一種基于地磁場空間角度的長距離導航方法及裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種導航方法和裝置，尤其是涉及一種基于地磁場空間角度的長距離 導航方法及裝置。
【背景技術】
[0002] 當前現存的導航系統，無論是GPS定位系統還是電信運營商基站導航系統，都離 不開電磁波信號的接收和發送。而在一些電磁波無法傳播的環境中，或者基站沒有分布的 地方，這些導航系統的功能將受到功能上無法克服的困難。例如在電磁波無法透射的深海 中，在無法通過電磁波確認所在位置的情況下，基于電磁波數據傳輸的導航系統將無法工 作。
[0003] 地磁場是源于地球內核發散到空間中的一個巨大的地球磁場，可以近似的看作由 一個巨大的磁鐵產生的磁場，而地磁場的軸向與地球自轉軸向也就是地球地理南北方向之 間存在大約11. 3°的偏移。動物體內磁感應材料的發現表明一些動物具有感應地磁場的能 力，而動物行為實驗的結果指出，長距離迀徙的動物能利用地磁場線的方向和某一特定地 理方向信息如晨曦的亮點（地理正東方向）或星辰的方位完成長距離的導航。關于這一問 題，在過去的一個多世紀里面很多科學家雖然做了大量的研究工作，但這一導航機制的實 現方法依然是困擾學術界的一個難題。大量的實驗數據表明，龍蝦和海龜可以感應天體星 辰的方位和地磁信息，完成從未知實驗放置地點到出生海灘的洄游；信天翁作為一種洲際 迀徙的鳥類，可通過地磁信息和羅盤信息完成從繁殖地到捕食地點的長距離迀徙。
[0004] 因此，在大量實驗證實的基礎上，基于地磁場線方向和某一特定地理方向信息進 行的長距離導航在理論和方法上存在可行性。地球磁場在地球表面的特殊分布可以為導航 的實現提供可以依靠的信息，現有技術中缺少能利用地磁場信息為人們導航選擇提供新途 徑的導航機制和方法。
【發明內容】
[0005] 為了解決【背景技術】中存在的問題，本發明公開了一種基于地磁場空間角度的長距 離導航方法及裝置，通過測量所在地點地磁場線方向和某一特定地理方向之間的空間角來 完成長距離導航。該地理方向信息可以是任意固定的方向，如正東方向或正北方向。上述空 間角r通過數學上水平面和豎直平面的分解可以獲得兩個分量水平分和豎直分量 狐，如附圖1所示，通過比較所在地點的空間角釋與目標地點的空間角^之間的偏差，推 算出一個可以使所在地點的空間角r在張角和傾斜度上，數學上可理解為分量黎?1和供^ 能等比例趨向于目標地點空間角#的導航方向，當測量得到所在地點的空間角在分量 和物與目標地點的空間角之間的偏差都很小的時候，即認為已經到達目的地地點，導航結 束。
[0006] 本發明采用的技術方案是：
[0007] -、一種基于地磁場空間角度的長距離導航方法：
[0008] 利用地磁空間角的變化作為導航依據，預設任意一固定地理方向，測量所在地點 的地磁場線方向和固定地理方向之間的空間角，根據已知的目標地點空間角（目標地點空 間角為目標地點的地磁場線方向和固定地理方向之間的空間角），推算出所在地點向目標 地點的導航方向；在導航過程中不斷重復上述步驟進行測量計算得到使移動過程中所在地 點空間角在張角和傾斜方位上不斷靠近目標地點的導航方向，當測得所在地點的空間角與 已知的目標地點空間角的兩個分量差值足夠小時認為到達目標地點，導航結束。
[0009] 所述的所在地點向目標地點的導航方向Θ'采用以下公式計算得到：
[0010]
[0011] 其中，η表示角度參數，φ,ξ和pf分別表示當前所在地點的空間角的水平和垂直 分量，<和分別表示當前所在地點的空間角的水平和垂直分量，X和y分別表示正東方 向和正北方向，k表示當前計算的序數，k彡2,Δ#'和分別表示第k步計算中地磁 場空間角的水平分量Δφ?在相鄰前后兩步所在地點之間沿著正東方向X和正北方向y的 變化快慢，同理和分別表示第k步中地磁場空間角的豎直分量在相鄰前 后兩步所在地點之間沿著正東方向X和正北方向y的變化快慢。
[0012] 所述的四個變化快慢和分別采用以下公式計算得 到：
[0013]
[0014]
[0015]
[0016]
