一種基于MAD的地磁匹配導(dǎo)航方法

王 闖，賀 瑩，張妍典

(中航工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安 710119)

一種基于MAD的地磁匹配導(dǎo)航方法

王 闖，賀 瑩，張妍典

(中航工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安 710119)

充分發(fā)揮地磁匹配導(dǎo)航方式的優(yōu)點(diǎn)，引入在圖像處理領(lǐng)域廣泛采用的互相關(guān)匹配概念，提出一種基于二維最小絕對(duì)差累加和算法(MAD)的地磁匹配導(dǎo)航方法。通過(guò)地磁傳感器實(shí)時(shí)采集運(yùn)載體附近的地磁信號(hào)獲取地磁檢測(cè)序列，將檢測(cè)序列作為匹配模板在地磁數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行MAD相關(guān)計(jì)算，獲取每一點(diǎn)的地磁強(qiáng)度量值絕對(duì)差累加和，地磁數(shù)據(jù)庫(kù)中絕對(duì)差累加和最小點(diǎn)的位置就是運(yùn)載體當(dāng)前坐標(biāo)的最佳匹配點(diǎn)，由此獲取位置導(dǎo)航參數(shù)。仿真結(jié)果表明，該方法具有較高的定位精度，匹配點(diǎn)的相關(guān)峰尖銳，動(dòng)態(tài)定位效果較好。

二維最小絕對(duì)差累加和算法；地磁導(dǎo)航；模板匹配

0 引言

地磁導(dǎo)航具有無(wú)源、無(wú)輻射、全天時(shí)、全天候、全地域、能耗低的優(yōu)良特征，在近些年獲得了快速的發(fā)展。尤其在軍事領(lǐng)域，與衛(wèi)星導(dǎo)航等有源制導(dǎo)和導(dǎo)航方式相比,使用地磁制導(dǎo)的導(dǎo)彈、無(wú)人機(jī)等武器裝備抗干擾性能更強(qiáng), 突防能力更突出。因此，地磁導(dǎo)航技術(shù)越來(lái)越成為學(xué)術(shù)界關(guān)注的對(duì)象和世界上主要軍事大國(guó)重點(diǎn)資助的研究方向。按照地磁數(shù)據(jù)處理方式的不同, 地磁導(dǎo)航分為地磁匹配與地磁濾波兩種方式。地磁濾波在等磁線變化較為豐富的區(qū)域用于修正導(dǎo)航偏差較為有效，但是對(duì)初始誤差要求較高；地磁匹配導(dǎo)航雖然需要存儲(chǔ)大量的地磁數(shù)據(jù)，但是導(dǎo)航不存在誤差積累，具有較高的匹配精度和捕獲概率, 是一種較方便靈活的匹配方式[1]。基于此，本文充分發(fā)揮地磁匹配導(dǎo)航方式的優(yōu)點(diǎn)，并引入在圖像處理領(lǐng)域廣泛采用的互相關(guān)匹配概念，提出一種基于二維最小絕對(duì)差累加和算法(MAD)的地磁匹配導(dǎo)航方法，該方法通過(guò)地磁傳感器實(shí)時(shí)采集運(yùn)載體附近的地磁信號(hào)獲取地磁檢測(cè)序列，將檢測(cè)序列作為匹配模板在地磁數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行MAD相關(guān)計(jì)算，獲取每一點(diǎn)的地磁強(qiáng)度量值絕對(duì)差累加和，地磁數(shù)據(jù)庫(kù)中絕對(duì)差累加和最小點(diǎn)的位置就是運(yùn)載體當(dāng)前坐標(biāo)的最佳匹配點(diǎn)，由此可獲取運(yùn)載體當(dāng)前的位置信息。

1 地磁匹配導(dǎo)航系統(tǒng)架構(gòu)

地磁匹配導(dǎo)航系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 地磁匹配導(dǎo)航系統(tǒng)架構(gòu)圖

地磁輔助導(dǎo)航系統(tǒng)由磁傳感器、數(shù)據(jù)處理組件、存儲(chǔ)器、供電單元及其他相關(guān)輔助電路組成。磁傳感器選用飛思卡爾或霍尼韋爾等公司的成品元器件;存儲(chǔ)器作為地磁數(shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)目標(biāo)區(qū)域的地磁圖；數(shù)據(jù)處理組件采集磁傳感器輸出的各向場(chǎng)強(qiáng)等地磁數(shù)據(jù)，進(jìn)行野值剔除及濾波處理，獲取地磁檢測(cè)序列，然后與從電子盤讀取的地磁數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行MAD相關(guān)匹配處理，當(dāng)檢測(cè)序列與地磁數(shù)據(jù)庫(kù)中的地磁信號(hào)特征匹配時(shí)，輸出位置等相關(guān)導(dǎo)航參數(shù)到信息融合處理單元。

2 基于MAD算法的地磁匹配導(dǎo)航過(guò)程

地磁匹配導(dǎo)航的流程如圖2所示。

圖2 地磁匹配導(dǎo)航流程圖

(1)地磁匹配特征量選取方法

根據(jù)獲取的地磁導(dǎo)航應(yīng)用區(qū)域的采集樣本，對(duì)總磁場(chǎng)強(qiáng)度F(X1)、水平強(qiáng)度H(X2)、東向強(qiáng)度Y(X3)、北向強(qiáng)度X(X4)、垂直強(qiáng)度Z(X5)、磁偏角D(X6) 和磁傾角I(X7)7個(gè)指標(biāo)進(jìn)行K-means初步聚類分析，然后對(duì)K個(gè)聚類進(jìn)行主成分分析，依據(jù)特征值大于1的原則，提取各自的主成分，從而得到最終的地磁匹配特征量[2]。

