一種基於地磁匹配的地磁日變修正方法
2023-12-09 15:00:16
專利名稱：一種基於地磁匹配的地磁日變修正方法
技術領域：
本發明涉及一種基於地磁匹配的地磁日變修正方法，屬於高精度地磁匹配導航的關鍵技術領域。
背景技術：
地磁導航是當前國際導航領域的一大研究熱點，具有高度自主性、隱蔽性、無輻射、能耗低等諸多優點，能彌補慣導系統位置誤差長期累積的不足，也能克服GPS等衛星有源導航系統易被偵測和受幹擾等缺陷，已成為隱蔽性運動載體無源導航的重要手段，廣泛應用於潛艇、飛彈和太空飛行器輔助導航等領域，展現出巨大的軍事價值和應用前景。然而，地磁匹配導航定位精度不高嚴重製約了其在相關領域的工程應用。地磁日變是影響地磁匹配導航精度的重要因素之一。在地磁匹配導航研究中，許多學者指出了地磁日變的重要性，但沒有開展深入的研究。目前的研究表明地磁日變對地磁導航的影響是不容忽視的，但存在以下問題:①多數研究對地磁日變影響只進行了簡單的探討；②部分研究直接將日變以噪聲的形式加入到仿真中；③部分研究完全忽略地磁日變效應。傳統日變場的分析方法有日均值法和子夜均值法。其中日均值法模糊了日變白天變化大、夜間變化小的特點。子夜均值法以子夜均值為基線值，但基線值的選擇具有很大的人為影響因素，容易給匹配定位帶來新的誤差源。FMI (Finish MeteorologicalInstitute,芬蘭氣 象局)方法是一種基於三天的地磁場X、Y分量分鐘值觀測數據為數據源計算中間一天K指數的計算方法，此方法由該氣象局提出。與前述兩者相比，FMI方法是對觀測數據的直接擬合，不需選取基線值，減少了人為誤差，所提取的日變更為客觀、真實，具有較大的適用性。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種能用於地磁匹配導航定位中的地磁日變修正方法，基於FMI方法提取地磁日變成分，在多維地磁特徵量匹配中消除地磁日變效應，從而提高地磁匹配導航定位精度。本發明為解決上述技術問題採用以下技術方案:一種基於地磁匹配的地磁日變修正方法，包括以下步驟:步驟I,選取地磁匹配特徵量,所述地磁匹配特徵量為三個地磁分量,包括北向分量X、東向分量Y、垂直分量Z ；步驟2，基於FMI方法從地磁匹配特徵量的實測數據中提取各地磁匹配特徵量的
日變量；步驟3，通過地磁匹配特徵量的實測數據減去與其對應的日變量，建立地磁實時步驟4，基於多維特徵量匹配對地磁實時圖和地磁基準圖進行匹配；步驟5，輸出匹配結果。作為本發明的基於地磁匹配的地磁日變修正方法的進一步優化方案，所述步驟2涉及的實測數據是由磁傳感器採集的；所述基於FMI方法從實測數據中提取日變量包括以下步驟:步驟2.1，根據地磁匹配特徵量的擾動幅度a分別確定與各地磁匹配特徵量相對應的K指數的初始值Kxtl、Kyc1、Kztl,取Ktl=Hiax (Kxo, KY0, Kzo)，所述擾動幅度a為每3小時時段內地磁匹配特徵量的實測數據的最大值和最小值間的差值；步驟2.2，地磁匹配特徵量的時均值由該小時及其前後各(m+n)分鐘的數據平均值來計算，然後利用5次諧波函數對時均值進行擬合，生成Sk曲線；所述n = K33 ；m與地方時有關:地方時3點到6點和18點到21點，m取60 ;地方時7點到17點，m取O ;其餘時間，m取90 ；步驟2.3，分別計算地磁匹配特徵量的實測數據與Sk曲線的殘差序列，由殘差序列的3小時擾動幅度a分別確定與各地磁匹配特徵量相對應的K指數的中間值K5^Hzm,取Km-max (KXm, KYm, KZm)；步驟2.4，重複步驟2.2和步驟2.3的計算一次，再次得到K指數的中間值
