專利名稱：一種地磁輔助慣性導(dǎo)航方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及導(dǎo)航、制導(dǎo)技術(shù)，特別涉及航行器自主導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種地磁輔助慣性導(dǎo)航方法。
背景技術(shù)：
目前，慣性導(dǎo)航是導(dǎo)航定位的主要方式之一，它能夠在全天候條件下、在全球范圍內(nèi)和任何介質(zhì)環(huán)境里自主地、隱蔽地進(jìn)行連續(xù)的三維空間定位和三維空間定向，而不借助任何外來信息，也不向外輻射任何信息，能夠完全自主地提供多種完整的導(dǎo)航參數(shù)，在許多領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，但其導(dǎo)航誤差隨時間會不斷積累，不適于長時間的單獨導(dǎo)航。針對上述技術(shù)問題，目前有利用地球固有的地磁場信息輔助慣性導(dǎo)航進(jìn)行組合導(dǎo)航的方法，以地磁的長期穩(wěn)定性來彌補(bǔ)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)誤差隨時間累積的缺點，從而提高導(dǎo) 航定位精度。目前關(guān)注較多的地磁輔助慣性導(dǎo)航的方式為地磁匹配輔助慣性導(dǎo)航。地磁匹配，就是把航跡上某些區(qū)域的地磁場特征量繪制成基準(zhǔn)圖，存貯在載體計算機(jī)中，當(dāng)載體經(jīng)過這些區(qū)域時，由地磁測量儀器實時測量出經(jīng)過點的地磁場特征量，以構(gòu)成實時圖，并在載體計算機(jī)中與參考圖進(jìn)行相關(guān)匹配，計算出載體的實時坐標(biāo)位置，供導(dǎo)航計算機(jī)解算導(dǎo)航信
肩、O而目前常用的地磁輔助慣性導(dǎo)航算法很多，主要是將地形匹配中的相關(guān)概念和算法引入到地磁匹配中，如TERCOM、ICCP算法等。這類算法不僅耗時長、實時性差，而且容易受到噪聲的干擾。在現(xiàn)有技術(shù)中，利用實測地磁信息與地磁圖匹配進(jìn)行慣性地磁導(dǎo)航的方式，采用的方式是首先對實測地磁信息進(jìn)行降噪處理，之后用單一匹配算法進(jìn)行單獨匹配導(dǎo)航或者采用兩種匹配算法進(jìn)行聯(lián)合匹配導(dǎo)航，這種導(dǎo)航方式比較僅僅利用地磁信息進(jìn)行的慣性地磁導(dǎo)航方式，導(dǎo)航精度得到了一定的提高，但是這種導(dǎo)航方式直接對運載體當(dāng)前的實測地磁信息進(jìn)行降噪處理，降噪信息量大，匹配信息量大，從而降噪與匹配的計算量大，大大增加了匹配強(qiáng)度，降低了匹配速率的同時，也影響了匹配的精度。這是現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題，就是克服地磁輔助慣性導(dǎo)航方法在匹配速度與精確性方面的不足，通過采取在去噪之前的粗匹配降低一些非匹配點的方式，降低去噪和精匹配的計算壓力，使其增強(qiáng)去噪效果并提高精匹配的匹配精度，從而提高地磁匹配的質(zhì)量。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種地磁輔助慣性導(dǎo)航方法，步驟如下(I)通過測磁設(shè)備獲得運載體當(dāng)前位置的實時地磁信息，并確定粗匹配指標(biāo)和精匹配指標(biāo)；(2)讀取基準(zhǔn)地磁圖信息，并采用匹配算法將實測地磁信息與其進(jìn)行粗匹配；