(2)地磁信號(hào)去噪及濾波預(yù)處理

根據(jù)海洋、沙漠、森林、城市等不同應(yīng)用場(chǎng)景下地磁雜波以及人為因素對(duì)地磁信號(hào)的影響情況，選用維納濾波、Kalman濾波等算法進(jìn)行噪聲去除及濾波預(yù)處理。

(3)基于MAD算法地磁匹配導(dǎo)航處理

MAD是一種簡(jiǎn)單而有效的圖像相關(guān)匹配算法，但在圖像匹配過(guò)程中，由于不同天氣條件下光照情況不同，不同季節(jié)地表覆蓋物的灰度不同，以及山地、建筑物的相互遮擋等因素影響，實(shí)時(shí)獲取的圖像與基準(zhǔn)參考圖在灰度和位移特征等方面具有顯著差異，從而影響匹配精度和可靠性[3]。而地磁匹配則不受這些因素的影響，因此將MAD算法用于地磁匹配導(dǎo)航具有重要的工程和實(shí)用價(jià)值。

設(shè)Si,j代表地磁數(shù)據(jù)庫(kù)中某點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度值，Mi,j代表當(dāng)前檢測(cè)模板序列中該點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，模板大小為M×M。MAD算法的思想是，將模板在地磁圖內(nèi)滑動(dòng)，在每個(gè)位置處求取磁場(chǎng)強(qiáng)度Si,j與Mi,j的絕對(duì)差：

(1)

由此得到整個(gè)檢測(cè)區(qū)域的一個(gè)相關(guān)曲面，整個(gè)相關(guān)曲面最小值所在的位置就是匹配點(diǎn)。

(4)地磁匹配導(dǎo)航定位精度分析

磁傳感器在實(shí)際應(yīng)用中，由于受到加工工藝和裝配精度水平的限制，低成本的三軸磁傳感器很難做到三軸嚴(yán)格正交，而且三軸靈敏度及其他電氣性能也不可能完全對(duì)稱。

同時(shí)，還存在零點(diǎn)漂移、傳感器內(nèi)部剩磁、地磁信號(hào)采集精度、地磁圖分辨率及人為因素變化的干擾，這些都將對(duì)磁場(chǎng)的精確測(cè)量產(chǎn)生負(fù)面影響，甚至造成很大的誤差。

這就需要在投入使用之前，對(duì)三軸傳感器進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定，盡可能克服由裝配工藝和三軸電器參數(shù)不嚴(yán)格一致而產(chǎn)生的測(cè)量誤差，并通過(guò)野值剔除和誤差補(bǔ)償?shù)仁侄芜M(jìn)行地磁去噪處理。

3 仿真分析

采用上述方法搭建測(cè)試系統(tǒng)驗(yàn)證所提出的地磁匹配導(dǎo)航算法，獲得匹配的相關(guān)峰曲面圖如圖3所示。

圖3 MAD算法地磁匹配相關(guān)曲面圖

由圖3分析可見(jiàn)，本文所提出的算法有比較尖銳的相關(guān)峰，因此可以通過(guò)匹配識(shí)別出跟蹤目標(biāo)的中心位置。

4 結(jié)論

本文充分發(fā)揮地磁匹配導(dǎo)航方式的優(yōu)點(diǎn)，并引入在圖像處理領(lǐng)域廣泛采用的互相關(guān)匹配概念，提出一種基于MAD的地磁匹配導(dǎo)航方法。該方法通過(guò)地磁傳感器實(shí)時(shí)采集運(yùn)載體附近的地磁信號(hào)獲取地磁檢測(cè)序列，將檢測(cè)序列作為匹配模板在地磁數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行MAD相關(guān)計(jì)算，獲取每一點(diǎn)的地磁強(qiáng)度量值絕對(duì)差累加和，地磁數(shù)據(jù)庫(kù)中絕對(duì)差累加和最小點(diǎn)的位置就是運(yùn)載體當(dāng)前坐標(biāo)的最佳匹配點(diǎn)，由此可獲取運(yùn)載體當(dāng)前的位置信息。

[1] 傅慷，余杰，錢富. 地磁導(dǎo)航的相關(guān)技術(shù)研究[J]. 航電技術(shù), 2013,33(4): 31-33.

[2] 王向磊. 地磁匹配導(dǎo)航中匹配量的選擇[J]. 測(cè)繪工程, 2011,20(5): 1-3.

[3] 程傳奇，郝向陽(yáng)，劉松林. 基于改進(jìn)型MAD算法的地形輔助慣性導(dǎo)航[J]. 電子測(cè)量技術(shù), 2015,38(4): 6-9.

A kind of geomagnetism matching navigation algorithm based on MAD

Wang Chuang, He Ying, Zhang Yandian

(Xi’an Aeronautics Computing Technique Research Institute, AVIC, Xi’an 710119, China)

To make full use of the advantages of geomagnetic matching navigation methods, this paper proposes a kind of geomagnetism matching navigation algorithm based on MAD, which is widely used in the field of image matching processing. In this method, geomagnetic signals near the carrier are obtained in real time and collected in sequence. The detection sequence is used as the matching template, the MAD correlation calculation between the detection sequence and each location in the geomagnetic database is carried out to obtain the geomagnetic intensity value, the point with the minimum value of absolute difference summation is the best matching points of the current vehicle location. Simulation results show that the proposed method has higher positioning accuracy, sharp correlation peaks and better dynamic positioning effect.

minimum absolute deviation algorithm (MAD); geomagnetism navigation; template matching

V249.31

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.23.024

王闖，賀瑩，張妍典.一種基于MAD的地磁匹配導(dǎo)航方法[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(23)：84-85.

2017-06-14)

王闖 (1986-)，男，碩士研究生，工程師，主要研究方向：嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，數(shù)字信號(hào)處理。