一種基于地磁場(chǎng)空間角度的長距離導(dǎo)航方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種導(dǎo)航方法和裝置，尤其是涉及一種基于地磁場(chǎng)空間角度的長距離 導(dǎo)航方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 當(dāng)前現(xiàn)存的導(dǎo)航系統(tǒng)，無論是GPS定位系統(tǒng)還是電信運(yùn)營商基站導(dǎo)航系統(tǒng)，都離 不開電磁波信號(hào)的接收和發(fā)送。而在一些電磁波無法傳播的環(huán)境中，或者基站沒有分布的 地方，這些導(dǎo)航系統(tǒng)的功能將受到功能上無法克服的困難。例如在電磁波無法透射的深海 中，在無法通過電磁波確認(rèn)所在位置的情況下，基于電磁波數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?dǎo)航系統(tǒng)將無法工 作。
[0003] 地磁場(chǎng)是源于地球內(nèi)核發(fā)散到空間中的一個(gè)巨大的地球磁場(chǎng)，可以近似的看作由 一個(gè)巨大的磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)，而地磁場(chǎng)的軸向與地球自轉(zhuǎn)軸向也就是地球地理南北方向之 間存在大約11. 3°的偏移。動(dòng)物體內(nèi)磁感應(yīng)材料的發(fā)現(xiàn)表明一些動(dòng)物具有感應(yīng)地磁場(chǎng)的能 力，而動(dòng)物行為實(shí)驗(yàn)的結(jié)果指出，長距離迀徙的動(dòng)物能利用地磁場(chǎng)線的方向和某一特定地 理方向信息如晨曦的亮點(diǎn)（地理正東方向）或星辰的方位完成長距離的導(dǎo)航。關(guān)于這一問 題，在過去的一個(gè)多世紀(jì)里面很多科學(xué)家雖然做了大量的研究工作，但這一導(dǎo)航機(jī)制的實(shí) 現(xiàn)方法依然是困擾學(xué)術(shù)界的一個(gè)難題。大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，龍蝦和海龜可以感應(yīng)天體星 辰的方位和地磁信息，完成從未知實(shí)驗(yàn)放置地點(diǎn)到出生海灘的洄游；信天翁作為一種洲際 迀徙的鳥類，可通過地磁信息和羅盤信息完成從繁殖地到捕食地點(diǎn)的長距離迀徙。
[0004] 因此，在大量實(shí)驗(yàn)證實(shí)的基礎(chǔ)上，基于地磁場(chǎng)線方向和某一特定地理方向信息進(jìn) 行的長距離導(dǎo)航在理論和方法上存在可行性。地球磁場(chǎng)在地球表面的特殊分布可以為導(dǎo)航 的實(shí)現(xiàn)提供可以依靠的信息，現(xiàn)有技術(shù)中缺少能利用地磁場(chǎng)信息為人們導(dǎo)航選擇提供新途 徑的導(dǎo)航機(jī)制和方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了解決【背景技術(shù)】中存在的問題，本發(fā)明公開了一種基于地磁場(chǎng)空間角度的長距 離導(dǎo)航方法及裝置，通過測(cè)量所在地點(diǎn)地磁場(chǎng)線方向和某一特定地理方向之間的空間角來 完成長距離導(dǎo)航。該地理方向信息可以是任意固定的方向，如正東方向或正北方向。上述空 間角r通過數(shù)學(xué)上水平面和豎直平面的分解可以獲得兩個(gè)分量水平分和豎直分量 狐，如附圖1所示，通過比較所在地點(diǎn)的空間角釋與目標(biāo)地點(diǎn)的空間角^之間的偏差，推 算出一個(gè)可以使所在地點(diǎn)的空間角r在張角和傾斜度上，數(shù)學(xué)上可理解為分量黎?1和供^ 能等比例趨向于目標(biāo)地點(diǎn)空間角#的導(dǎo)航方向，當(dāng)測(cè)量得到所在地點(diǎn)的空間角在分量 和物與目標(biāo)地點(diǎn)的空間角之間的偏差都很小的時(shí)候，即認(rèn)為已經(jīng)到達(dá)目的地地點(diǎn)，導(dǎo)航結(jié) 束。
[0006] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
[0007] -、一種基于地磁場(chǎng)空間角度的長距離導(dǎo)航方法：