(3)使用降噪算法，去除粗匹配后的實時地磁信息中的噪聲和干擾信息；(4)讀取基準(zhǔn)地磁圖信息，并與去噪后的地磁信息數(shù)據(jù)進(jìn)行精匹配；(5)根據(jù)精匹配結(jié)果，修正慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的位置。所述步驟(I)中的測磁設(shè)備至少有I臺以上。所述步驟(I)中的多臺測磁設(shè)備同時進(jìn)行測量。所述步驟(2)中的粗匹配，若其匹配結(jié)果滿足步驟(I)確定的粗匹配指標(biāo)，則執(zhí)行步驟(3)，否則去除該實時地磁信息，繼續(xù)執(zhí)行步驟(2)。所述步驟(2)中的匹配算法為歸一化積相關(guān)匹配(NPiOd)算法。 所述步驟(3)中的降噪算法為希爾伯特-黃變換(HHT)算法。所述步驟(4)中精匹配的結(jié)果滿足步驟(I)中確定的精匹配指標(biāo)時，則執(zhí)行步驟
(5)，否則繼續(xù)執(zhí)行步驟(4)。所述步驟(4)采用HausdorfT距離方法對去噪后的地磁信息數(shù)據(jù)進(jìn)行精匹配。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于(I)本發(fā)明對測得的實時地磁信息采用依次進(jìn)行粗匹配、降噪和精匹配的地磁匹配模式。這種模式的使用，消除了與基準(zhǔn)地磁圖的部分非匹配點，提高了實時地磁信息的降噪效率，節(jié)約了非匹配點的精匹配時間，提高了精匹配的速度并保證了導(dǎo)航的精度，進(jìn)而提高了地磁輔助慣性導(dǎo)航的質(zhì)量；(2)采用NProd算法進(jìn)行粗匹配，該算法是圖像匹配工程應(yīng)用中一種比較成熟的算法，匹配精度高且能在低信噪比條件下工作，具有不受比例因子誤差影響的優(yōu)勢，且抗白噪聲干擾能力強(qiáng)；(3)和現(xiàn)有的小波去噪技術(shù)相比，本發(fā)明采用HHT算法進(jìn)行地磁信息降噪。該算法規(guī)避了小波基難以選擇的問題，可以在實際應(yīng)用中處理非線性非平穩(wěn)信號，且具有完全自適應(yīng)性，并能夠完全擺脫很多傳統(tǒng)算法的Heisenberg測不準(zhǔn)原理約束的限制，從而很好的對實時地磁信息進(jìn)行降噪處理，提高實時地磁信息的信噪比；(4)采用Hausdorff距離方法對去噪后的地磁信息數(shù)據(jù)進(jìn)行精匹配。HausdorfT距離是匹配點特征的一種方法，只是計算兩個點集之間的相似程度，克服了建立點與點之間的一一對應(yīng)關(guān)系的難點。粗匹配和去噪過程的實施，消除了其敏感因素，能夠有效地表征兩個點集之間的不相似程度，提高導(dǎo)航的精度。本方案的有益效果可根據(jù)對上述方案的敘述得知，將得到的上述高精度匹配后的地磁信息修正慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，在不降低導(dǎo)航精度的前提下，提高了導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航的速度。由此可見，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有突出的實質(zhì)性特點和顯著的進(jìn)步，其實施的有益效果也是顯而易見的。


圖I為本發(fā)明的設(shè)計流程圖。圖2為本發(fā)明對應(yīng)的地磁輔助慣性導(dǎo)航系統(tǒng)框圖。
具體實施例方式為能清楚說明本方案的技術(shù)特點，下面通過一個具體實施方式
，并結(jié)合其附圖，對本方案進(jìn)行闡述。如附圖I和2所示，本發(fā)明的具體方法如下(I)通過測磁設(shè)備獲得運載體當(dāng)前位置的實時地磁信息，并確定粗匹配指標(biāo)和精匹配指標(biāo)。為便于說明本發(fā)明的實施過程，本實施例選取兩臺相同的測磁設(shè)備同時進(jìn)行測量，且此處將粗匹配指標(biāo)設(shè)為10%、精匹配指標(biāo)設(shè)為O. 5%。粗匹配指標(biāo)和精匹配指標(biāo)在實際應(yīng)用中可根據(jù)具體情況調(diào)整。為施行本發(fā)明的方案，首先應(yīng)該建立地磁輔助導(dǎo)航系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。