

圖14 磁場(chǎng)定位流程

通過對(duì)多源信息融合定位方法進(jìn)行行人地磁導(dǎo)航定位的試驗(yàn)驗(yàn)證，選取的驗(yàn)證場(chǎng)所為辦公室環(huán)境，并包含一條長(zhǎng)直的走廊. 掃描設(shè)備掃描到的場(chǎng)景平面圖如圖15 所示，長(zhǎng)50 m，寬20 m. 藍(lán)牙基站的安裝位置如圖16 所示，總共安裝有14 個(gè)藍(lán)牙基站. 生成的走廊內(nèi)磁場(chǎng)的平面分布如圖17 所示，構(gòu)成了檢測(cè)行人地磁導(dǎo)航定位的實(shí)驗(yàn)環(huán)境.

圖15 試驗(yàn)場(chǎng)景平面圖

圖16 藍(lán)牙基站安裝位置

圖17 驗(yàn)證場(chǎng)景磁場(chǎng)分布圖

進(jìn)行導(dǎo)航定位驗(yàn)證時(shí)，行走軌跡如圖18 所示，實(shí)時(shí)定位結(jié)果如圖19 所示，誤差概率累積分布如圖20所示，60%概率下定位誤差小于1.4 m. 上述結(jié)果基本驗(yàn)證了行人地磁導(dǎo)航定位的可行性.

圖18 定位驗(yàn)證時(shí)行走軌跡

圖19 定位結(jié)果

圖20 誤差概率累積分布圖

6 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)地磁導(dǎo)航定位技術(shù)在不同的應(yīng)用場(chǎng)景和應(yīng)用平臺(tái)下的實(shí)現(xiàn)過程進(jìn)行了原理性描述和案例性驗(yàn)證，由于磁場(chǎng)信息天然存在、變化豐富；磁場(chǎng)定位是無(wú)源定位，不需要借助外在通信信號(hào)，不向外輻射能量，隱蔽性強(qiáng)；一般人工很難產(chǎn)生大范圍的固有磁干擾，影響環(huán)境磁場(chǎng)分布特性. 而環(huán)境中的電流、電氣設(shè)備開關(guān)機(jī)、無(wú)線電等產(chǎn)生的隨機(jī)干擾磁場(chǎng)其頻譜和環(huán)境固有磁場(chǎng)的頻譜存在明顯差異，可通過專業(yè)的磁信號(hào)處理方法進(jìn)行識(shí)別處理，因此磁場(chǎng)導(dǎo)航定位具有較強(qiáng)的抗干擾能力，適應(yīng)性較強(qiáng)，由此，為一系列特殊場(chǎng)景的導(dǎo)航定位提供了一條重要的技術(shù)途經(jīng).隨著人工智能[32]等技術(shù)的日漸引入，地磁導(dǎo)航定位技術(shù)在不同的應(yīng)用場(chǎng)景下，將呈現(xiàn)出更為廣闊高效的作用模式和發(fā)展前景.

致謝：感謝尚可的討論.