表征由磁场测量值确定的航向的方法和设备技术

本发明专利技术涉及一种用于确定航向的方法，其中磁场由至少一个磁力计测量，并且磁航向由所述测量值确定，并且其中计算装置针对磁航向的每次测量实施对由此确定的航向的表征值进行计算的处理，其特征在于，所述表征值是测量的磁场梯度的范数的单调函数，所述值用于确定航向。

Methods and equipment for characterizing the course determined by magnetic field measurements

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】表征由磁场测量值确定的航向的方法和设备一般
和现有技术总体而言，本专利技术涉及磁惯性技术。更准确地说，本专利技术涉及通过磁力计来确定航向(heading)。特别是，本专利技术有利地应用于在城市地区或“室内”，即在建筑物内部进行测量的情况。传统上，磁力计用于计算嵌入式系统中的航向。在这种情况下，假设传感器测量的磁场是地球磁场，其水平分量指向磁北。磁北和地理北的方向之间的差异(称为磁偏角)是已知的，并制成表格。在不失一般性的情况下，此后将因此认为磁北和地理北是合并的，并且因此磁力计指示了什么将被称为北。通常，用于根据磁力计测量值计算航向的确定方法基于以下：-将磁力计提供的测量值和与系统航向相关的信息联系起来的建模；-这种关系对于所执行的测量的相关性的表征。在常规方法中，所实现的计算可以是以磁场为测度的卡尔曼类型滤波，使得可以利用作为相关性表征的函数的测量噪声来修正包含在状态中的航向。建模包括写入测量的磁场M包含航向信息，例如通过以下等式：其中，R是旋转矩阵，使得可以从物体的参考系转到地球的惯性参考系成为可能。是欧拉角，并且MEARTH是地球磁场。该等式的相关性以测量方差为特征，也就是说，假设这个等式中的误差是具有零期望值的高斯随机变量。该方差用于自动计算卡尔曼增益，所述卡尔曼增益对修正进行加权，以便考虑不同的噪声(与外部环境相关的动态噪声和磁力计的测量噪声)。在又一种方法中，实施使用相同类型的建模和表征通过线性滤波进行的计算。r>在这种方法中，表征等式相关性的是等式增益幅度的相对调整。一般来说，这个增益是手动调整的。本领域技术人员将知道如何根据建模的相关性对其进行加权。因此，在这两种方法中，表征模型相关性的参数(在卡尔曼滤波器的情况下为高斯噪声的方差，在线性滤波的情况下为增益)通常是恒定的参数，与测量的磁场无关。最近，已经提出了对考虑了所测量磁场的建模的相关性的表征，例如在出版物中：-W.T.Faulkner,R.Alwood,W.T.David和J.Bohlin,“Gps-deniedpedestriantrackinginindoorenvironmentsusinganimuandmagneticcompass(在室内环境中使用惯性测量单元和磁罗盘的拒绝GPS的行人跟踪),”在Proceedingsofthe2010InternationalTechnicalMeetingofTheInstituteofNavigation(2010年导航学会国际技术会议会议录)中,(SanDiego(圣地亚哥),CA)，第198–204页，-M.H.Afzal,V.Renaudin和G.Lachapelle,“Magneticfieldbasedheadingestimationforpedestriannavigationenvironments(基于磁场的行人导航环境航向估计),”在2011InternationalConferenceonIndoorPositioningandIndoorNavigation(2011年室内定位和室内导航国际会议)中,(Guimaraes,Portugal)(葡萄牙，圭马拉斯)M.H.Afzal,V.Renaudin,andG.Lachapelle,2011年9月，然而，由此进行的表征并没有完全令人满意。在磁场受到相当大的干扰的环境中尤其如此，特别是在“室内”或城市地区，其中起源于建筑物中的金属元素或电流的磁干扰会叠加在地球磁场上。
技术实现思路
本专利技术的总体目标是提出一种能够更好地表征所使用的建模的相关性的解决方案，特别是在高度干扰的环境中。值得注意的是，本专利技术提出了一种用于确定航向的方法，其中磁场由至少一个磁力计测量，并且磁航向由所述测量值确定，并且其中计算装置对于磁航向的每次测量都实施对由此确定的航向的表征值进行计算的处理，其特征在于，所述表征值是测量的磁场梯度的函数，所述值用于确定航向。特别地，所述表征值是梯度的范数(特别是范数L2)的单调函数，优选地递增的单调函数(将采取直接正系数的线性函数的示例)。应当理解，如果例如在航向受到越来越多干扰时，任意确定所述表征值具有越来越低的值，则所述表征值可以是梯度范数的递减函数。计算装置对于给定的采样时间确定：-对航向预测的估计，所述估计是在先前的采样时间确定的航向的函数，-根据从磁力计测量值确定的磁航向对所估计的预测航向进行的修正。并且其中修正根据所述表征值确定，并且有利地仍然是表征值的单调函数(尤其是递增函数)。因此，所述修正有利地是所测量磁场的梯度的函数，并且特别是梯度范数的单调函数(通过单调函数的组合)。以这种方式，考虑了环境被干扰越多，梯度越高，因此航向测量值被篡改就越多的事实。在优选实施例中，计算装置根据以下来估计修正的幅度：-两个采样时间之间磁干扰变化的模型，以及-干扰幅度的先验估计。以这种方式，处理考虑了两个采样时间之间的磁航向干扰的变化，并且考虑了在连续采样时间的情况下由于环境而引起的干扰的潜在空间相关性。由此产生的计算比现有技术更可靠。值得注意的是，对于给定的采样时间k+1，计算装置通过计算以下公式来估计相关联的航向干扰：其中并且vψ(d)是方差的高斯随机变量a[k]2(1-α[k]2)-k是先前的采样时间，-a[k]是表示磁干扰的先验幅度的参数，-和σu是由计算装置计算的作为对干扰变化的期望值和方差的估计的两个参数。有利地，计算装置将参数a[k]估计为磁场梯度的范数的线性函数。参数本身例如由计算装置计算为：直接从对于时间k+1和k的磁力计输出确定的磁航向之间的差值，从该差值中减去预测航向(ω[k]dt)的变化量。参数σu可以被估计为两个连续采样时间之间的位移或位移速度的函数。该处理实现例如卡尔曼滤波，该卡尔曼滤波的状态至少具有实际航向和磁航向干扰(ψ,ψ(d))来作为参数。航向预测可以根据惯性单元的一个或多个传感器的测量值来确定。本专利技术还涉及一种用于通过磁传感器确定航向的设备，该设备包括磁力计和用于根据由所述磁力计测量到的磁场来计算航向的计算装置，其特征在于，所述计算装置针对不同的连续采样时间实施上述处理。还提出了一种包括至少一个这样的航向测量设备的磁惯性导航系统。这种系统有利地用于城市环境或建筑物内部。本专利技术还涉及：-一种计算机程序产品，包括用于当所述程序在计算机上执行时执行前述类型的方法的代码指令；-一种计算机设备可读的存储装置，其上的计算机程序产品包括用于执行这种方法的代码指令。附图说明从下面的描述中，本专利技术的其他特征和优点将变得更加清楚，这些描述纯粹是说明性的而非限制性的，并且应该参照附图来阅读，在附图中：-图1是用于实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于确定航向的方法，其中通过至少一个磁力计测量磁场，并且根据所述测量值确定磁航向，并且其中计算装置针对磁航向的每次测量，实施对由此确定的航向的表征值进行计算的处理，其特征在于，所述表征值是所测量的磁场梯度的范数的单调函数，所述值被用于确定所述航向。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170728 FR 17572201.一种用于确定航向的方法，其中通过至少一个磁力计测量磁场，并且根据所述测量值确定磁航向，并且其中计算装置针对磁航向的每次测量，实施对由此确定的航向的表征值进行计算的处理，其特征在于，所述表征值是所测量的磁场梯度的范数的单调函数，所述值被用于确定所述航向。