以平臺式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的陸地導(dǎo)航應(yīng)用為例，系統(tǒng)坐標(biāo)采用“東-北-天”坐標(biāo)系，考慮到陸地應(yīng)用的實際情況，建模時天向的速度為0，慣性器件模型簡化為常值誤差加白噪聲。a.狀態(tài)方程 取系統(tǒng)的狀態(tài)變量為平臺誤差角Φχ，Φ,, Φζ，速度誤差δνχ，5Vy, δ vz，位置誤差δ L, δ λ ,以及加速度計和陀螺儀的常值誤差，即系統(tǒng)狀態(tài)為X= [ φ χ，φ y，φ ζ，δ νχ, δ Vy, δ νζ, δ L, δ λ , Kgx, Kgy, Kgz, Kax, Kay, KaJτ,則系統(tǒng)狀態(tài)方程為外)=F⑴沖)+ G⑴H’⑴,①式中，w為互不相關(guān)的零均值高斯白噪聲。b.觀測方程本發(fā)明中的磁傳感器采用三軸磁強(qiáng)計，在理想情況下其測量輸出為y=Bm (r, t) +Ba (r) +Bd (r, t) +V0其中，V。為磁強(qiáng)計的測量噪聲。在實際應(yīng)用中，用· &(匕0來近似獲得Bm(r，t)、Bd(r，t)，則磁強(qiáng)計的測量輸出可寫為J = Bni (/~,!)4 />>, (/·) -l· Bil (r,/)-I-、)其中，V、為磁強(qiáng)計的測量噪聲與近似誤差之和。從上述磁強(qiáng)計的測量輸出中提取出地磁異常值/(. ( r) 二 JF — Bm [ J I — Bj (Pj) - )■;；取估計位置處地磁異常值足(f)與上述從測量輸出中提取的地磁異常值Ba(r)的差值作為觀測量，得到觀測方程如下Z(/) = Bjr)-Bii(r)=H{X(/),r) + v(/)@則方程①、②即為地磁輔助導(dǎo)航系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。采用兩臺測磁設(shè)備同時進(jìn)行運載體實時地磁信息的測量，降低了設(shè)備誤差，保證了測量值的可靠性，其測量原理如下兩臺測磁設(shè)備測量值相減得到設(shè)備近似的固有誤差和策略噪聲，求取兩臺測磁設(shè)備測量值的均值，然后減去上述設(shè)備的近似的固有誤差和測量噪聲，即可得到較精確的運載體當(dāng)前位置的實時地磁信息。(2)讀取基準(zhǔn)地磁圖信息，并采用匹配算法將實測地磁信息與其進(jìn)行粗匹配。這里以基于IGRF模型制備的數(shù)字地磁圖作為基準(zhǔn)地磁圖，并采用NpiOd算法進(jìn)行實測地磁信息與基準(zhǔn)地磁圖進(jìn)行粗匹配。其中，Nprod算法的相似性度量函數(shù)為
m η
yyx- . γ -
ι-x^j+y ijP(x，>，)= 7^1 ~f'2fm n—③
ΣΣΚ', ΣΣ^
Vl=i J=1J \1=1 J=1 J上式中，0彡χ彡M-m, O彡y彡N_n，基準(zhǔn)地磁圖X的大小為MXN，實時地磁圖Y的大小為mXn，并且m〈M、n〈N，(x, y)為實時地磁圖在基準(zhǔn)地磁圖中的位置。當(dāng)P(x，y)取得 最大值時，若(χ，y)滿足步驟(I)確定的粗匹配指標(biāo)，U，y)為其最佳的匹配位置；若U，y)不滿足步驟(I)確定的粗匹配指標(biāo)，去除該實時地磁信息，繼續(xù)執(zhí)行步驟(2)。為了找到最優(yōu)匹配點，Nprod算法必須在搜索區(qū)域內(nèi)的每一個點上進(jìn)行相似性匹配計算，值得注意的是，在計算P (χ，y)的過程中，若實時序列與基準(zhǔn)序列中某點的距離小于門限值λ，則直接排除該匹配序列而不必計算完整的P(x，y)，用數(shù)學(xué)公式表示如下P (x, y) < λ④門限值λ的確定與噪聲強(qiáng)度、地磁特征有關(guān)，可由多次匹配數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到。