地磁定位技術(shù)簡介和基本原理

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人類使用地磁信息進(jìn)行導(dǎo)航具有悠久的歷史。遠(yuǎn)有我國古代發(fā)明的指南針、航海羅盤等，近有十四、十五世紀(jì)歐洲人使用羅盤進(jìn)行遠(yuǎn)洋航行，發(fā)現(xiàn)新大陸等壯舉，這都與地磁導(dǎo)航是分不開的。

地磁定位技術(shù)的基本原理

地磁場在地球近地空間連續(xù)分布，受地球磁性物質(zhì)分布不同，各個地域的地磁場存在差異。地磁場已廣泛應(yīng)用于艦船和飛機(jī)的方位導(dǎo)航，利用指南針、磁羅盤等測量地磁場方位信息，以獲得穩(wěn)定的地球北指向。

與磁航向測量技術(shù)不同，地磁定位技術(shù)利用地磁場強(qiáng)度隨地理空間位置變化具有不同分布的特性，實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動載體的定位。通過安裝在運(yùn)動載體上的磁場傳感器，實(shí)時測量運(yùn)動航跡(軌跡)上的地磁場數(shù)據(jù)，并提取磁場特征，與事先獲得并存儲的地磁場模型或地磁圖進(jìn)行匹配，以確定運(yùn)動載體的實(shí)時位置，以用于導(dǎo)航或者定位跟蹤。

因?yàn)榈卮艌龅膹V泛分布，地磁定位技術(shù)可以應(yīng)用于飛行器、地面車輛、水下潛航器等不同的運(yùn)動載體，特別在建筑內(nèi)等封閉空間內(nèi)，除了地球磁場外，人工建筑的鐵磁性材料進(jìn)一步豐富了地磁場的空間分布特征，使磁場的空間差異分辨率可達(dá)到10cm，為室內(nèi)位置測量提供了一個天然的坐標(biāo)系。

在使用磁場定位技術(shù)前，需要采集定位區(qū)域的磁場分布，并把采集過的磁場分布制作成地磁圖;當(dāng)來到有地磁圖的區(qū)域時，通過運(yùn)動體攜帶(或安裝)定位終端內(nèi)的磁傳感器，測量經(jīng)過區(qū)域的磁場，將實(shí)際測量的磁場數(shù)據(jù)與已知的地磁圖進(jìn)行對比，在地磁圖內(nèi)找到和測量磁場數(shù)據(jù)最相似的數(shù)據(jù)所在的位置，即是運(yùn)動體所在的位置。

從上述定位原理看出，地磁定位的最大優(yōu)勢是不依賴于外部環(huán)境、不需要事先部署硬件、不需要維護(hù)、可以分辨樓層、不易受遮擋和干擾，能夠取得定位精度、成本、可靠性和兼容性的良好平衡，具有非常廣闊的市場應(yīng)用前景。

但是，要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定高精度的地磁定位性能，并不是一件容易的事情，除了需要重點(diǎn)考慮四個方面的因素：第一，地磁圖的制作和定位特征的應(yīng)用;第二，選擇適合的磁傳感器;第三，與磁傳感器和運(yùn)動載體相適配的實(shí)時測量方法;第四，與應(yīng)用場景和運(yùn)動載體相適配的定位算法。

地磁定位技術(shù)簡介

1、地磁場特征

地面上任意點(diǎn)地磁場強(qiáng)度矢量T通常可用直角坐標(biāo)系來描述。設(shè)以觀測點(diǎn)為其坐標(biāo)原點(diǎn)，X、Y、Z三個軸的正向分別指向地理北、東和垂直向下，如圖所示。觀測點(diǎn)的T矢量在直角坐標(biāo)系內(nèi)三個軸的投影分別為北向分量(X)、東向分量(Y)和垂向分量(Z)。T在水平面內(nèi)投影稱為水平分量(H)，其指向?yàn)榇疟狈较?。T和水平面之間的夾角稱為的磁傾角,以I表示,當(dāng)T下傾時為正,反之為負(fù)。通過該點(diǎn)H方向的鉛直平面為磁子午面，它與地理子午面的夾角稱為磁偏角,以D表示,磁北自地理北向東偏，D為正，反之為負(fù)。T、Z、X、Y、D及I的各個量都是表示該點(diǎn)地磁場大小和方向特征的物理量，稱為地磁要素。

綜合這七個地磁要素，由圖的幾何關(guān)系可得幾個關(guān)系式如下式所示。

圖 地磁場要素

地磁定位常用磁傳感器：

目前市面上主流磁傳感器如下表所示。

主流磁傳感器

在實(shí)際使用時，通過不同的應(yīng)用場景，選擇合適的磁傳感器。

2、地磁定位系統(tǒng)組成

地磁定位比較適合大范圍，強(qiáng)金屬遮擋干擾的場景。地磁定位系統(tǒng)主要由定位終端、傳輸網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)端軟件構(gòu)成。定位終端的用于測量地磁場數(shù)據(jù)，通過4G網(wǎng)絡(luò)上傳到本地的定位服務(wù)器上完成位置解算。如果工作區(qū)域內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋不好，則數(shù)據(jù)可以存儲在終端，等到了有網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地方，可自動實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳。定位服務(wù)器實(shí)現(xiàn)人員位置的計算，并把時間、終端ID和終端位置數(shù)據(jù)發(fā)送給平臺服務(wù)器，在平臺服務(wù)器上實(shí)現(xiàn)跟位置數(shù)據(jù)相關(guān)的顯示、跟蹤、處理、分析和應(yīng)用?，F(xiàn)在大部分手機(jī)配備了磁傳感器，定位終端也可以選擇智能手機(jī)作為定位感知終端，實(shí)現(xiàn)地磁定位。

3、地磁定位實(shí)施過程

項(xiàng)目的實(shí)施過程包括磁場數(shù)據(jù)采集、磁場數(shù)據(jù)庫制作、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)等過程。

由人推著地磁圖采集裝置，或者帶著采集終端，在應(yīng)用場景內(nèi)完成數(shù)據(jù)采集，一般只進(jìn)行一次，其時間周期依據(jù)工作區(qū)域大小以及場地結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度而不同。

現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集

磁場數(shù)據(jù)庫制作，主要實(shí)現(xiàn)磁場數(shù)據(jù)的處理和后期加工，建立磁場模型。

磁圖的空間分布

現(xiàn)場部署包括定位終端的配置、服務(wù)器架設(shè)、服務(wù)器軟件的安裝等工作;系統(tǒng)聯(lián)調(diào)包括數(shù)據(jù)傳輸情況測試、定位效果測試、系統(tǒng)運(yùn)行測試、可能出現(xiàn)的風(fēng)險排查等。

地磁定位市場進(jìn)展

地磁定位目前市場上的玩家不多，活躍的玩家有北京麥釘艾特科技有限公司，地磁定位也是一種指紋定位模式，不過相比于無線電信號而言，地磁場的信號更加穩(wěn)定，一旦物理環(huán)境確定下來，地磁場的變化就非常小(如果增加墻體或者建筑物會對地磁有較大的影響)，這個特性使得地磁定位非常適用于工業(yè)場景，尤其是金屬較多的環(huán)境，在穩(wěn)定性的條件下，地磁定位還能保持0.5-1m左右的精度。

但是地磁定位項(xiàng)目中需要投入大量的人力采集指紋數(shù)據(jù)，而一旦環(huán)境有較大的改變(不可控)又需要重新采集，這一點(diǎn)不利于該技術(shù)大大規(guī)模落地應(yīng)用，這是限制該技術(shù)發(fā)展的一個重要因素。

審核編輯：湯梓紅