2.根据权利要求1所述的方法，其中，对于给定的采样时间，所述计算装置确定：
-对航向预测进行估计，所述估计是在前一个采样时间确定的航向的函数，
-根据从磁力计测量值确定的磁航向，对所估计的预测航向进行修正，
并且其中所述修正根据所述表征值确定。


3.根据权利要求1和2中的一项所述的方法，其中，所述计算装置根据多个测量的磁航向和表征值来确定取决于所述航向的变量值。


4.根据权利要求1至3中的一项所述的方法，其中，在所述修正期间，所述计算装置根据以下来估计所述修正的幅度：
-两个采样时间之间的磁干扰的变化的模型，以及
-对干扰幅度的先验估计。


5.根据权利要求2所述的方法，其中，对于给定的采样时间k+1，所述计算装置通过计算以下公式来估计关联的航向干扰：



其中，
其中，vψ(d)是方差a[k]2(1-α[k]2)的高斯随机变量，
k是前一个采样时间，
a[k]是代表所述磁干扰的先验幅度的参数，

和σu是由所述计算装置计算的作为对干扰变化的期望值和方差的估计的两个参数。


6.根据权利要求5的方法，其中，所述计算装置将所述参...

【专利技术属性】
技术研发人员：大卫·维西埃，马蒂厄·希尔伊恩，查尔斯伊凡·切斯诺，让菲力浦·杜加尔德，
申请(专利权)人：西斯纳维，
类型：发明
国别省市：法国;FR