[0008] 利用地磁空間角的變化作為導(dǎo)航依據(jù)，預(yù)設(shè)任意一固定地理方向，測(cè)量所在地點(diǎn) 的地磁場(chǎng)線方向和固定地理方向之間的空間角，根據(jù)已知的目標(biāo)地點(diǎn)空間角（目標(biāo)地點(diǎn)空 間角為目標(biāo)地點(diǎn)的地磁場(chǎng)線方向和固定地理方向之間的空間角），推算出所在地點(diǎn)向目標(biāo) 地點(diǎn)的導(dǎo)航方向；在導(dǎo)航過程中不斷重復(fù)上述步驟進(jìn)行測(cè)量計(jì)算得到使移動(dòng)過程中所在地 點(diǎn)空間角在張角和傾斜方位上不斷靠近目標(biāo)地點(diǎn)的導(dǎo)航方向，當(dāng)測(cè)得所在地點(diǎn)的空間角與 已知的目標(biāo)地點(diǎn)空間角的兩個(gè)分量差值足夠小時(shí)認(rèn)為到達(dá)目標(biāo)地點(diǎn)，導(dǎo)航結(jié)束。
[0009] 所述的所在地點(diǎn)向目標(biāo)地點(diǎn)的導(dǎo)航方向Θ'采用以下公式計(jì)算得到：
[0010]
[0011] 其中，η表示角度參數(shù)，φ,ξ和pf分別表示當(dāng)前所在地點(diǎn)的空間角的水平和垂直 分量，<和分別表示當(dāng)前所在地點(diǎn)的空間角的水平和垂直分量，X和y分別表示正東方 向和正北方向，k表示當(dāng)前計(jì)算的序數(shù)，k彡2,Δ#'和分別表示第k步計(jì)算中地磁 場(chǎng)空間角的水平分量Δφ?在相鄰前后兩步所在地點(diǎn)之間沿著正東方向X和正北方向y的 變化快慢，同理和分別表示第k步中地磁場(chǎng)空間角的豎直分量在相鄰前 后兩步所在地點(diǎn)之間沿著正東方向X和正北方向y的變化快慢。
[0012] 所述的四個(gè)變化快慢和分別采用以下公式計(jì)算得 到：
[0013]
[0014]
[0015]
[0016]
[0017] 其中，爐,分別表示當(dāng)前所在地點(diǎn)空間角的水平分量沿著正東方向X和正 北方向y的變化，和分別表示當(dāng)前所在地點(diǎn)空間角的垂直分量沿著正東方向X和 正北方向y的變化，(^f_1)' 分別表示上一步計(jì)算所在地點(diǎn)空間角的水平分量 沿著正東方向X和正北方向y的變化，和丨別表示上一步計(jì)算所在地點(diǎn) 空間角的垂直分量沿著正東方向X和正北方向y的變化，θk1表示上一步計(jì)算所在地點(diǎn)向 目標(biāo)地點(diǎn)的導(dǎo)航方向。
[0018] 因?yàn)樯鲜隹臻g角在地球表面很大的區(qū)域內(nèi)是唯一的，本發(fā)明需要測(cè)量所在地點(diǎn)的 地磁場(chǎng)線方向和任意一固定地理方向，需要已知導(dǎo)航目的地點(diǎn)地磁場(chǎng)線方向和固定地理方 向空間角信息，固定地理方向可以是例如正北方向或正東方向。當(dāng)測(cè)量得到所在地點(diǎn)的空 間角和目的地點(diǎn)的空間角之間的偏差很小的時(shí)候，即認(rèn)為已經(jīng)到達(dá)目的地地點(diǎn)，導(dǎo)航結(jié)束。 [0019] 本發(fā)明的導(dǎo)航方法不需要任何已知的地理位置信息和地磁位置信息，只需要測(cè)量 地磁場(chǎng)線方向和某一特定地理方向。整個(gè)導(dǎo)航方法只需要已知目的地點(diǎn)的地磁場(chǎng)線方向和 某一地理方向之間的空間角，通過不斷測(cè)量所在地點(diǎn)的地磁場(chǎng)線方向和地理正北方向得到 所在地點(diǎn)的空間角，即可完成從所在地點(diǎn)到目標(biāo)地點(diǎn)的導(dǎo)航。
[0020] 二、一種基于地磁場(chǎng)空間角度的長距離導(dǎo)航裝置：
[0021] 包括三維磁場(chǎng)傳感器、三軸陀螺儀、信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)和導(dǎo)航顯示器，三維磁場(chǎng)傳感 器、三軸陀螺儀和導(dǎo)航顯示器均連接到信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)，將測(cè)量得到的地磁場(chǎng)方向和角度信 息傳送到信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)中進(jìn)行運(yùn)算得到結(jié)果發(fā)送到導(dǎo)航顯示器顯示。
