CN117289184B - 一种利用双磁传感器辅助识别干扰磁场的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种利用双磁传感器辅助识别干扰磁场的方法,属于轨道交通技术领域,包括阵列磁传感器的安装与基线标定;利用阵列磁传感器采集磁时间序列数据,并提取磁场特征,包括磁倾角、磁偏角,得到磁特征时间序列;将里程时间序列与磁特征时间序列通过时间对齐,实现磁特征的空间格点化,保证磁特征在空间上均匀分布;利用动态时间规整算法评估磁特征序列的相似度,有效避免由于空间格点化对序列造成的扭曲;将计算得到的DTW距离与事先设置好的阈值对比,DTW距离超过阈值的序列则说明检测到了干扰磁场,输出干扰检测结果。本发明通过磁阵列交叉验证磁特征序列,提升了磁干扰检测精度与效率,适用于磁干扰补偿、磁匹配定位等应用场景。
Description
技术领域
本发明属于轨道交通技术领域,具体涉及一种利用双磁传感器辅助识别干扰磁场的方法。
背景技术
铁路列车在交通领域一直扮演着不可或缺的角色,承担了大量的货运及客运工作。在列车在行驶过程中,如何在任何时间、任何地点都能够精确的获取列车的位置一直是研究的重点。目前,应用最为广泛的列车定位技术是基于查询器、应答器和里程计,其原理是列车经过查询器、应答器时接收其发射的信号与列车储存的电子地图相匹配来获取列车的位置,该方法虽然定位精度高,但需要安装大量的地面设备,有较高的安装、维护成本。基于GNSS的定位技术能够以较低的成本获取列车的高精度位置信息,但是在信号遮挡区(如隧道、深山等)难以连续的为列车提供定位服务。而惯性导航***在隧道等卫星定位不可用的环境下,其误差会随着时间的增加而不断累积,只能在较短时间内为列车提供位置信息。
地磁匹配定位技术是近年来的一种新兴定位技术。地球上任意一处都存在着地磁场,并且在时间上有着较好的稳定性,任意一处的地磁矢量都具有独特性,这为基于地磁匹配定位提供了可能性。匹配定位前提是能够采集到重复的磁场特征,但轨道车辆主要由铁磁性材料构成,当车辆在高速情况下与相邻轨道的车辆发生错车时,会产生剧烈的感应磁场干扰,用于定位的磁场特征被干扰磁场淹没,导致无法定位。
发明内容
为解决上述技术问题,本发明提供一种利用双磁传感器辅助识别干扰磁场的方法,通过磁特征序列空间格点化、双磁特征序列交叉验证,用于检测磁干扰信号。
为达到上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种利用双磁传感器辅助识别干扰磁场的方法,包括如下步骤:
步骤1)进行磁阵列的安装与基线标定,所述磁阵列包括第一磁传感器和第二磁传感器,将第一磁传感器和第二磁传感器安装在列车前后的同侧,并保证第一磁传感器和第二磁传感器的距离等于、三轴朝向一致并且位于同一坐标系下;
步骤2)利用磁阵列的第一磁传感器和第二磁传感器采集磁时间序列和里程时间序列/>,并提取磁场特征/>,包括磁倾角/>、磁偏角/>,得到磁特征时间序列/>;其中,/>为磁场特征;/>为磁传感器测量值;/>为测量时间;/>为里程值;
步骤3)将里程时间序列与磁特征时间序列/>通过时间对齐,实现磁特征的空间格点化,得到磁特征空间序列/>,保证磁特征在空间上均匀分布;
步骤4)利用DTW获得DTW距离,用DTW距离评估磁特征空间序列的相似度,对磁阵列的磁特征空间序列/>进行交叉验证,避免由于空间格点化对磁特征空间序列造成扭曲;所述DTW表示动态时间规整算法;
步骤5)将步骤4)中的DTW距离与事先设置好的经验阈值对比,如果DTW距离超过经验阈值,说明检测到了干扰磁场,输出干扰检测结果。
本发明应用于轨道车辆的磁匹配定位领域,其有益效果在于:
1、本发明能够应用于磁干扰补偿、磁匹配定位等领域,能够提高磁干扰补偿精度、降低干扰磁场对定位性能的影响,提高磁匹配定位、磁干扰补偿等算法的鲁棒性。
2、本发明提取了磁序列的磁倾角、磁偏角的特征,使得磁阵列交叉验证更加可靠,提高磁干扰检测准确性。