相關(guān)匹配算法的數(shù)據(jù)量和計算量都很大，且大部分時間都花在非匹配點的計算上，導(dǎo)致匹配速度較慢。此處，式③和式④構(gòu)成了粗匹配算法，算法的間時復(fù)雜度比單獨的NpiOd算法要小得多，從而加快了匹配速度。(3)使用降噪算法去除粗匹配后的實時地磁信息中的噪聲和干擾信息。粗匹配之后的獲得的實時地磁信息中，存在包括由太陽風(fēng)帶到地球的太陽擾動、地磁傳感器的測量噪聲、周圍環(huán)境磁性干擾及其它各種誤差的影響等，如果不消除的話會嚴(yán)重影響匹配精度。本發(fā)明采用HHT算法來對粗匹配后的實時地磁信息進(jìn)行降噪處理，從而得到高信噪比的地磁信息。假設(shè)上述采集到的實時地磁信息記作x(t)，則用HHT算法對其進(jìn)行去噪的過程為I)確定實時地磁信息x(t)的所有局部極值點，分別將所有的局部極大值點和局部極小值點連接起來形成上、下包絡(luò)線，上下包絡(luò)線的平均值記為Hl1，有χ (t) H1=Ii1⑤2)如果Ii1不滿足MF的條件，把Ii1作為原始信號，重復(fù)第一步，得到上下包絡(luò)線的平均值mn，再判斷hphi-mn是否滿足MF的條件，如不滿足則重循環(huán)k次，得到hm-D-m^hik，使得hlk滿足MF的條件。記Cl=hlk，則C1為信號χ⑴的第一個滿足MF條件的分量。3)將C1從x(t)中分離出來，得到T1=X(^t)-C1⑥將Γι作為原始數(shù)據(jù)重復(fù)步驟I) I、，得到χ⑴的第二個滿足MF條件的分量c2，重復(fù)循環(huán)η次，得到信號x(t)的η個滿足IMF條件的分量。當(dāng)rn成為一個單調(diào)函數(shù)不能再從中提取出滿足IMF條件的分量時，循環(huán)結(jié)束。因此可將實時地磁信息χ (t)分解為如下形式
ηxCO = Zc-+r
=1
式中，rn稱為殘余函數(shù)，代表信號的平均趨勢。分解完畢可根據(jù)精度指標(biāo)要求的實際情況即可得到經(jīng)過降噪處理的實時地磁信
肩、O(4)讀取基準(zhǔn)地磁圖信息，并與去噪后的地磁信息數(shù)據(jù)進(jìn)行精匹配。在粗匹配及降噪之后，利用Hausdorff距離算法進(jìn)行進(jìn)一步的精匹配。Hausdorff距離是一種極大極小距離，它主要用于測量兩個點集的匹配程度。給定兩個有限點集點A和B，記集A為實時地磁信息χ (t)的集合，集合B為讀取的基準(zhǔn)地磁圖信息集，不妨令A(yù)= { a i，a2, ···, ap}和B=I^b2, ···, bq},且Bi (i=l, 2，…，p)與x(t)--映射，則A、B之間的Hausdorff距離定義如下 H (A, B) =maxd ((A, B), d (B, A))⑧
「00771 苴中B) = max min || a - b ||, d{B, A) = max min || b - a ||。
L J z、I ’aGA beBb^B aeA式中，定義Μ □ Il為在點集A和B上的某種距離范數(shù)；d(A，B)稱為有向Hausdorff距離,其意義為設(shè)點a e A為到集合B中任一元素最遠(yuǎn)的點，beB為距a最近的點，則a與b之間的距離就是d(A, B)。Hausdorff距離H(A, B)反映了集A和集B的不匹配程度，Hausdorff距離越大,兩個集合相差越遠(yuǎn)。當(dāng)Hausdorff距離小于或者等于步驟(I)確定的精匹配指標(biāo)時則滿足要求，即獲得最佳匹配位置，此時執(zhí)行步驟(5)，否則繼續(xù)執(zhí)行步驟⑷。(5)根據(jù)精匹配結(jié)果，修正慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的位置。依據(jù)表達(dá)式⑧的計算方式，去噪后的實時地磁信息與與其相應(yīng)的基準(zhǔn)地磁圖信息的HausdorfT距離滿足精匹配指標(biāo)，從而運載體當(dāng)前的實時地磁信息，不妨記為x (t0)，其所 對應(yīng)的基準(zhǔn)地磁圖信息即為運載體基于該地磁輔助慣性導(dǎo)航方法的位置。本發(fā)明并不僅限于上述具體實施方式
