專利名稱：一種基于地磁匹配的地磁日變修正方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于地磁匹配的地磁日變修正方法，屬于高精度地磁匹配導(dǎo)航的關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
地磁導(dǎo)航是當(dāng)前國(guó)際導(dǎo)航領(lǐng)域的一大研究熱點(diǎn)，具有高度自主性、隱蔽性、無(wú)輻射、能耗低等諸多優(yōu)點(diǎn)，能彌補(bǔ)慣導(dǎo)系統(tǒng)位置誤差長(zhǎng)期累積的不足，也能克服GPS等衛(wèi)星有源導(dǎo)航系統(tǒng)易被偵測(cè)和受干擾等缺陷，已成為隱蔽性運(yùn)動(dòng)載體無(wú)源導(dǎo)航的重要手段，廣泛應(yīng)用于潛艇、導(dǎo)彈和航天器輔助導(dǎo)航等領(lǐng)域，展現(xiàn)出巨大的軍事價(jià)值和應(yīng)用前景。然而，地磁匹配導(dǎo)航定位精度不高嚴(yán)重制約了其在相關(guān)領(lǐng)域的工程應(yīng)用。地磁日變是影響地磁匹配導(dǎo)航精度的重要因素之一。在地磁匹配導(dǎo)航研究中，許多學(xué)者指出了地磁日變的重要性，但沒(méi)有開(kāi)展深入的研究。目前的研究表明地磁日變對(duì)地磁導(dǎo)航的影響是不容忽視的，但存在以下問(wèn)題:①多數(shù)研究對(duì)地磁日變影響只進(jìn)行了簡(jiǎn)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(yīng)。傳統(tǒng)日變場(chǎng)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(diǎn)。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(lái)新的誤差源。FMI (Finish MeteorologicalInstitute,芬蘭氣 象局)方法是一種基于三天的地磁場(chǎng)X、Y分量分鐘值觀測(cè)數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源計(jì)算中間一天K指數(shù)的計(jì)算方法，此方法由該氣象局提出。與前述兩者相比，F(xiàn)MI方法是對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)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(shí)，具有較大的適用性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種能用于地磁匹配導(dǎo)航定位中的地磁日變修正方法，基于FMI方法提取地磁日變成分，在多維地磁特征量匹配中消除地磁日變效應(yīng)，從而提高地磁匹配導(dǎo)航定位精度。本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題采用以下技術(shù)方案:一種基于地磁匹配的地磁日變修正方法，包括以下步驟:步驟I,選取地磁匹配特征量,所述地磁匹配特征量為三個(gè)地磁分量,包括北向分量X、東向分量Y、垂直分量Z ；步驟2，基于FMI方法從地磁匹配特征量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中提取各地磁匹配特征量的
日變量；步驟3，通過(guò)地磁匹配特征量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)減去與其對(duì)應(yīng)的日變量，建立地磁實(shí)時(shí)步驟4，基于多維特征量匹配對(duì)地磁實(shí)時(shí)圖和地磁基準(zhǔn)圖進(jìn)行匹配；步驟5，輸出匹配結(jié)果。作為本發(fā)明的基于地磁匹配的地磁日變修正方法的進(jìn)一步優(yōu)化方案，所述步驟2涉及的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)是由磁傳感器采集的；所述基于FMI方法從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中提取日變量包括以下步驟:步驟2.1，根據(jù)地磁匹配特征量的擾動(dòng)幅度a分別確定與各地磁匹配特征量相對(duì)應(yīng)的K指數(shù)的初始值Kxtl、Kyc1、Kztl,取Ktl=Hiax (Kxo, KY0, Kzo)，所述擾動(dòng)幅度a為每3小時(shí)時(shí)段內(nèi)地磁匹配特征量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的最大值和最小值間的差值；步驟2.2，地磁匹配特征量的時(shí)均值由該小時(shí)及其前后各(m+n)分鐘的數(shù)據(jù)平均值來(lái)計(jì)算，然后利用5次諧波函數(shù)對(duì)時(shí)均值進(jìn)行擬合，生成Sk曲線；所述n = K33 ；m與地方時(shí)有關(guān):地方時(shí)3點(diǎn)到6點(diǎn)和18點(diǎn)到21點(diǎn)，m取60 ;地方時(shí)7點(diǎn)到17點(diǎn)，m取O ;其余時(shí)間，m取90 ；步驟2.3，分別計(jì)算地磁匹配特征量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與Sk曲線的殘差序列，由殘差序列的3小時(shí)擾動(dòng)幅度a分別確定與各地磁匹配特征量相對(duì)應(yīng)的K指數(shù)的中間值K5^Hzm,取Km-max (KXm, KYm, KZm)；步驟2.4，重復(fù)步驟2.2和步驟2.3的計(jì)算一次，再次得到K指數(shù)的中間值
