[发明专利]地下空间三维磁感应定位系统

说明书

本发明公开了一种地下空间三维磁感应定位系统，包括多个三维磁发射机和多个三维磁接收机。发射机使用三个正交线圈产生甚低频磁感应场，可穿透岩石来进行精确的三维定位；接收机则使用相应的三维正交线圈来检测微弱的准静态磁场，并确定其位置。本发明对定位范围内的多个发射机的摆放没有特定要求，只需随意放置便可，在应用中，最低只要2个发射机即可确定接收机的定位。同时，本发明的优点在于仅需知道一个锚发射机的精确位置信息，其余发射机的定位都可以从接收机获得的测量数据进行迭代细化得到。且甚低频波可以在地下空间无损耗地传播，因此避免了基于射频的定位技术发生无视距传播、极端路径损耗和多径衰落等现象。

技术领域

本发明涉及监测和定位系统，特别涉及一种适用于地下空间的三维磁感应定位系统。

背景技术

定位导航问题伴随着人们的日常生产、生活要求，从最早地面上的标记物，到灯塔，再到罗盘，都见证了定位技术发展的重要性。目前应用最广泛的全球定位系统主要适用于视线明朗、几乎无遮挡的空地、野外等(一般定位精度为米级)，而在视线不明朗的灌木林荫或室内等地方时，GPS通常因找不到足够数量的定位卫星而无法精准定位。同时，一些传统的定位解决方案仅局限于传统室内定位，例如基于无线射频识别技术的定位解决方案。

但由于诸如隧道和矿山等地下空间的不稳定性、封闭性等多个特征，传统室内定位技术并不适用于地下条件。目前国内外各实验室对于地下空间定位的研究，主要是通过改进各类室内定位算法，例如“零锚节点定位矿山中的移动目标”；又如“基于超宽带的无线传感器网络监控技术”，理论上可用于监测地下矿井的结构变化与坍塌事故的发生。然而由于地下结构不稳定，人为因素扰动影响大，这些基于射频的定位技术面临着诸多挑战，诸如严重的路径损耗、无视距传播、多径衰落、噪声、空气电离等，最大的限制是锚节点之间的几何距离不佳。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提供一种适合于复杂混乱地下空间(如隧道、矿井等)中目标定位的新方法——三维磁感应定位,包括：

通过建立准静态场来定位，故墙壁、地板和人等会严重影响基于高频无线电、声或光定位技术的敏感性、精确度的障碍物对准静态磁场来说是“透明”的。

通过使用甚低频率的磁感应向量场，低频波可以无损耗传播。

由于波长较长，可以有效克服多径效应的影响。

具体地，本发明采用以下的技术方案：

地下空间的三维磁感应定位系统，包括三维磁发射机与三维磁接收机。所述三维磁发射机，使用三个正交线圈产生低频磁感应场，而所述三维磁接收机则使用相应的三维正交线圈来检测微弱的准静态磁场，并确定接收机的位置。

所述磁发射机分为两种，一种为系统所需一个已知位置的磁发射机，称为锚发射机，另一种为可以随意放置的未知位置信息的磁发射机，称为次级发射机。

所述三维磁接收机包括传感器模块、磁信号处理模块和定位模块。所述传感器模块与磁信号处理模块相连，所述磁信号处理模块与所述定位模块相连。

所述传感器模块包括：一个由三个相互正交的线圈构成的磁感应传感器，用以在任意位置测量磁矢量场，和一个惯性测量单元。所述惯性测量单元主要用途为稳定旋转，即保证在帧传输过程中，每个接收机线圈中检测到的磁信号不受用户方向的快速变化的影响。

所述磁信号处理模块内主要是完成三维磁信道模型的建立，所述三维磁信道模型的建立主要是围绕估计测量三维磁信道矩阵。所述三维磁信道矩阵S为一个3×3的矩阵，矩阵中的元素s_j,i的物理意义为，第j个接收机线圈感应到的第i个发射机线圈的感应电压。