用于定位水下运动磁目标的磁传感器阵列校准方法技术

本发明专利技术公开了一种用于定位水下运动磁目标的磁传感器阵列校准方法。所述校准方法，包括N个已校准三维量的磁传感器，按照一定的阵型布放于海底；各个磁传感器的检测数据由海底电缆传输至水下或水上基站进行处理；在每个磁传感器上集成有压力传感器和罗经，磁传感器和罗经集成后，同时完成罗经与磁传感器坐标系角度差的校准。通过校准每个磁传感器的空间坐标以及三维姿态，给出布放的磁传感器的阵列布局，从而达到较宽海域的磁目标监测，对运动磁目标进行精度更高的定位。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于定位水下运动磁目标的磁传感器阵列校准方法。
技术介绍
对铁磁目标的探测与定位技术在当今具有重要的意义和作用，尤其在水下的特殊环境中，利用磁目标引起的地磁变化进行探测与定位，能够有效克服光、雷达甚至声波等在水下探测与定位中存在的不足。目前国内外出现了许多对水下磁目标进行定位的方法，主要有：1)基于单个三维磁传感器进行定位、2)使用磁传感器阵列进行定位。1)基于单个三维磁传感器，如采用三维磁通门传感器进行水下定位。三维磁通门传感器可测试布放点的三维磁通量，利用运动磁目标引起布放点三维磁通量的变化，从而对运动目标进行定向。然而这种方法目前只能进行运动磁目标的定向。2)使用磁传感器阵列进行定位。将磁传感器按照一定的规则，比如方行阵、立体阵进行排布，集成后作为磁传感器阵列，此时可以利用定向的几何关系进行运动磁目标的平面或空间定位。然而磁传感器的阵列需要集成，并在集成后进行校准，校准阵列的相对位置和方向，因此阵列的孔径较小，定位精度和定位距离有限，很难监测较宽海域。在海域布放的磁传感器阵列可以拥有更大的阵列孔径，因此定位距离与定位精度都将更高。然而各个布放点的大地坐标精度很低，布放后磁传感器阵列的姿态难以获得，使得磁传感器阵列的定位性能大打折扣甚至失效。
技术实现思路
针对现有技术中海域磁传感器布放后阵列的校准问题，本专利技术提出了一种用于定位水下运动磁目标的磁传感器阵列校准方法，该方法通过校准各个磁传感器的大地坐标和布放后的姿态，得到阵列参数，从而达到精确监测与定位运动磁目标的目的。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：用于定位水下运动磁目标的磁传感器阵列校准方法，包括N个已校准三维量的磁传感器，按照一定的阵型布放于海底；各个磁传感器的检测数据由海底电缆传输至水下或水上基站进行处理，N为整数，且N≥2；在每个磁传感器上集成有压力传感器和罗经，磁传感器和罗经集成后，完成罗经与磁传感器坐标系角度差的校准；所述校准方法包括如下处理步骤：a磁传感器的姿态校准设磁目标的坐标为第i个磁传感器的大地坐标为1≤i≤N，磁传感器三维姿态角为对磁目标的定向数据方位角为定向坐标系为(X′a,Y′a,Z′a)；磁目标在以磁传感器为原点的大地坐标系的方位角为坐标系为(Xa,Ya,Za)；上述两个坐标系的旋转矩阵表示为：R(Ψ)=cosκcosAcosκsinAsinκ-cosφ`sinA-sinφ`sinκcosAcosφ`cosA-sinφ`sinκsinAsinφ`cosκsinφ`sinA-cosφ`sinκcosA-sinφ`cosA-cosφ`sinκAcosφ`cosκT,]]>其中，φ`＝acsin(sinφ/cosκ)，磁目标的坐标表示为(Xa,Ya,Za)T＝R(Ψ)(X′a,Y′a,Z′a)T；设罗经与磁传感器坐标系角度差的校准数据为Ψ′，布放后罗经的角度数据为Ψ″，得到：R(Ψ)＝R(Ψ″)R(Ψ′)，因此，磁目标的定向数据和大地坐标数据的校准公式为：(cosαi,cosβi,cosγi)T＝R(Ψ)(cosα′i,cosβ′i,cosγ′i)T；b磁传感器阵列阵型的校准压力传感器提供每个磁传感器的深度数据或相对深度数据，得到磁传感器的zi，进一步对磁传感器的大地平面坐标(xi,yi)进行估计；采用水面目标舰船轨迹航行的方法进行阵列校准，舰船装有卫星定位系统GPS实时测量舰船的大地坐标，记GPS坐标数据为同时装有同步芯片，使用通信系统发送坐标数据至基站；通过采用舰船盲航行获得磁传感器阵列中各个阵元的初始值，即当第i个磁传感器定向为正上方时，记录此时的GPS平面坐标为第i个磁传感器的平面坐标，作为校准的初始值；获得初始值后，舰船按照一定的轨迹航行，此时包含测量数据和待估量的观测方程为：cosβ1cosα1=yG-y1xG-x1+V]]>cosβ2cosα2=yG-y2xG-x2+V,]]>...cosβNcosαN=yG-yNxG-xN+V]]>以及cotγ1=zi(xG-x1)2+(yG-y1)2+V]]>cotγ2=zi(xG-x2)2+(yG-y2)2+V,]]>...cotγN=zi(xG-xN)2+(yG-yN)2+V]]>其中，V为系统的观测残差，使用最小二乘准则估计各个磁传感器的位置，由于方程带有一定的非线性，因此需采用非线性最小二乘方法，利用初始值进行估计，得第i个磁传感器的平面坐标(xi,yi)。本专利技术具有如下优点：本专利技术可在被监测海域布放N个三维磁传感器组成一个大孔径传感器阵列，使用本专利技术的校准方法可校准每个磁传感器的空间坐标以及三维姿态，给出布放的磁传感器的阵列布局，从而达到较宽海域的磁目标监测，对运动磁目标进行精度更高的定位。附图说明图1为本专利技术实施例中四元阵及坐标定义示意图；图2为本专利技术实施例中坐标系的定义及磁传感器的姿态校准示意图；图3为本专利技术实施例中阵型校准示意图。具体实施方式下面结合附图以及具体实施方式对本专利技术作进一步详细说明：在固定海域按照一定的阵型布放N个已校准三维量的磁传感器，每个磁传感器可单独监测海域的磁目标，并对磁目标进行定向，磁传感器检测数据由海底电缆传输至水下或水上基站进行处理。此时，设磁目标的坐标为设第i个磁传感器的大地坐标为1≤i≤N，N为整数，且N≥2。以四元阵列为例说明，磁传感器阵列分布如图1所示。磁传感器三维姿态角为对磁目标的定向数据方位角为定向坐标系为(X′a,Y′a,Z′a)；磁目标在以磁传感器为原点的大地坐标系的方位角为坐标系为(Xa,Ya,Za)。坐标系的定义及磁传感器的姿态校准如2所示。两个坐标系的旋转矩阵表示为：R(Ψ)=cosκcosAcosκsinAsinκ-cosφ`sinA-sinφ`sinκcosAcosφ`cosA-sinφ`sinκsinAsinφ`cosκsinφ`sinA-cosφ`sinκcosA-sinφ`cosA-cosφ`sinκAcosφ`cos本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于定位水下运动磁目标的磁传感器阵列校准方法，其特征在于，包括N个已校准三维量的磁传感器，按照一定的阵型布放于海底；各个磁传感器的检测数据由海底电缆传输至水下或水上基站进行处理，N为整数，且N≥2；在每个磁传感器上集成有压力传感器和罗经，磁传感器和罗经集成后，完成罗经与磁传感器坐标系角度差的校准；所述校准方法包括如下校准步骤：a磁传感器的姿态校准设磁目标的坐标为第i个磁传感器的大地坐标为1≤i≤N，磁传感器三维姿态角为对磁目标的定向数据方位角为定向坐标系为(X′a,Y′a,Z′a)；磁目标在以磁传感器为原点的大地坐标系的方位角为坐标系为(Xa,Ya,Za)；上述两个坐标系的旋转矩阵表示为：R(Ψ)=cosκcosAcosκsinAsinκ-cosφ`sinA-sinφ`sinκcosAcosφ`cosA-sinφ`sinκsinAsinφ`cosκsinφ`sinA-cosφ`sinκcosA-sinφ`cosA-cosφ`sinκAcosφ`cosκT,]]>其中，φ`＝acsin(sinφ/cosκ)，磁目标的坐标表示为(Xa,Ya,Za)T＝R(Ψ)(X′a,Y′a,Z′a)T；设罗经与磁传感器坐标系角度差的校准数据为Ψ′，布放后罗经的角度数据为Ψ″，得到：R(Ψ)＝R(Ψ″)R(Ψ′)，因此，磁目标的定向数据和大地坐标数据的校准公式为：(cosαi,cosβi,cosγi)T＝R(Ψ)(cosα′i,cosβ′i,cosγ′i)T；b磁传感器阵列阵型的校准压力传感器提供每个磁传感器的深度数据或相对深度数据，得到磁传感器的zi，进一步对磁传感器的大地平面坐标(xi,yi)进行估计；采用水面目标舰船轨迹航行的方法进行阵列校准，舰船装有卫星定位系统GPS实时测量舰船的大地坐标，记GPS坐标数据为同时装有同步芯片，使用通信系统发送坐标数据至基站；通过采用舰船盲航行获得各个阵元的初始值，即当第i个磁传感器定向为正上方时，记录此时的GPS平面坐标为第i个磁传感器的平面坐标，作为校准的初始值；获得初始值后，舰船按照一定的轨迹航行，此时包含测量数据和待估量的观测方程为：cosβ1cosα1=yG-y1xG-x1+V]]>cosβ2cosα2=yG-y2xG-x2+V,]]>...cosβNcosαN=yG-yNxG-xN+V]]>以及cotγ1=zi(xG-x1)2+(yG-y1)2+V]]>cotγ2=zi(xG-x2)2+(yG-y2)2+V,]]>...cotγN=zi(xG-xN)2+(yG-yN)2+V]]>其中，V为系统的观测残差，使用最小二乘准则估计各个磁传感器的位置，由于方程带有一定的非线性，因此需采用非线性最小二乘方法，利用初始值进行估计，得第i个磁传感器的平面坐标(xi,yi)。...

【技术特征摘要】
1.用于定位水下运动磁目标的磁传感器阵列校准方法，其特征在于，
包括N个已校准三维量的磁传感器，按照一定的阵型布放于海底；各个磁传感器的检测
数据由海底电缆传输至水下或水上基站进行处理，N为整数，且N≥2；
在每个磁传感器上集成有压力传感器和罗经，磁传感器和罗经集成后，完成罗经与磁传
感器坐标系角度差的校准；所述校准方法包括如下校准步骤：
a磁传感器的姿态校准
设磁目标的坐标为第i个磁传感器的大地坐标为1≤i≤N，
磁传感器三维姿态角为对磁目标的定向数据方位角为定向坐
标系为(X′a,Y′a,Z′a)；磁目标在以磁传感器为原点的大地坐标系的方位角为坐
标系为(Xa,Ya,Za)；
上述两个坐标系的旋转矩阵表示为：
R(Ψ)=cosκcosAcosκsinAsinκ-cosφ`sinA-sinφ`sinκcosAcosφ`cosA-sinφ`sinκsinAsinφ`cosκsinφ`sinA-cosφ`sinκcosA-sinφ`cosA-cosφ`sinκAcosφ`cosκT,]]>其中，φ`＝acsin(sinφ/cosκ)，
磁目标的坐标表示为(Xa,Ya,Za)T＝R(Ψ)(X′a,Y′a,Z′a)T；
设罗经与磁传感器坐标系角度差的校准数据为Ψ′，布放后罗经的角度数据为Ψ″，得到：
R(Ψ)＝R(Ψ″)R(Ψ′)，
因此，磁目标...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨保国，韩顺利，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第四十一研究所，
类型：发明
国别省市：山东;37