【摘 要】
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随着人类社会在政治、经济和军事等领域的飞速发展,人类的活动范围也在不断扩大,同时对导航知识的发展也提出了越来越多的要求。传统的导航定位方法有着穿透性弱、工作需要视距条件或者工作时会产生累积误差等劣势,在地穴、隧道或矿井等地下环境中的定位误差较大,甚至无法被应用。低频磁信标定位系统具有强穿透性、强鲁棒性、高稳定性以及抗干扰性,且工作时不需要视距条件,不会产生多径效应,能够在不产生累积误差的前提下提供
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随着人类社会在政治、经济和军事等领域的飞速发展,人类的活动范围也在不断扩大,同时对导航知识的发展也提出了越来越多的要求。传统的导航定位方法有着穿透性弱、工作需要视距条件或者工作时会产生累积误差等劣势,在地穴、隧道或矿井等地下环境中的定位误差较大,甚至无法被应用。低频磁信标定位系统具有强穿透性、强鲁棒性、高稳定性以及抗干扰性,且工作时不需要视距条件,不会产生多径效应,能够在不产生累积误差的前提下提供全天时的定位服务,具有较大的工程应用空间和科学研究价值,故本课题对低频磁信标定位系统开展研究。课题分别针对通电螺线管式磁信标和旋转永磁体式磁信标的不同工作特性,分别建立了载流圆环模型和旋转磁荷模型,并通过物理学定律进行推导,得到了两种信标的磁场分布模型,并发现二者在数学形式上具有相似性。基于磁信标的磁场分布模型,推导出基于特征矢量的单磁信标定位方法,实现对目标的定位。针对磁信标产生的磁信号衰减过快的问题,课题先通过利用时域相干累积方法对信号进行处理,再通过自适应滤波方法分离出磁信标发射的低频信号,实现了低信噪比情况下弱磁信号的提取。仿真结果表明,该方法具有较好的信号提取能力,性能优于传统的巴特沃斯带通滤波方法。针对单磁信标定位方法应用较复杂且误差较大,但俯仰角解算较准确的特点,课题提出了多磁信标定位系统,通过每个磁信标解算的俯仰角信息,结合磁信标间已知的位置关系对目标点坐标进行求解。课题还基于模拟输入模块NI9239以及数据采集模块NI c DAQ-9181,设计了磁场信号采集系统。试验结果表明,室内多磁信标定位系统的最大定位误差为5.1cm,平均定位误差为2.9cm;室外多磁信标定位系统的最大定位误差为12.8cm,平均定位误差为7.8cm。针对低频磁信标定位系统更新频率低,要求磁传感器坐标系与磁信标坐标系对齐等缺点,提出了基于改进灰狼优化算法的粒子滤波的惯性/磁信标组合导航方法。仿真结果表明,该算法的最大误差为0.43m,平均误差为0.09m,可以以较高的工作频率对动态目标进行跟踪,且对磁传感器的姿态没有要求。最后课题对比了螺线管模型和磁偶极子模型,确定了磁偶极子模型和特征矢量法的有效作用范围;建立了磁通门传感器的误差模型,并提出了传感器误差参数矩阵的标定方法;对土壤可能对低频磁信标定位系统造成的影响进行了试验分析,验证了当低频磁信标定位系统工作频率在500Hz之内时,土壤介质对低频磁信标定位系统的性能影响较小。
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