一種基于MAD的地磁匹配導航方法

王 闖，賀 瑩，張妍典

(中航工業西安航空計算技術研究所，陜西 西安 710119)

一種基于MAD的地磁匹配導航方法

王 闖，賀 瑩，張妍典

(中航工業西安航空計算技術研究所，陜西 西安 710119)

充分發揮地磁匹配導航方式的優點，引入在圖像處理領域廣泛采用的互相關匹配概念，提出一種基于二維最小絕對差累加和算法(MAD)的地磁匹配導航方法。通過地磁傳感器實時采集運載體附近的地磁信號獲取地磁檢測序列，將檢測序列作為匹配模板在地磁數據庫中進行MAD相關計算，獲取每一點的地磁強度量值絕對差累加和，地磁數據庫中絕對差累加和最小點的位置就是運載體當前坐標的最佳匹配點，由此獲取位置導航參數。仿真結果表明，該方法具有較高的定位精度，匹配點的相關峰尖銳，動態定位效果較好。

二維最小絕對差累加和算法；地磁導航；模板匹配

0 引言

地磁導航具有無源、無輻射、全天時、全天候、全地域、能耗低的優良特征，在近些年獲得了快速的發展。尤其在軍事領域，與衛星導航等有源制導和導航方式相比,使用地磁制導的導彈、無人機等武器裝備抗干擾性能更強, 突防能力更突出。因此，地磁導航技術越來越成為學術界關注的對象和世界上主要軍事大國重點資助的研究方向。按照地磁數據處理方式的不同, 地磁導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域用于修正導航偏差較為有效，但是對初始誤差要求較高；地磁匹配導航雖然需要存儲大量的地磁數據，但是導航不存在誤差積累，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，本文充分發揮地磁匹配導航方式的優點，并引入在圖像處理領域廣泛采用的互相關匹配概念，提出一種基于二維最小絕對差累加和算法(MAD)的地磁匹配導航方法，該方法通過地磁傳感器實時采集運載體附近的地磁信號獲取地磁檢測序列，將檢測序列作為匹配模板在地磁數據庫中進行MAD相關計算，獲取每一點的地磁強度量值絕對差累加和，地磁數據庫中絕對差累加和最小點的位置就是運載體當前坐標的最佳匹配點，由此可獲取運載體當前的位置信息。

1 地磁匹配導航系統架構

地磁匹配導航系統架構如圖1所示。

圖1 地磁匹配導航系統架構圖

地磁輔助導航系統由磁傳感器、數據處理組件、存儲器、供電單元及其他相關輔助電路組成。磁傳感器選用飛思卡爾或霍尼韋爾等公司的成品元器件;存儲器作為地磁數據庫，存儲目標區域的地磁圖；數據處理組件采集磁傳感器輸出的各向場強等地磁數據，進行野值剔除及濾波處理，獲取地磁檢測序列，然后與從電子盤讀取的地磁數據庫進行MAD相關匹配處理，當檢測序列與地磁數據庫中的地磁信號特征匹配時，輸出位置等相關導航參數到信息融合處理單元。

2 基于MAD算法的地磁匹配導航過程

地磁匹配導航的流程如圖2所示。

圖2 地磁匹配導航流程圖

(1)地磁匹配特征量選取方法

根據獲取的地磁導航應用區域的采集樣本，對總磁場強度F(X1)、水平強度H(X2)、東向強度Y(X3)、北向強度X(X4)、垂直強度Z(X5)、磁偏角D(X6) 和磁傾角I(X7)7個指標進行K-means初步聚類分析，然后對K個聚類進行主成分分析，依據特征值大于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)地磁信號去噪及濾波預處理

根據海洋、沙漠、森林、城市等不同應用場景下地磁雜波以及人為因素對地磁信號的影響情況，選用維納濾波、Kalman濾波等算法進行噪聲去除及濾波預處理。

(3)基于MAD算法地磁匹配導航處理

MAD是一種簡單而有效的圖像相關匹配算法，但在圖像匹配過程中，由于不同天氣條件下光照情況不同，不同季節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，實時獲取的圖像與基準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航具有重要的工程和實用價值。

設Si,j代表地磁數據庫中某點的磁場強度值，Mi,j代表當前檢測模板序列中該點的磁場強度，模板大小為M×M。MAD算法的思想是，將模板在地磁圖內滑動，在每個位置處求取磁場強度Si,j與Mi,j的絕對差：

(1)

由此得到整個檢測區域的一個相關曲面，整個相關曲面最小值所在的位置就是匹配點。

(4)地磁匹配導航定位精度分析

磁傳感器在實際應用中，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格正交，而且三軸靈敏度及其他電氣性能也不可能完全對稱。

同時，還存在零點漂移、傳感器內部剩磁、地磁信號采集精度、地磁圖分辨率及人為因素變化的干擾，這些都將對磁場的精確測量產生負面影響，甚至造成很大的誤差。

這就需要在投入使用之前，對三軸傳感器進行參數標定，盡可能克服由裝配工藝和三軸電器參數不嚴格一致而產生的測量誤差，并通過野值剔除和誤差補償等手段進行地磁去噪處理。

3 仿真分析

采用上述方法搭建測試系統驗證所提出的地磁匹配導航算法，獲得匹配的相關峰曲面圖如圖3所示。

圖3 MAD算法地磁匹配相關曲面圖

由圖3分析可見，本文所提出的算法有比較尖銳的相關峰，因此可以通過匹配識別出跟蹤目標的中心位置。

4 結論

本文充分發揮地磁匹配導航方式的優點，并引入在圖像處理領域廣泛采用的互相關匹配概念，提出一種基于MAD的地磁匹配導航方法。該方法通過地磁傳感器實時采集運載體附近的地磁信號獲取地磁檢測序列，將檢測序列作為匹配模板在地磁數據庫中進行MAD相關計算，獲取每一點的地磁強度量值絕對差累加和，地磁數據庫中絕對差累加和最小點的位置就是運載體當前坐標的最佳匹配點，由此可獲取運載體當前的位置信息。

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

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

[3] 程傳奇，郝向陽，劉松林. 基于改進型MAD算法的地形輔助慣性導航[J]. 電子測量技術, 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的地磁匹配導航方法[J].微型機與應用，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：嵌入式計算機系統，數字信號處理。