[0022] 所述的三維磁場(chǎng)傳感器包括X方向磁場(chǎng)傳感器、y方向磁場(chǎng)傳感器和z方向磁場(chǎng) 傳感器的三個(gè)方向相互垂直的傳感器。
[0023] 所述的導(dǎo)航顯示器為屏幕顯示器或者指針儀表。
[0024] 所述的信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)采用單片機(jī)。
[0025] 本發(fā)明利用高精度三維磁場(chǎng)傳感器，可以方便而精確的測(cè)出所在地點(diǎn)的磁場(chǎng)線方 向，通過提取地磁場(chǎng)線方向與陀螺儀指示的某一特定地理方向之間的空間角，可以計(jì)算出 所在地點(diǎn)的地磁場(chǎng)空間角信息。
[0026] 本發(fā)明具有的有益效果：
[0027] 本發(fā)明在不依賴于任何地理定位信息的情況下，僅需要測(cè)量到所在地點(diǎn)的精確方 位角信息，在已知目標(biāo)地點(diǎn)方位角的情況下，本發(fā)明即可以實(shí)現(xiàn)長距離的導(dǎo)航。
[0028] 而且，在基于電磁波信號(hào)通信的常規(guī)導(dǎo)航系統(tǒng)，如GPS和電信基站定位，無法與外 界進(jìn)行電磁波信號(hào)聯(lián)系的情況下，本發(fā)明的導(dǎo)航方法和導(dǎo)航裝置對(duì)該情況下導(dǎo)航工作提供 了很好的補(bǔ)充。
[0029] 因此，本發(fā)明不僅提出了一種完全基于地磁場(chǎng)信息的導(dǎo)航方法，也為無電磁波空 間的長距離導(dǎo)航提供了可靠的機(jī)制和方法。
【附圖說明】
[0030] 附圖1是基于本發(fā)明的長距離導(dǎo)航裝置。
[0031] 附圖2是地磁場(chǎng)空間角的分量計(jì)算示意圖。
[0032] 附圖3是基于本發(fā)明模擬信天翁的長距離導(dǎo)航仿真。
[0033] 圖a中實(shí)線表示信天翁從B點(diǎn)飛往A點(diǎn)的迀徙路徑，虛線表示在沒有任何干擾情 況下基于本方法的計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果，點(diǎn)線表示在存在方向誤差（即干擾）的情況下，基于本 方法的計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果；
[0034] 圖b中實(shí)線和虛線分別表示不同年份同一只信天翁從A點(diǎn)飛往B點(diǎn)的迀徙路徑， 虛線表示在沒有任何干擾情況下基于本方法的計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果，點(diǎn)線表示在存在方向誤差 的情況下，基于本方法的計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果，其中點(diǎn)畫線表示除信風(fēng)干擾情況下的計(jì)算機(jī)仿 真結(jié)果。
[0035] 附圖4是基于本發(fā)明模擬海龜?shù)拈L距離導(dǎo)航仿真。
[0036] 圖中實(shí)線是動(dòng)物導(dǎo)航的試驗(yàn)軌跡，虛線是無干擾下基于本實(shí)驗(yàn)的導(dǎo)航仿真結(jié)果， 點(diǎn)線是干擾情況下基本發(fā)明的導(dǎo)航仿真結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0037] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0038] 本發(fā)明的設(shè)計(jì)原理如下：
[0039] 1)在導(dǎo)航開始的地點(diǎn)測(cè)量所在地點(diǎn)的地磁場(chǎng)空間角爐1，以下方法上水平豎直 分解為φ?和丨隨機(jī)選擇一個(gè)方向移動(dòng)一段距離，規(guī)定該方向與正東方向之間的夾角為 Θ\在移動(dòng)的過程中測(cè)量出在移動(dòng)方向Θ1方向上，地磁場(chǎng)空間角的兩個(gè)分量％和&從 第一個(gè)地點(diǎn)到第二個(gè)地點(diǎn)地磁場(chǎng)空間角的和沿正東方向（X)和正北方向（y)的變化 規(guī)律，如下：
[0040]
[0041]
[0042]
[0043]
[0044] 其中k彡2, 和分別表示第k步中地