[发明专利]一种基于多磁偶极子反演的海洋导航辅助方法

权利要求书

1.一种基于多磁偶极子反演的海洋导航辅助方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，在多偶极子磁源磁场混叠的环境中，载体实时测量航迹上的磁场矢量与梯度张量数据；

步骤2，设计具有有效性判定系数的目标函数，设置初始磁偶极子组合，其中，所述初始磁偶极子组合所包含的磁偶极子的个数多于真实磁偶极子的个数，并对所述初始磁偶极子组合中的所有磁偶极子赋予坐标和磁矩初始值，包括：

以步骤1中选取的N个航迹点的几何中心为圆心，以(N-1)·d为半径确定圆形反演区域，设该区域内磁偶极子磁源的最大数量为M，从而建立目标函数如式(3)所示，其中，N表示所选取的航迹点的个数，d表示航迹点之间的间隔，N≥15，且15≤(N-1)·d≤30：

式中，X^*为目标函数；BG为实测的磁场矢量与梯度序列，如式(4)所示；为根据磁偶极子参数计算测磁场矢量与梯度估计值，如式(5)所示；

式中，BG_i为第i个测点处实测的磁场矢量与梯度序列，i＝1,2,…,N；B_x,i为第i个测点处实测的磁场在x方向上的分量，B_y,i为第i个测点处实测的磁场在y方向上的分量，B_z,i为第i个测点处实测的磁场在z方向上的分量，G_xx,i为第i个测点处实测的磁场分量B_x,i在x方向上的空间变化率，G_xy,i为第i个测点处实测的磁场分量B_x,i在y方向上的空间变化率，G_xz,i为第i个测点处实测的磁场分量B_x,i在z方向上的空间变化率，G_yy,i为第i个测点处实测的磁场分量B_y,i在y方向上的空间变化率，G_yz,i为第i个测点处实测的磁场分量B_y,i在z方向上的空间变化率；

式中，表示所有可能存在的磁偶极子在第i个测点上产生的磁场矢量和梯度张量，i＝1,2,…,N；表示第k个可能存在的磁偶极子在第i个测点上产生的x方向磁场矢量，表示第k个可能存在的磁偶极子在第i个测点上产生的y方向磁场矢量，表示第k个可能存在的磁偶极子在第i个测点上产生的z方向磁场矢量，表示第k个可能存在的磁偶极子在第i个测点上产生的磁场分量B_x在x方向上的空间变化率，表示第k个可能存在的磁偶极子在第i个测点上产生的磁场分量B_x在y方向上的空间变化率，表示第k个可能存在的磁偶极子在第i个测点上产生的磁场分量B_x在z方向上的空间变化率，表示第k个可能存在的磁偶极子在第i个测点上产生的磁场分量B_y在y方向上的空间变化率，表示第k个可能存在的磁偶极子在第i个测点上产生的磁场分量B_y在z方向上的空间变化率，k＝1,2,…,M；f(c_k)在对应第k个磁偶极子的判定系数函数，f(c_k)的表达式如式(6)所示：

式中，c_k为唯一变量，取值范围为(-∞，∞)；f(c_k)的函数值范围为(0，1)；

基于建立的目标函数，进行多磁偶极子反演的初始化，初始向量为：

式中，X_ini即为设置的初始磁偶极子组合，其中，所述初始磁偶极子组合所包含的磁偶极子的个数多于真实磁偶极子的个数；表示设置的第j个初始磁偶极子，j＝1,2,…,N_max，N_max为设置的初始磁偶极子个数的最大值，N_max＞M；为第j个初始磁偶极子的x坐标，为第j个初始磁偶极子的y坐标，为第j个初始磁偶极子的z坐标，为第j个初始磁偶极子的x方向磁矩，为第j个初始磁偶极子的y方向磁矩，为第j个初始磁偶极子的z方向磁矩，c_ini,j为第j个初始磁偶极子的判定系数函数中的唯一变量；其中和在设定范围内随机取值，c_ini,j取值为10，即认为所有磁偶极子在初始时刻默认都存在；

步骤3，利用航迹上测量得到的磁场矢量和梯度张量数据，利用非线性最小二乘法对磁偶极子的位置、磁矩参数，以及有效性判定系数中的未知参数进行优化解算；

步骤4，在优化结果中，选择判定系数值大于有效阈值的磁偶极子组合，作为反演结果；

步骤5，采用步骤4获得的磁偶极子组合为运动载体的导航定位提供空间参照，实现对运动载体导航的辅助。

2.根据权利要求1所述的一种基于多磁偶极子反演的海洋导航辅助方法，其特征在于，步骤1进一步包括：

利用矢量磁力仪实时测量航行轨迹上的磁场矢量信息、利用梯度仪实时测量航行轨迹上的磁场梯度信息；

以当前位置为终点，以设定间隔d选取N个航迹点P＝{P₁ P₂ … P_i … P_N}，其中，N≥15，且15≤(N-1)·d≤30，P_i表示第i个航迹点，即第i个测点，i＝1,2,…,N，P表示N个航迹点组成的向量；

P对应的磁场矢量数据B＝{B₁ B₂ … B_i … B_N}，其中，B_i＝[B_x B_y B_z]，表示第i个测点上的磁场矢量，i＝1,2,…,N，数学模型如式(1)所示：

式中，(x,y,z)为测点相对于某个磁偶极子的三维相对位置坐标；r为测点与该磁偶极子的距离，r²＝x²+y²+z²；B_x,B_y和B_z为三维磁场矢量；[m_x m_y m_z]^T为磁偶极子的三维磁矩，μ为介质磁导率；

P对应的磁场梯度数据G＝{G₁ G₂ … G_i … G_N}，其中，G_i为第i个测点上的磁场梯度张量，i＝1,2,…,N，数学模型如式(2)所示：

式中，G为磁场梯度张量，g_xx为磁场分量B_x在x方向上的空间变化率，g_xy为磁场分量B_x在y方向上的空间变化率，g_xz为磁场分量B_x在z方向上的空间变化率，g_yx为磁场分量B_y在x方向上的空间变化率，g_yy为磁场分量B_y在y方向上的空间变化率，g_yz为磁场分量B_y在z方向上的空间变化率，g_zx为磁场分量B_z在x方向上的空间变化率，g_zy为磁场分量B_z在y方向上的空间变化率，g_zz为磁场分量B_z在z方向上的空间变化率，且，g_xx+g_yy+g_zz＝0，g_xy＝g_yx，g_xz＝g_zx。