基于地球和人工磁场空间信息的新概念导航和定位

发布时间：2020-11-17 07:58

　　 在过去的一个多世纪,动物在迁徙的过程中能够利用自然线索实现洲际范围内长距离精确导航,这一现象一直吸引着学术界热切的关注。尽管GPS和基于通信基站的导航系统不断改变着人类的生活方式,但对于电磁波静默的特殊环境、需要较高精度的桌面定位、反射和散射情况复杂的室内环境中,现存的导航方式依然备受挑战。因此,动物长距离迁徙背后的导航机制成了一种新体制导航系统的探索热点。本研究通过综合动物洲际迁徙所依据的自然线索,利用数学建模、工程模拟,提出了一个仿生学地磁导航模型。经过导航模型仿真结果与动物实际导航行为和特征对比,本研究提出的导航模型能够解释大量的生物行为学研究结论,甚至能够对一些看似矛盾的结论给出合理解释。本研究在提出一种可用于电磁静默环境下导航系统的同时,也为动物迁徙行为的研究提供了一个合理的假设和方向。地磁场可以近似的等效为一个巨大磁铁的磁场,其磁轴与地球自转轴之间所存在的夹角使地球表面形成了梯度变化的地球磁场。本文采用磁铁或电磁螺线管在指定区域构建出类似于地磁场梯度分布的磁场,利用所设计的磁场参数测量系统和提出的导航算法实现了在该区域的导航实验。实验验证了以上导航算法的可行性,也表明了该系统在桌面机器人、机械手臂等精确导航领域具有很好的应用前景。基于声波、光通信和电磁场等的导航系统都不可避免会受到信号反射、衍射和多径效应的影响,在室内导航的实际应用中存在诸多问题。而低频交流磁场具有优越的穿透特性,室内环境中的墙体和家具等可以简化为超薄介质或瑞利散射体,对其几乎没有衰减和反射作用。利用低频交流磁场作为无线室内定位的信号具有其他场所不具有的优势,本文通过对低频交流磁场的研究,提出并实验演示了基于低频交流磁场的室内定位系统,在数瓦特功耗的情况下实现室内精确定位。综上所述,本研究从探索动物导航机制出发,提出一种基于地磁场空间参数的洲际导航模型,实现了在电磁静默环境下的洲际导航。在此基础上,还设计并实现了基于利用人工磁场静磁场区域定位系统和低频交流磁场的室内定位系统。
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN96
【部分图文】：

其中ＴｏＡ、ＴＤｏＡ、ＡｏＡ分别是通过测量射频信号发射源到达定位目标的时间、??时间差或者方位角来实现基于信号源的定位，本文只对ＴｏＡ的基本原理进行简单介绍。??图１．３显示了基于ＷＭ等射频信号发射源的无线室内定位系统的原理。待定位设备??６??

２基于地球磁场的洲际导航］，［２８］，［２９］。即使在近年来，随着现代技术的发展和生物学手段的不断提物磁感应器的研究仍然在不断继续［３０］。??Ａ?０°??

?＾?Ｊ－９０。??＼＾ｙ?膽抓在謂放??１８０°??从ＣＳ２抓获后在ＴＳ２释放??图２．１．海龟和龙虾的地磁导航实验??与此同时，关于动物如何利用地磁场信息来完成洲际导航，以及这一行为背后的??导航机制再次成为了学术界讨论的热点［３１］－［３５］。通过研究地磁场对海龟洄游行为的??１５??
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本文编号：2887258