，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在本發(fā)明的實質(zhì)范圍內(nèi)做出的變化、改型、添加或替換，也應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種地磁輔助慣性導(dǎo)航方法，其特征在于包括以下步驟 (1)通過測磁設(shè)備獲得運載體當(dāng)前位置的實時地磁信息，并確定粗匹配指標(biāo)和精匹配指標(biāo)； (2)讀取基準(zhǔn)地磁圖信息，并采用匹配算法將實測地磁信息與其進(jìn)行粗匹配，去除差異較大的非匹配點； (3)使用降噪算法，去除粗匹配后的實時地磁信息中的噪聲和干擾信息； (4)讀取基準(zhǔn)地磁圖信息，并與去噪后的地磁信息數(shù)據(jù)進(jìn)行精匹配； (5)根據(jù)精匹配結(jié)果，修正慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的地磁輔助慣性導(dǎo)航方法，其特征是所述步驟(I)中的測磁設(shè)備至少有I臺以上。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的地磁輔助慣性導(dǎo)航方法，其特征是所述步驟(I)中的多臺測磁設(shè)備同時進(jìn)行測量。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的地磁輔助慣性導(dǎo)航方法，其特征是所述步驟(2)中的粗匹配，若其匹配結(jié)果滿足步驟(I)確定的粗匹配指標(biāo)，則執(zhí)行步驟(3)，否則去除該實時地磁信息，繼續(xù)執(zhí)行步驟(2)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的地磁輔助慣性導(dǎo)航方法，其特征是所述步驟(2)中的匹配算法為歸一化積相關(guān)匹配(NPiOd)算法。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的地磁輔助慣性導(dǎo)航方法，其特征是所述步驟(3)中的降噪算法為希爾伯特-黃變換(HHT)算法。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的地磁輔助慣性導(dǎo)航方法，其特征是所述步驟(4)中精匹配的結(jié)果滿足步驟(I)中確定的精匹配指標(biāo)時，則執(zhí)行步驟(5)，否則繼續(xù)執(zhí)行步驟(4)。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的地磁輔助慣性導(dǎo)航方法，其特征是所述步驟(4)采用Hausdorff距離方法對去噪后的地磁信息數(shù)據(jù)進(jìn)行精匹配。
全文摘要
本發(fā)明涉及導(dǎo)航、制導(dǎo)技術(shù)，提供了一種地磁輔助慣性導(dǎo)航方法技術(shù)方案，該方案采用至少一臺以上的測磁設(shè)備同時進(jìn)行運載體實時地磁信息的測量，并對測得的實時地磁信息采用依次進(jìn)行粗匹配、降噪和精匹配的地磁匹配導(dǎo)航模式。這種測磁方式降低了設(shè)備誤差，保證了測量值的可靠性；這種匹配模式的使用，消除了與基準(zhǔn)地磁圖的非匹配點，縮小了降噪和精匹配的范圍，從而提高了實時地磁信息的降噪效率，節(jié)約了非匹配點的精匹配時間，提高了精匹配的速度并保證了導(dǎo)航的精度，進(jìn)而提高了地磁輔助慣性導(dǎo)航的質(zhì)量。
文檔編號G01C21/08GK102829782SQ201210331208
公開日2012年12月19日 申請日期2012年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月7日
發(fā)明者柳明, 王海軍, 高斌, 毛國強(qiáng) 申請人:濱州學(xué)院