[0017] 其中，爐,分別表示當前所在地點空間角的水平分量沿著正東方向X和正 北方向y的變化，和分別表示當前所在地點空間角的垂直分量沿著正東方向X和 正北方向y的變化，(^f_1)' 分別表示上一步計算所在地點空間角的水平分量 沿著正東方向X和正北方向y的變化，和丨別表示上一步計算所在地點 空間角的垂直分量沿著正東方向X和正北方向y的變化，θk1表示上一步計算所在地點向 目標地點的導航方向。
[0018] 因為上述空間角在地球表面很大的區域內是唯一的，本發明需要測量所在地點的 地磁場線方向和任意一固定地理方向，需要已知導航目的地點地磁場線方向和固定地理方 向空間角信息，固定地理方向可以是例如正北方向或正東方向。當測量得到所在地點的空 間角和目的地點的空間角之間的偏差很小的時候，即認為已經到達目的地地點，導航結束。 [0019] 本發明的導航方法不需要任何已知的地理位置信息和地磁位置信息，只需要測量 地磁場線方向和某一特定地理方向。整個導航方法只需要已知目的地點的地磁場線方向和 某一地理方向之間的空間角，通過不斷測量所在地點的地磁場線方向和地理正北方向得到 所在地點的空間角，即可完成從所在地點到目標地點的導航。
[0020] 二、一種基于地磁場空間角度的長距離導航裝置：
[0021] 包括三維磁場傳感器、三軸陀螺儀、信號調理系統和導航顯示器，三維磁場傳感 器、三軸陀螺儀和導航顯示器均連接到信號調理系統，將測量得到的地磁場方向和角度信 息傳送到信號調理系統中進行運算得到結果發送到導航顯示器顯示。
[0022] 所述的三維磁場傳感器包括X方向磁場傳感器、y方向磁場傳感器和z方向磁場 傳感器的三個方向相互垂直的傳感器。
[0023] 所述的導航顯示器為屏幕顯示器或者指針儀表。
[0024] 所述的信號調理系統采用單片機。
[0025] 本發明利用高精度三維磁場傳感器，可以方便而精確的測出所在地點的磁場線方 向，通過提取地磁場線方向與陀螺儀指示的某一特定地理方向之間的空間角，可以計算出 所在地點的地磁場空間角信息。
[0026] 本發明具有的有益效果：
[0027] 本發明在不依賴于任何地理定位信息的情況下，僅需要測量到所在地點的精確方 位角信息，在已知目標地點方位角的情況下，本發明即可以實現長距離的導航。
[0028] 而且，在基于電磁波信號通信的常規導航系統，如GPS和電信基站定位，無法與外 界進行電磁波信號聯系的情況下，本發明的導航方法和導航裝置對該情況下導航工作提供 了很好的補充。
[0029] 因此，本發明不僅提出了一種完全基于地磁場信息的導航方法，也為無電磁波空 間的長距離導航提供了可靠的機制和方法。
【附圖說明】
[0030] 附圖1是基于本發明的長距離導航裝置。
[0031] 附圖2是地磁場空間角的分量計算示意圖。
[0032] 附圖3是基于本發明模擬信天翁的長距離導航仿真。
[0033] 圖a中實線表示信天翁從B點飛往A點的迀徙路徑，虛線表示在沒有任何干擾情 況下基于本方法的計算機仿真結果，點線表示在存在方向誤差（即干擾）的情況下，基于本 方法的計算機仿真結果；
[0034] 圖b中實線和虛線分別表示不同年份同一只信天翁從A點飛往B點的迀徙路徑， 虛線表示在沒有任何干擾情況下基于本方法的計算機仿真結果，點線表示在存在方向誤差 的情況下，基于本方法的計算機仿真結果，其中點畫線表示除信風干擾情況下的計算機仿 真結果。
[0035] 附圖4是基于本發明模擬海龜的長距離導航仿真。
[0036] 圖中實線是動物導航的試驗軌跡，虛線是無干擾下基于本實驗的導航仿真結果， 點線是干擾情況下基本發明的導航仿真結果。
【具體實施方式】
[0037] 下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
[0038] 本發明的設計原理如下：
[0039] 1)在導航開始的地點測量所在地點的地磁場空間角爐1，以下方法上水平豎直 分解為φ?和丨隨機選擇一個方向移動一段距離，規定該方向與正東方向之間的夾角為 Θ\在移動的過程中測量出在移動方向Θ1方向上，地磁場空間角的兩個分量％和&從 第一個地點到第二個地點地磁場空間角的和沿正東方向（X)和正北方向（y)的變化 規律，如下：
[0040]
[0041]
[0042]
[0043]
[0044] 其中k彡2, 和分別表示第k步中地