Km=Hiax (KXm, KYm, KzJ，此 Km 即為 K 指數(shù)的最終值；步驟2.5，由K指數(shù)的最終值，代入步驟2.2計(jì)算，生成最終Sk曲線；步驟2.6，計(jì)算最終Sk曲線與地球主磁場(chǎng)和磁異常間的差值，得到地磁匹配特征量
的日變量。作為本發(fā)明的基于地磁匹配的地磁日變修正方法的進(jìn)一步優(yōu)化方案,所述步驟4涉及的地磁基準(zhǔn)圖是指基于地磁模型建立的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)，或基于測(cè)量資料繪制的地磁圖。作為本發(fā)明的基于地磁匹配的地磁日變修正方法的進(jìn)一步優(yōu)化方案，步驟4涉及的多維特征量匹配是指通過(guò)3個(gè)地磁匹配特征量按照先后順序分別進(jìn)行匹配，即以北向分量X、東向分量Y、垂直分量Z這三個(gè)獨(dú)立特征量進(jìn)行匹配，具體包含以下步驟:步驟4.1，以北向分量X作為第一匹配特征量，根據(jù)子夜均值附近北向分量X的日變大小設(shè)定閾值λ χ，以北向分量X的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)Bx在地磁基準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)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(diǎn)，設(shè)該匹配結(jié)果為點(diǎn)集Ry，z={B' y，B' J;其中，Bx，By，Bz分別表示三個(gè)地磁分量上的地磁基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，B' y，B' 2分別表示在基準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)中搜索出的東向分量、垂直分量上的地磁基準(zhǔn)數(shù)據(jù)；步驟4.2，以東向分量Y作為第二匹配特征量，根據(jù)子夜均值附近東向分量Y的日變大小設(shè)定閾值λ γ，以東向分量Y的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)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(diǎn)，設(shè)該匹配結(jié)果為點(diǎn)集Rz= {B" J，其中，B" z表示在集合Ry, z中進(jìn)一步搜索出的垂直分量上的地磁基準(zhǔn)數(shù)據(jù)；步驟4.3，以垂直分量Z作為第三匹配特征量，以垂直分量Z的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)Bz在集合Rz中搜索滿足給定地磁匹配算法條件的匹配點(diǎn)，該點(diǎn)即為最佳匹配位置。作為本發(fā)明的基于地磁匹配的地磁日變修正方法的進(jìn)一步優(yōu)化方案,所述地磁匹配算法為常用的相關(guān)分析匹配算法，包括平均平方差算法MSD、平均絕對(duì)差算法MAD、平方差算法SD、絕對(duì)差算法AD、 積相關(guān)算法PROD。
作為本發(fā)明的基于地磁匹配的地磁日變修正方法的進(jìn)一步優(yōu)化方案,所述地磁匹配算法為平均絕對(duì)差算法MAD，具體如下:
權(quán)利要求
1.一種基于地磁匹配的地磁日變修正方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟I，選取地磁匹配特征量，所述地磁匹配特征量為三個(gè)地磁分量，包括北向分量X、東向分量Y、垂直分量Z ； 步驟2，基于FMI方法從地磁匹配特征量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中提取各地磁匹配特征量的日變量; 步驟3，通過(guò)地磁匹配特征量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)減去與其對(duì)應(yīng)的日變量，建立地磁實(shí)時(shí)圖； 步驟4，基于多維特征量匹配對(duì)地磁實(shí)時(shí)圖和地磁基準(zhǔn)圖進(jìn)行匹配； 步驟5，輸出匹配結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于地磁匹配的地磁日變修正方法，其特征在于，所述步驟2涉及的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)是由磁傳感器采集的；所述基于FMI方法從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中提取日變量包括以下步驟: 步驟2.1，根據(jù)地磁匹配特征量的擾動(dòng)幅度a分別確定與各地磁匹配特征量相對(duì)應(yīng)的K指數(shù)的初始值KX(1、KY(1、KZ(I，取Ktl=Hiax (Kxo, KY0, Kzo)，所述擾動(dòng)幅度a為每3小時(shí)時(shí)段內(nèi)地磁匹配特征量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的最大值和最小值間的差值； 步驟2.2，地磁匹配特征量的時(shí)均值由該小時(shí)及其前后各(m+n)分鐘的數(shù)據(jù)平均值來(lái)計(jì)算，然后利用5次諧波函數(shù)對(duì)時(shí)均值進(jìn)行擬合，生成Sk曲線；所述n=K33 ;m與地方時(shí)有關(guān):地方時(shí)3點(diǎn)到6點(diǎn)和18點(diǎn)到21點(diǎn)，m取60 ;地方時(shí)7點(diǎn)到17點(diǎn)，m取O ;其余時(shí)間，m取90 ； 步驟2.3，分別計(jì)算地磁匹配特征量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與Sk曲線的殘差序列，由殘差序列的3小時(shí)擾動(dòng)幅度a分別確定與各地磁匹配特征量相對(duì)應(yīng)的K指數(shù)的中間值Κ&、KYm、Kzm，取Km-max (KXm, KYm, KZm)； 步驟2.4，重復(fù)步驟2.2和步驟2.3的計(jì)算一次，再次得到K指數(shù)的中間值 Km=Hiax (Kail, KYm, Kzm)，此Km即為K指數(shù)的最終值； 步驟2.5，由K指數(shù)的最終值，代入步驟2.2計(jì)算，生成最終Sk曲線； 步驟2.6，計(jì)算最終Sk曲線與地球主磁場(chǎng)和磁異常間的差值，得到地磁匹配特征量的日變量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于地磁匹配的地磁日變修正方法，其特征在于，所述步驟4涉及的地磁基準(zhǔn)圖是指基于地磁模型建立的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)，或基于測(cè)量資料繪制的地磁圖。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基 于地磁匹配的地磁日變修正方法，其特征在于，步驟4涉及的多維特征量匹配是指通過(guò)3個(gè)地磁匹配特征量按照先后順序分別進(jìn)行匹配，即以北向分量X、東向分量Y、垂直分量Z這三個(gè)獨(dú)立特征量進(jìn)行匹配，具體包含以下步驟: 步驟4.1，以北向分量X作為第一匹配特征量，根據(jù)子夜均值附近北向分量X的日變大小設(shè)定閾值λ χ，以北向分量X的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)Bx在地磁基準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)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(diǎn)，設(shè)該匹配結(jié)果為點(diǎn)集Ry，z={B' y，B' J ;其中，Bx，By，Bz分別表示三個(gè)地磁分量上的地磁基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，B' y，B' z分別表示在基準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)中搜索出的東向分量、垂直分量上的地磁基準(zhǔn)數(shù)據(jù)； 步驟4.2，以東向分量Y作為第二匹配特征量，根據(jù)子夜均值附近東向分量Y的日變大小設(shè)定閾值λ γ，以東向分量Y的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)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(diǎn)，設(shè)該匹配結(jié)果為點(diǎn)集艮= " J，其中，B" z表示在集合Ry, z中進(jìn)一步搜索出的垂直分量上的地磁基準(zhǔn)數(shù)據(jù)； 步驟4.3，以垂直分量Z作為第三匹配特征量，以垂直分量Z的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)Bz在集合Rz中搜索滿足給定地磁匹配算法條件的匹配點(diǎn)，該點(diǎn)即為最佳匹配位置。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于地磁匹配的地磁日變修正方法，其特征在于，所述地磁匹配算法為常用的相關(guān)分析匹配算法，包括平均平方差算法MSD、平均絕對(duì)差算法MAD、平方差算法SD、絕對(duì)差算法AD、積相關(guān)算法PROD。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的基于地磁匹配的地磁日變修正方法，其特征在于，所述地磁匹配算法為平均絕對(duì)差算法MAD，具體如下:
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于地磁匹配的地磁日變修正方法。針對(duì)地磁匹配導(dǎo)航定位中的地磁日變效應(yīng)，本發(fā)明提出基于FMI方法與多維特征量匹配對(duì)地磁日變效應(yīng)進(jìn)行修正，包括如下步驟1)選取地磁匹配特征量；2)基于FMI方法從地磁匹配特征量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中提取各地磁匹配特征量的日變量；3)通過(guò)地磁匹配特征量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)減去與其對(duì)應(yīng)的日變量，建立地磁實(shí)時(shí)圖；4)基于多維特征量匹配對(duì)地磁實(shí)時(shí)圖和地磁基準(zhǔn)圖進(jìn)行匹配；5)輸出匹配結(jié)果。本發(fā)明能較為有效地消除地磁匹配導(dǎo)航定位中的地磁日變效應(yīng)，能顯著提高地磁匹配導(dǎo)航定位精度。
文檔編號(hào)G01C21/08GK103115624SQ201310028198
公開(kāi)日2013年5月22日 申請(qǐng)日期2013年1月24日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月24日
發(fā)明者黃朝艷, 鄧翠婷, 趙華, 田海冬, 張華龍 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)