Km=Hiax (KXm, KYm, KzJ，此 Km 即為 K 指數的最終值；步驟2.5，由K指數的最終值，代入步驟2.2計算，生成最終Sk曲線；步驟2.6，計算最終Sk曲線與地球主磁場和磁異常間的差值，得到地磁匹配特徵量
的日變量。作為本發明的基於地磁匹配的地磁日變修正方法的進一步優化方案,所述步驟4涉及的地磁基準圖是指基於地磁模型建立的基準資料庫，或基於測量資料繪製的地磁圖。作為本發明的基於地磁匹配的地磁日變修正方法的進一步優化方案，步驟4涉及的多維特徵量匹配是指通過3個地磁匹配特徵量按照先後順序分別進行匹配，即以北向分量X、東向分量Y、垂直分量Z這三個獨立特徵量進行匹配，具體包含以下步驟:步驟4.1，以北向分量X作為第一匹配特徵量，根據子夜均值附近北向分量X的日變大小設定閾值λ χ，以北向分量X的實時數據Bx在地磁基準資料庫Rx,y,z={Bx，By, BJ中搜索滿足給定地磁匹配算法條件的匹配點，設該匹配結果為點集Ry，z={B' y，B' J;其中，Bx，By，Bz分別表示三個地磁分量上的地磁基準數據，B' y，B' 2分別表示在基準資料庫中搜索出的東向分量、垂直分量上的地磁基準數據；步驟4.2，以東向分量Y作為第二匹配特徵量，根據子夜均值附近東向分量Y的日變大小設定閾值λ γ，以東向分量Y的實時數據By在集合Ry，z中搜索滿足給定地磁匹配算法條件的匹配點，設該匹配結果為點集Rz= {B" J，其中，B" z表示在集合Ry, z中進一步搜索出的垂直分量上的地磁基準數據；步驟4.3，以垂直分量Z作為第三匹配特徵量，以垂直分量Z的實時數據Bz在集合Rz中搜索滿足給定地磁匹配算法條件的匹配點，該點即為最佳匹配位置。作為本發明的基於地磁匹配的地磁日變修正方法的進一步優化方案,所述地磁匹配算法為常用的相關分析匹配算法，包括平均平方差算法MSD、平均絕對差算法MAD、平方差算法SD、絕對差算法AD、 積相關算法PROD。
作為本發明的基於地磁匹配的地磁日變修正方法的進一步優化方案,所述地磁匹配算法為平均絕對差算法MAD，具體如下:
權利要求
1.一種基於地磁匹配的地磁日變修正方法，其特徵在於，包括以下步驟: 步驟I，選取地磁匹配特徵量，所述地磁匹配特徵量為三個地磁分量，包括北向分量X、東向分量Y、垂直分量Z ； 步驟2，基於FMI方法從地磁匹配特徵量的實測數據中提取各地磁匹配特徵量的日變量; 步驟3，通過地磁匹配特徵量的實測數據減去與其對應的日變量，建立地磁實時圖； 步驟4，基於多維特徵量匹配對地磁實時圖和地磁基準圖進行匹配； 步驟5，輸出匹配結果。
2.根據權利要求1所述的基於地磁匹配的地磁日變修正方法，其特徵在於，所述步驟2涉及的實測數據是由磁傳感器採集的；所述基於FMI方法從實測數據中提取日變量包括以下步驟: 步驟2.1，根據地磁匹配特徵量的擾動幅度a分別確定與各地磁匹配特徵量相對應的K指數的初始值KX(1、KY(1、KZ(I，取Ktl=Hiax (Kxo, KY0, Kzo)，所述擾動幅度a為每3小時時段內地磁匹配特徵量的實測數據的最大值和最小值間的差值； 步驟2.2，地磁匹配特徵量的時均值由該小時及其前後各(m+n)分鐘的數據平均值來計算，然後利用5次諧波函數對時均值進行擬合，生成Sk曲線；所述n=K33 ;m與地方時有關:地方時3點到6點和18點到21點，m取60 ;地方時7點到17點，m取O ;其餘時間，m取90 ； 步驟2.3，分別計算地磁匹配特徵量的實測數據與Sk曲線的殘差序列，由殘差序列的3小時擾動幅度a分別確定與各地磁匹配特徵量相對應的K指數的中間值Κ&、KYm、Kzm，取Km-max (KXm, KYm, KZm)； 步驟2.4，重複步驟2.2和步驟2.3的計算一次，再次得到K指數的中間值 Km=Hiax (Kail, KYm, Kzm)，此Km即為K指數的最終值； 步驟2.5，由K指數的最終值，代入步驟2.2計算，生成最終Sk曲線； 步驟2.6，計算最終Sk曲線與地球主磁場和磁異常間的差值，得到地磁匹配特徵量的日變量。
3.根據權利要求1所述的基於地磁匹配的地磁日變修正方法，其特徵在於，所述步驟4涉及的地磁基準圖是指基於地磁模型建立的基準資料庫，或基於測量資料繪製的地磁圖。
4.根據權利要求1所述的基 於地磁匹配的地磁日變修正方法，其特徵在於，步驟4涉及的多維特徵量匹配是指通過3個地磁匹配特徵量按照先後順序分別進行匹配，即以北向分量X、東向分量Y、垂直分量Z這三個獨立特徵量進行匹配，具體包含以下步驟: 步驟4.1，以北向分量X作為第一匹配特徵量，根據子夜均值附近北向分量X的日變大小設定閾值λ χ，以北向分量X的實時數據Bx在地磁基準資料庫Rx,y,z={Bx，By, BJ中搜索滿足給定地磁匹配算法條件的匹配點，設該匹配結果為點集Ry，z={B' y，B' J ;其中，Bx，By，Bz分別表示三個地磁分量上的地磁基準數據，B' y，B' z分別表示在基準資料庫中搜索出的東向分量、垂直分量上的地磁基準數據； 步驟4.2，以東向分量Y作為第二匹配特徵量，根據子夜均值附近東向分量Y的日變大小設定閾值λ γ，以東向分量Y的實時數據By在集合Ry,z中搜索滿足給定地磁匹配算法條件的匹配點，設該匹配結果為點集艮= " J，其中，B" z表示在集合Ry, z中進一步搜索出的垂直分量上的地磁基準數據； 步驟4.3，以垂直分量Z作為第三匹配特徵量，以垂直分量Z的實時數據Bz在集合Rz中搜索滿足給定地磁匹配算法條件的匹配點，該點即為最佳匹配位置。
5.根據權利要求4所述的基於地磁匹配的地磁日變修正方法，其特徵在於，所述地磁匹配算法為常用的相關分析匹配算法，包括平均平方差算法MSD、平均絕對差算法MAD、平方差算法SD、絕對差算法AD、積相關算法PROD。
6.根據權利要求4或5所述的基於地磁匹配的地磁日變修正方法，其特徵在於，所述地磁匹配算法為平均絕對差算法MAD，具體如下:
全文摘要
本發明公開了一種基於地磁匹配的地磁日變修正方法。針對地磁匹配導航定位中的地磁日變效應，本發明提出基於FMI方法與多維特徵量匹配對地磁日變效應進行修正，包括如下步驟1)選取地磁匹配特徵量；2)基於FMI方法從地磁匹配特徵量的實測數據中提取各地磁匹配特徵量的日變量；3)通過地磁匹配特徵量的實測數據減去與其對應的日變量，建立地磁實時圖；4)基於多維特徵量匹配對地磁實時圖和地磁基準圖進行匹配；5)輸出匹配結果。本發明能較為有效地消除地磁匹配導航定位中的地磁日變效應，能顯著提高地磁匹配導航定位精度。
文檔編號G01C21/08GK103115624SQ201310028198
公開日2013年5月22日 申請日期2013年1月24日 優先權日2013年1月24日
發明者黃朝豔, 鄧翠婷, 趙華, 田海冬, 張華龍 申請人:南京航空航天大學