A review of the principles and methods of geomagnetic navigation and positioning technology
-
摘要: 地磁导航定位是多源融合导航定位技术体系中重要的技术手段之一，具有适用范围广、抗电磁干扰能力强、可全天时全天候工作等优点，为运动载体特别在地下、水下等卫星信号接收受限的场景提供一条无源被动的自主导航定位技术途径. 然而地磁场导航定位的实现过程通常因其应用的载体和场景不同而存在一定差异，本文将根据地磁导航定位的不同应用场景进行分类阐述，对其相应的原理与方法进行综述，以期助力地磁导航定位技术领域的后续推进.Abstract: As one of the important technical means in the multi-source fusion navigation and positioning technology system, geomagnetic navigation and positioning has the advantages of wide application range, strong anti-electromagnetic interference ability, all-weather operation, etc., which provides a passive and autonomous navigation and positioning technology approach for the moving carrier, especially in the underground, underwater and other scenes where satellite signal reception is limited. The realization process of geomagnetic navigation positioning varies due to different carriers and scenarios of geomagnetic positioning application. This paper elaborates the representative principles and methods of geomagnetic navigation and positioning in its different application scenarios, in order to promote the development of this promising field.
-
表 1 主流磁力仪传感器
性能指标 磁通门磁力仪 光泵磁力仪 质子旋进磁力仪 磁阻传感器 测量原理 法拉第电磁感应，具体是根据物质的磁化非线性来测定磁场强度. 它利用某些软磁材料作为磁芯，再将两级线圈绕在磁芯周围. 时变磁场的影响下，磁芯的磁化特性在饱和临界点出现周期变化，进而使磁芯上的线圈产生了随环境磁场变化的偶次谐波电势. 这类传感器十分灵敏，分辨率高，鲁棒性良好. 磁通门传感器可用于地球物理勘探和INS等. 一些特殊的原子在外部磁场的作用下会出现塞曼分裂现象，分裂的大小与磁感应强度成比例，精确测定塞曼子能级间的频率，即可计算出此时外部磁场的大小. 这样的原子主要有钾(K39)；铷(Rb87，Rb85)；铯(Cs133)；氦(He4，He3). 依据拉莫尔磁矩进动现象，强磁场使水或碳氢化物中的质子极化，当强磁场突然去掉时，质子就以角速度w绕地磁场旋进. 测定质子的旋进频率即可算出地磁场总强度. 磁阻效应传感器是根据磁性材料的磁阻效应制成的. 磁性材料(如坡莫合金)具有各向异性. 当给带状坡莫合金材料通电流I时，材料的电阻取决于电流的方向与磁化方向的夹角. 磁阻效应传感器一般有四个这样的电阻组成，并将它们接成电桥. 在被测磁场B作用下，电桥中位于相对位置的两个电阻阻值增大，另外两个电阻的阻值减小. 在其线性范围内，电桥的输出电压与被测磁场成正比. 测量物理量 矢量测量 标量测量，磁感应强度大小
(模量)标量测量，磁感应强度大小
(模量)矢量测量 分辨率/nT 0.01 0.001 0.01 300 响应频率/Hz 0~1000 0~10 0~1 0~106 功耗 小于1 W ~5 W ~5 W ~1 MW 体积/mm3 32×32×150 φ 60×150 φ 75×175 5×5×1 重量/g 400 600 1 000 1 稳定性 零点随时间漂移较大 好 良好 零点随时间偏移、
随温度漂移较大抗冲击性能 良好 一般 一般 很好 动态响应性能 较好 一般 较差 良好 适用方向 车载、机载、船载、星载 机载、地面 不适合运动平台，
适合静止观测行人、机器人 
下载: 导出CSV
-
[1] FISHER K A, RAQUET J F. Precision position, navigation, and timing without the global positioning system[J]. Air & space power journal, 2011: 1-11. [2] GOLDENBERG F. Geomagnetic navigation beyond the magnetic compass[C]//2006 IEEE/ION Position, Location, And Navigation Symposium. DOI: 10.1109/PLANS.2006.1650662 [3] WILSON J M, KLINE-SCHODER R J, KENTON M A, et al. Passive navigation using local magnetic field variations[C]// Proceedings of the 2006 National Technical Meeting of The Institute of Navigation, 2006. [4] 张万清, 李素敏. 地磁场资源在匹配制导中的应用研究[J]. 制导与引信, 2004, 25(3): 19-21. [5] 周军, 葛致磊, 施桂国, 等. 地磁导航发展与关键技术[J]. 宇航学报, 2008, 29(5): 1467-1472. DOI: 10.3873/j.issn.1000-1328.2008.05.001 [6] 熊盛青. 我国航空重磁勘探技术现状与发展趋势[J]. 