一种基于双磁信标的定位定向方法

摘要

一种基于双磁信标的定位定向方法，以两个相互垂直且线圈直径、匝数与通电电流已知的两组螺线管制作两个磁信标，然后将两个磁信标安装在已知位置作为信号源，定位目标安装磁强计，通过磁强计的实时测量数据；设定两个磁信标的输出频率，磁信标1中x轴频率为f₁、y轴频率为f₂，磁信标2中的x轴频率为f₃、y轴频率为f₄，两个磁信标在整个坐标系中的初始位置；从待定位目标所安装的磁力计上以大于磁信标最大频率的二倍以上的采样频率提取n个数据；对采集到的数据进行傅立叶分解，分别得到两个磁信标对应频率的两组信号，根据H₁、H₂、H₃、H₄确定目标，确定目标所在位置的方向向量：根据两方向向量，确定目标所在位置，根据两方向向量可确定两条直线。

主权项

一种基于双磁信标的定位定向方法，其特征在于，步骤1、以两个相互垂直且线圈直径、匝数与通电电流已知的两组螺线管制作两个磁信标，然后将两个磁信标安装在已知位置作为信号源，定位目标安装磁强计，通过磁强计的实时测量数据，分别解算出两个磁信标在目标位置所产生的方向矢量，通过两个方向矢量的交点最后可以解算出目标的位置方向信息；步骤2、设定两个磁信标的输出频率，磁信标1中x轴频率为f₁、y轴频率为f₂，磁信标2中的x轴频率为f₃、y轴频率为f₄，两个磁信标在整个坐标系中的初始位置(p_1x,p_1y,p_1z)，(p_2x,p_2y,p_2z)；步骤3、从待定位目标所安装的磁力计上以大于磁信标最大频率的二倍以上的采样频率提取n个数据，n越大定位精度越高，记为H_i，i＝1…n；步骤4、对采集到的数据进行傅立叶分解，分别得到两个磁信标对应频率的两组信号，其中H₁＝(h_1x,h_1y,h_1z)为磁信标1中x轴产生的磁场强度、H₂＝(h_2x,h_2y,h_2z)为磁信标1中y轴产生的磁场强度、H₃＝(h_3x,h_3y,h_3z)为磁信标2中x轴产生的磁场强度，以及H₄＝(h_4x,h_4y,h_4z)为磁信标2中y轴产生的磁场强度；步骤5、根据H₁、H₂、H₃、H₄确定目标，确定目标所在位置的方向向量：$\begin{array}{c}{\overrightarrow{N}}_1=H_1\times \left(x_1,y_1,z_1\right)\\ =\left(\left(h_{1y}{z}_1-h_{1z}{y}_1\right),\left(h_{1z}{x}_1-h_{1x}{z}_1\right),\left(h_{1x}{y}_1-h_{1y}{x}_1\right)\right)\\ =\left(T_{1x},T_{1y},T_{1z}\right)\end{array}$$\begin{array}{c}{\overrightarrow{N}}_2=H_2\times \left(x_2,y_2,z_2\right)\\ =\left(\left(h_{2y}{z}_2-h_{2z}{y}_2\right),\left(h_{2z}{x}_2-h_{2x}{z}_2\right),\left(h_{2x}{y}_2-h_{2y}{x}_2\right)\right)\\ =\left(T_{2x},T_{2y},T_{2z}\right)\end{array}$$\begin{array}{c}{\overrightarrow{R}}_1={\overrightarrow{N}}_1\times {\overrightarrow{N}}_2\\ =\left(\left(T_{1x}{T}_{2z}-T_{1z}{T}_{2x}\right),\left(T_{1z}{T}_{2x}-T_{1x}{T}_{2z}\right),\left(T_{1x}{T}_{2z}-T_{1z}{T}_{2x}\right)\right)\\ =\left(R_{1x},R_{1y},R_{1z}\right)\end{array}$$\begin{array}{c}{\overrightarrow{N}}_3=H_3\times \left(x_3,y_3,z_3\right)\\ =\left(\left(h_{3y}{z}_3-h_{3z}{y}_3\right),\left(h_{3z}{x}_3-h_{3x}{z}_3\right),\left(h_{3x}{y}_3-h_{3y}{x}_3\right)\right)\\ =\left(T_{3x},T_{3y},T_{3z}\right)\end{array}$$\begin{array}{c}{\overrightarrow{N}}_4=H_4\times \left(x_4,y_4,z_4\right)\\ =\left(\left(h_{4y}{z}_4-h_{4z}{y}_4\right),\left(h_{4z}{x}_4-h_{4x}{z}_4\right),\left(h_{4x}{y}_4-h_{4y}{x}_4\right)\right)\\ =\left(T_{4x},T_{4y},T_{4z}\right)\end{array}$$\begin{array}{c}{\overrightarrow{R}}_2={\overrightarrow{N}}_3\times {\overrightarrow{N}}_4\\ =\left(\left(T_{3x}{T}_{4z}-T_{3z}{T}_{4x}\right),\left(T_{3z}{T}_{4x}-T_{3x}{T}_{4z}\right),\left(T_{3x}{T}_{4z}-T_{3z}{T}_{4x}\right)\right)\\ =\left(R_{2x},R_{2y},R_{2z}\right)\end{array}$其中(x₁,y₁,z₁)为在磁信标1中，x轴正方向的实际方向向量，(x₁,y₁,z₁)＝(1,0,0)，(x₂,y₂,z₂)为在磁信标1中，y轴正方向的实际方向向量，(x₂,y₂,z₂)＝(0,1,0)，(x₃,y₃,z₃)为在磁信标2中，x轴正方向的实际方向向量，(x₃,y₃,z₃)＝(1,0,0)，(x₄,y₄,z₄)为在磁信标2中，y轴正方向的实际方向向量，(x₄,y₄,z₄)＝(0,1,0)；为垂直于平面o₁x₁P的法向量，为垂直于平面o₁y₁P的法向量，因此，垂直于o₁P，垂直于o₁P，于是为o₁P的方向向量，同理可得为o₂P的方向向量；步骤6、根据两方向向量，确定目标所在位置，根据两方向向量可确定两条直线：$\frac{x-p_{1x}}{R_{1x}}=\frac{y-p_{1y}}{R_{1y}}=\frac{z-p_{1z}}{R_{1z}}=k_1$$\frac{x-p_{2x}}{R_{2x}}=\frac{y-p_{2y}}{R_{2y}}=\frac{z-p_{2z}}{R_{2z}}=k_2$则目标点P为两条直线的交点：R_1x*k₁‑R_2xk*k₂＝‑p_1x+p_2xR_1y*k₁‑R_2yk*k₂＝‑p_1y+p_2y然后分别得到k₁、k₂，则目标位置P＝(k₁*R_1x+p_1x,k₁*R_1y+p_1y,k₁*R_1z+p_1z)＝(P_x,P_y,P_z)$\theta =\arctan \left(\frac{P_x}{P_y}\right)$$\beta =\arccos \left(\frac{P_x}{\sqrt{P_x^2+P_y^2+P_z^2}}\right)$其中磁强计所测量的数据均为通过姿态矩阵将目标本地坐标系下的磁场测量数据转换到所建立的模型坐标系后的数据。