3、本发明时间复杂度较低使得能够实时检测磁干扰,并且具有较强的可实施性。
附图说明
图1为磁传感器安装示意图;
图2为空间格点化示意图;其中,(a)为磁特征时间序列于里程时间序列对齐示意图,(b)为磁特征空间序列示意图;
图3为本发明的一种利用双磁传感器辅助识别干扰磁场的方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明的一种利用双磁传感器辅助识别干扰磁场的方法如下:首先按如图1所示的方法安装磁阵列,并对基线进行标定,统一坐标系。所述磁阵列包括两个磁传感器。搭载在轨道车辆上的磁传感器所获得的观测值和里程计的观测值作为本发明算法的原始输入,经过计算,最终得到干扰磁场检测的结果。
如图3所示,本发明的一种利用双磁传感器辅助识别干扰磁场的方法包括如下步骤:
步骤1、进行磁阵列安装;
步骤2、采集磁时间序列并进行特征提取,得到磁特征时间序列;
步骤3、通过里程计对磁传感器采集的磁特征时间序列进行空间格点化,得到磁特征空间序列;
步骤4、计算磁特征空间序列DTW(动态时间规整算法)距离,利用DTW距离进行交叉验证;
步骤5、将步骤4中的DTW距离与事先设置好的经验阈值对比,并输出检测结果。若DTW距离高于一定阈值,则表明出现了干扰磁场。本发明通过磁序列采集特征提取、磁特征序列空间格点化、双磁特征的序列交叉验证实现干扰磁场的检测。本发明需要采用高精度三轴磁通门传感器采集地磁数据。
具体地,所述步骤1包括:将第一磁传感器A和第二磁传感器B安装在列车前后的同侧,并保证第一磁传感器A和第二磁传感器B的距离等于、xyz三轴朝向一致并且位于同一坐标系下,如图1所示。/>的取值为20m,/>的取值应该设定在一个合理的大小范围内,过大的/>会导致检测存在一定的滞后性,而过小的/>会导致无法检测到干扰磁场。
所述步骤2包括:利用磁阵列采集磁时间序列和里程时间序列/>;其中,/>为磁传感器测量值;/>为测量时间;/>为里程值。并提取磁场特征/>,其包括磁倾角/>、磁偏角/>,得到磁特征时间序列/>,提升干扰检测的稳定性;
采集得到的磁时间序列和里程时间序列/>为:
(1)
其中,为在/>时刻的磁测量值,/>为在/>时刻的里程测量值;/>代表第/>个测量值的序号。
根据三轴磁传感器的测量值,其中/>、/>、/>分别为磁传感器三轴测量值。即可计算出磁倾角/>和磁偏角/>:
(2)
其中,为地磁场水平分量,计算公式如下:
(3)
再将里程时间序列与磁特征时间序列/>通过时间对齐,实现磁特征的空间格点化,得到磁特征空间序列/>,保证磁特征在空间上均匀分布,如图2所示,其中,图2的(a)为磁特征时间序列于里程时间序列对齐示意图;图2的(b)为磁特征空间序列示意图。
磁特征空间序列表示为:
(4)
其中, 为里程采样间隔;/> 为里程采样格点序号。此时的磁特征序列在空间上均匀分布,其中,/> 代表第/>个格点的磁特征。/>取值为1m,/>的取值越小,就能够检测到越小的干扰磁场,但是相应的对磁传感器的性能要求也越高。
所述步骤3包括:安装在后侧的第二磁传感器B的磁特征空间序列相较于安装在前侧的第一磁传感器A的磁特征空间序列存在一定的空间滞后性,安装在前侧的第一磁传感器A采集的磁特征空间序列为,安装在后侧的第二磁传感器B采集的磁特征空间序列为/>,其中,/>和/>分别为第一磁传感器A和第二磁传感器B的磁特征,/>和/>分别为第一磁传感器A和第二磁传感器B采集的磁特征序列的里程格点值,在里程上相差/>:
(5)
转换为格点数为:
(6)
将向后移动/>个格点即可与/>在空间上对齐。
所述步骤4包括:利用DTW算法计算两个磁特征空间序列的距离。首先计算第一磁传感器A和第二磁传感器B的磁特征空间序列的距离矩阵:
(7)
其中,和/>为磁特征空间序列格点数;/>为两序列的距离矩阵,大小为。/>和/>分别为第一磁传感器A和第二磁传感器B磁特征空间序列中的第/>个和第/>个。