地球物理学进展, 2009, 24(1): 113-117. [7] KATO N, SHIGETOMI T. Underwater navigation for long-range autonomous underwater vehicles using geomagnetic and bathymetric information[J]. Advanced robotics, 2009, 23(7a8): 787-803. DOI: 10.1163/156855309X443016 [8] 蔡兆云, 魏海平, 任治新. 水下地磁导航技术研究综述[J]. 国防科技, 2007(3): 28-29. DOI: 10.3969/j.issn.1671-4547.2007.03.004 [9] 张文瑶, 裘达夫, 胡晓棠. 水下机器人的发展、军事应用及启示[J]. 中国修船, 2006(6): 37-39. DOI: 10.3969/j.issn.1001-8328.2006.06.015 [10] 周贤高. 水下地磁导航匹配算法研究[D]. 天津: 天津大学, 2007. [11] 杨云涛. 导航定位中地磁测量误差补偿技术研究[J]. 舰船科学技术, 2019, 41(11): 125-128. [12] 林沂, 晏磊, 童庆禧. 水下地磁导航实时量测野值的离线模式辨识[J]. 武汉理工大学学报, 2008, 30(9): 112-115. [13] ABLOW C M, SCHECHTER S. Numerical simulation of undersea cable dynamics[J]. Ocean engineering, 1983, 10(6): 443-457. DOI: 10.1016/0029-8018(83)90046-X [14] 穆华, 任治新, 胡小平, 等. 船用惯性/地磁导航系统信息融合策略与性能[J]. 中国惯性技术学报, 2007, 15(3): 322-326. DOI: 10.3969/j.issn.1005-6734.2007.03.015 [15] 马明珠. 水下地磁辅助导航匹配算法研究[D]. 南京: 东南大学, 2019. [16] 康健, 芮国胜. 粒子滤波算法的关键技术应用[J]. 火力与指挥控制, 2007, 32(4): 53-55. DOI: 10.3969/j.issn.1002-0640.2007.04.015 [17] 杨小军, 潘泉, 王睿, 等. 粒子滤波进展与展望[J]. 控制理论与应用, 2006, 23(2): 261-267. DOI: 10.3969/j.issn.1000-8152.2006.02.019 [18] 胡士强, 敬忠良. 粒子滤波算法综述[J]. 控制与决策, 2005, 20(4): 361-365,371. [19] 李磊磊, 陈家, 斌谢玲, 等. 粒子滤波方法在GPS/dr组合导航系统中的应用[J]. 微电子学与计算机, 2004, 21(10): 97-99. DOI: 10.3969/j.issn.1000-7180.2004.10.026 [20] 姚智颖, 刘冬, 刘光斌. 基于粒子滤波的INS/tan组合导航[J]. 电光与控制, 2006, 13(3): 54-57. [21] 张宝亮, 杨柳, 张亮. 基于粒子滤波的红外目标跟踪新算法[J]. 电子科技, 2007(11): 22-25,34. DOI: 10.3969/j.issn.1007-7820.2007.11.007 [22] 郝燕玲, 赵亚凤, 胡峻峰. 地磁匹配用于水下载体导航的初步分析[J]. 地球物理学进展, 2008, 23(2): 594-598. [23] 赵梅, 张三同, 朱刚. 改进粒子滤波算法在组合导航中的应用[J]. 中国公路学报, 2007, 20(2): 108-112. DOI: 10.3321/j.issn:1001-7372.2007.02.021 [24] 杜云明, 李松. 基于粒子滤波的改进算法[J]. 黑龙江工程学院学报, 2007, 21(2): 36-40. DOI: 10.3969/j.issn.1671-4679.2007.02.011 [25] 李良群, 姬红兵, 罗军辉. 杂波环境下被动多传感器机动目标跟踪新算法[J]. 电子与信息学报, 2007, 29(8): 1837-1840. [26] BIRSAN M. Unscented particle filter for tracking a magnetic dipole target[C]// Proceedings of OCEANS 2005 MTS/IEEE, 2006. DOI: 10.1109/OCEANS.2005.1639993 [27] RAHOK S A, OZAKI K. Play-back navigation for outdoor mobile robot using trajectory tracking based on environmental magnetic field[C]//IEEE International Conference on Robotics and Automation, 2011. DOI: 10.1109/ICRA.2011.5979873 [28] RAHOK S A, SHIKANAI Y, OZAKI K. Trajectory tracking using environmental magnetic field for outdoor autonomous mobile robots[C]//2010 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, 2010: 1402–1407. DOI: 10.1109/IROS.2010.5651998 [29] 王刚刚, 李素敏, 姜利辉, 等. 多源信息融合的智能手机室内定位技术[J]. 卫星导航定位技术文集, 2020: 260-266. [30] 刘元成, 蔡成林, 韦照川, 等. 基于PDR和地磁匹配融合的楼层定位方法[J]. 传感技术学报, 2020, 33(4): 557-563. DOI: 10.3969/j.issn.1004-1699.2020.04.013 [31] 陆妍玲, 韦俊伶, 刘采玮, 等. 融合地磁/wifi/pdr的自适应粒子滤波室内定位[J]. 测绘通报, 2020(6): 1-6. DOI: 10.13474/j.cnki.11-2246.2020.0170 [32] LEE N K, AHN S, HAN D S. AMID: accurate magnetic indoor localization using deep learning[J]. Sensors, 2018, 18(5): 1598. DOI: 10.3390/s18051598 -
点击查看大图
图(20) / 表(1)
计量
- 文章访问数: 542
- HTML全文浏览量: 101
- PDF下载量: 119
- 被引次数: 0
