[發明專利]一種提高地磁場定位精度的方法

有效

• 申請號: 201811337078.7
• 申請日: 2018-11-12
• 公開（公告）號: CN109341682B
• 公開（公告）日: 2021-04-06
• 發明（設計）人: 張燁;郭藝玲;樊一超;許艇;程康
• 申請（專利權）人: 浙江工業大學
• 主分類號: G01C21/08
• 分類號: G01C21/08;G01C21/16;G01C21/20
• 代理公司: 杭州天正專利事務所有限公司 33201
• 代理人: 王兵;黃美娟

1.一種提高地磁場定位精度的方法，包括如下步驟：

步驟1.建立基于統計學分布的地磁場指紋數據庫；

地球磁場向量在坐標軸的三個分量方向下分解：以地理上的正北方向、正東方向以及與水平面垂直向下方向，分解為總磁場的正北分量、正東分量和垂直分量；地球磁場在水平面上的投影，稱為水平分量，總是指向地磁正北；水平分量的指向就是指南針北極所指的方向，通常被稱為磁北；水平分量與地理正北方向形成的角度，稱為磁偏角；地球磁場與水平面形成的角度，稱為磁傾角；

綜上所述可以將地磁場的各個參數標記為：磁場總強度B，正北分量B_θ，正東分量B_Φ，垂直分量B_γ，水平分量B_H，磁偏角D，磁傾角I；

先將待測量的地塊劃分為i行j列的網格，網格的大小應小于地磁場測量的精度要求，然后按以下公式測量每個網格的地磁場強度：

其中分別表示地磁場正北、正東、垂直方向上的分量，表示地磁場的總強度；由于經過驗算，在統計學上基本符合正態分布，因此我們可以將其分布特征作為指紋特征來進行儲存；因此指紋數據庫的數據格式為：

(μ_Ax,μ_Ay,μ_Az,σ_Ax,σ_Ay,σ_Az,x_A,y_A) (2)

其中μ_Ax，μ_Ay，μ_Az分別為三個方向磁場強度經過高斯濾波之后的均值，σ_Ax，σ_Ay，σ_Az分別為三個方向磁場強度的標準差，x_A，y_A為位置坐標；

步驟2.測量值位于指紋數據庫的各網格的置信度計算方法；

當需要判斷定位數據與指紋數據庫中的數據的符合程度時，可以通過計算其最小置信區間對應的置信度，即：

P(θ₁＜θ＜θ₂)＝1-α (3)

當有一組隨機變量X(x₁,x₂,x₃,…,x_n)為一組樣本，設X～N(μ,σ²)，若存在隨機區間[θ₁,θ₂]，使對于給定的α，0＜α＜1，滿足以上公式，則稱隨機區間[θ₁,θ₂]是θ的置信水平為1-α的置信區間，θ₁稱為置信下限，θ₂稱為置信上限，概率1-α稱為置信水平或置信度，置信區間的意義是它以1-α的概率包含未知參數θ；

當樣本容量大于50時，可以通過用樣本方差S²估計σ，進行均值的置信區間計算，此時有：

其中為樣本均值，μ為總體均值，S為樣本標準差，n為樣本容量；對于給定的置信度1-α，有概率：

將前式代入可得：

這樣即容易得到的值，此時便得到μ的置信度為1-α的置信區間，此時若有確定的樣本能計算出，便得到置信區間的常數表達形式：

步驟3.在定位階段，采用路徑匹配的方法來計算當前位置的坐標，測量和計算的步驟是：

(1)在直行段，通過方向感應器和加速度傳感器測量運動方向和運動速度，并調用地磁傳感器，測量10組地磁強度數據；

(2)使用慣性傳感器采集方向數據，通過角度是否大幅改變，判斷是否轉彎；

(3)在轉彎點，調用地磁傳感器，測量10組地磁強度數據；

(4)根據慣性傳感器數據和時間算出每條直行段長度，并將長度繪制成帶有方向的向量；

(5)按順序連接各個向量，獲得路徑軌跡；

(6)通過軌跡形狀，得到若干條可能行走路徑；

(7)聯合上一步得到的行走路徑，通過解算轉彎點的地磁數據計算置信度，并采用貝葉斯分類器根據歷史路徑數據及先驗概率，求得若干路徑轉彎點的概率；

采用貝葉斯分類器求得若干路徑轉彎點概率的具體方法是：

樸素貝葉斯算法的基本模型是，若事件a₁,a₂,a₃…組成一個完備事件組，即這些事件相互獨立，且P(a_i)0，那么對于任一個事件b，有全概率公式：

P(b)＝∑_iP(a_i)P(b|a_i) (8)

若P(b)0，則有：

在測量過程中，先驗概率是指獲得的歷史數據，后驗概率是指當前節點位于某個位置的概率，在已知先驗概率P(A＝a),P(B＝b)和P(B＝b|A＝a)的情況下，計算P(A＝a|B＝b)的公式為：

在實際定位計算時，某一時間在某一點ε采集到的一組磁場強度數據，則計算ε點與點(i,j)的匹配概率的方法如下：

這里，訓練實例集中某一點是(i,j)，訓練實例集中三個方向的磁場數據分別與ε點三個方向的磁場數據近似相等；由于磁場數據符合正態分布，在這里兩個數據之間近似相等的意思是，ε點某一方向的強度大小與被匹配的點數據的差值小于某置信度ξ，ξ的大小在這里設置為被匹配點對應方向數據的標準差的5％，即ξ＝0.05σ；應用貝葉斯分類器分類器公式，可得到：

其中x_ε、y_ε、z_ε分別是在ε點測到的三個方向上的磁場強度，x、y、z分別是訓練實例集中的點測量到的三個方向上的磁場強度；由于任意一點三個方向的磁場強度相互獨立，使|x_ε-x|，|y_ε-y|，|z_ε-z|相互獨立，就有：

P(|x_ε-x|＜ξ_x,|y_ε-y|＜ξ_y,|z_ε-z|＜ξ_z)＝P(|x_ε-x|＜ξ_x)×P(|y_ε-y|＜ξ_y)×P(|z_ε-z|＜ξ_z) (12)

以及：

由此可以得到ε點與點(i,j)的匹配概率，再計算ε點與其他點的匹配概率，得到匹配概率最大的點，即是ε點最可能所在的位置；接著在整個測量區域中，測量在所有節點上測量磁場數據，并且進行平均值濾波，將得到的數據特征按照處理ε點方法進行定位，就得到每個節點的定位結果；

(8)通過比較若干條路徑在轉彎點的概率值，匹配到最可能的路徑，從而獲得定位位置。