再以距离矩阵的/>为起点,沿着局部最短路径不断前进,最终得到第一磁传感器A采集的磁特征空间序列和第二磁传感器B采集的磁特征空间序列的DTW距离/>:
(8)
其中, 为距离矩阵中位于第/>行/>列的分量。
DTW距离可以用来衡量两个地磁的磁特征空间序列是否相似,相似度与DTW距离成反比,当等于零时,则说明两个磁特征空间序列完全相同。
所述步骤5包括:将计算得到的相似度与事先设置好的阈值对比,相似度超过阈值的磁特征空间序列说明检测到了干扰磁场,输出干扰检测结果。
具体地,设置一个经验阈值,当/>时,可以认为是没有干扰发生,当/>时,则说明出现了干扰磁场。/>越小对干扰磁场越敏感。
本领域的技术人员容易理解,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种利用双磁传感器辅助识别干扰磁场的方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1)进行磁阵列的安装与基线标定,所述磁阵列包括第一磁传感器和第二磁传感器,将第一磁传感器和第二磁传感器安装在列车前后的同侧,并保证第一磁传感器和第二磁传感器的距离等于、三轴朝向一致并且位于同一坐标系下;
步骤2)利用磁阵列的第一磁传感器和第二磁传感器采集磁时间序列和里程时间序列/>,并提取磁场特征/>,包括磁倾角/>、磁偏角/>,得到磁特征时间序列/>;其中,/>为磁场特征;/>为磁传感器测量值;/>为测量时间;/>为里程值;
步骤3)将里程时间序列与磁特征时间序列/>通过时间对齐,实现磁特征的空间格点化,得到磁特征空间序列/>,保证磁特征在空间上均匀分布;
步骤4)利用DTW获得DTW距离,用DTW距离评估磁特征空间序列的相似度,对磁阵列的磁特征空间序列/>进行交叉验证,避免由于空间格点化对磁特征空间序列造成扭曲;所述DTW表示动态时间规整算法;
步骤5)将步骤4)中的DTW距离与事先设置好的经验阈值对比,如果DTW距离超过经验阈值,说明检测到了干扰磁场,输出干扰检测结果;
所述步骤3)中,所述磁特征空间序列为:
(4)
其中,为里程采样间隔;/>为里程采样格点序号;/>代表第/>个格点的磁特征;
安装在前侧的第一磁传感器采集磁特征空间序列,安装在后侧的第二磁传感器采集磁特征空间序列/>,/>和/>分别为第一磁传感器的磁特征和第二磁传感器的磁特征,/>和/>分别为第一磁传感器采集的磁特征空间序列的里程格点值和第二磁传感器采集的磁特征空间序列的里程格点值,/>和/>在里程上相差/>,即:
(5)
其中,A表示第一磁传感器,B表示第二磁传感器,和/>分别为第一磁传感器和第二磁传感器采集的磁特征空间序列的里程格点值;转换为格点数/>,计算公式为:
(6)
将第一磁传感器采集的磁特征空间序列向后移动/>个格点即与第二磁传感器采集的磁特征空间序列/>在空间上对齐。
2.根据权利要求1所述的一种利用双磁传感器辅助识别干扰磁场的方法,其特征在于,所述步骤2)中,采集得到的磁时间序列和里程时间序列/>为:
(1)
其中,为在/>时刻的磁测量值,/>为在/>时刻的里程测量值;/>代表第/>个测量值的序号;
根据三轴磁传感器的测量值计算出磁倾角/>和磁偏角/>:
(2)
其中、/>、/>分别为磁传感器三轴测量值;
为地磁场水平分量,计算公式如下:
(3)。
3.根据权利要求1所述的一种利用双磁传感器辅助识别干扰磁场的方法,其特征在于,所述步骤4)包括:
DTW距离用于衡量两个磁特征空间序列的相似度,相似度的高低与DTW距离/>的大小成反比,/>越小,则相似度越高;当/>等于零时,则说明两个磁特征空间序列完全相同。
4.根据权利要求3所述的一种利用双磁传感器辅助识别干扰磁场的方法,其特征在于,所述步骤5)中,设置一个经验阈值,当/>时,认为没有干扰发生,当时,则说明出现了干扰磁场。
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