一種重力輔助慣性導(dǎo)航系統(tǒng)匹配方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于組合導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)及一種重力輔助慣性導(dǎo)航系統(tǒng)匹配方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 作為陸海兼?zhèn)涞拇髧?guó)，海洋戰(zhàn)略在我國(guó)整體發(fā)展戰(zhàn)略中的地位越來(lái)越重要，我國(guó) 也越來(lái)越重視海洋技術(shù)的發(fā)展，水下潛器技術(shù)在海洋技術(shù)的發(fā)展中是不可或缺的，具有十 分重要的戰(zhàn)略意義。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)憑借著其僅僅依靠自身即可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航的特點(diǎn)，通常作為 水下潛器的主要導(dǎo)航系統(tǒng)。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)工作時(shí)無(wú)需從外部接收信號(hào)，也無(wú)需向外部發(fā)射 信號(hào)，有著隱蔽性高、無(wú)源自主等優(yōu)點(diǎn)。但是慣性導(dǎo)航作為一種積分型導(dǎo)航方式，誤差會(huì)隨 時(shí)間不斷累積，其定位精度不能滿足長(zhǎng)航時(shí)潛器的要求。因此僅僅依靠慣性導(dǎo)航系統(tǒng)無(wú)法 實(shí)現(xiàn)水下潛器的長(zhǎng)航時(shí)精準(zhǔn)導(dǎo)航，采用其他導(dǎo)航方式輔助慣性導(dǎo)航系統(tǒng)W提升導(dǎo)航精度是 一個(gè)必然的趨勢(shì)。
[0003] 地球物理場(chǎng)(地形場(chǎng)、地磁場(chǎng)、重力場(chǎng)等)信息是地球的固有信息，通常指由各種地 球物理方法在地表或地表附近測(cè)量的各種物理現(xiàn)象的信息。利用地球物理場(chǎng)信息實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航 的技術(shù)憑借著其無(wú)源自主的特點(diǎn)逐漸引起了人們的高度重視，并得W在輔助慣性導(dǎo)航系統(tǒng) 領(lǐng)域迅速發(fā)展。常用的利用地球物理場(chǎng)信息輔助慣性導(dǎo)航的方式有地形輔助慣性導(dǎo)航系 統(tǒng)、地磁場(chǎng)輔助慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和重力輔助慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。對(duì)于水下導(dǎo)航來(lái)說(shuō)，地形數(shù)據(jù)測(cè)量 起來(lái)困難很大，地磁場(chǎng)容易受鐵磁物質(zhì)等干擾并且穩(wěn)定性不高，而重力場(chǎng)數(shù)據(jù)易于測(cè)量并 且十分穩(wěn)定，因此重力輔助慣性導(dǎo)航系統(tǒng)能夠極大的滿足水下潛器"自主性、高精度、隱蔽 性"的要求。
[0004] 重力匹配算法是重力輔助慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核屯、技術(shù)之一，基本原理是將實(shí)時(shí)重力 儀測(cè)得的重力數(shù)據(jù)與事先存儲(chǔ)于重力數(shù)據(jù)庫(kù)中的重力數(shù)據(jù)通過(guò)某種數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行比 對(duì)分析，并通過(guò)判定準(zhǔn)則確定兩組數(shù)據(jù)的相似或相關(guān)程度，最后確定最終的最優(yōu)匹配序列 (點(diǎn)）。重力匹配算法按照采樣方式主要分為兩大類，單點(diǎn)匹配和序列匹配。單點(diǎn)匹配算法采 用對(duì)每個(gè)采樣點(diǎn)都進(jìn)行重力匹配的方式，W此來(lái)抑制慣性導(dǎo)航誤差的增長(zhǎng)，常用的是由美 國(guó)桑迪亞實(shí)驗(yàn)室提出的桑迪亞(SITAN)匹配算法。該算法利用擴(kuò)展卡爾曼濾波技術(shù)實(shí)現(xiàn)，通 過(guò)對(duì)重力場(chǎng)進(jìn)行局部線性化處理來(lái)實(shí)現(xiàn)匹配過(guò)程，但是該算法的缺點(diǎn)是：由于重力特征的 非線性，在重力特征明顯的區(qū)域，擴(kuò)展卡爾曼濾波線性化誤差較大，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致濾波發(fā)散， 使得匹配失去意義。序列相關(guān)匹配算法采用當(dāng)采樣序列累積到一定長(zhǎng)度時(shí)才進(jìn)行一次重力 匹配的方式，來(lái)對(duì)慣性導(dǎo)航誤差進(jìn)行修正。常用的序列相關(guān)匹配算法包括最近等值線迭代 算法(ICCP)、相關(guān)極值匹配算法等等。ICCP算法來(lái)自于圖像配準(zhǔn)算法，相關(guān)極值匹配算法是 由地形匹配中的地形輪廓匹配TERCOM算法發(fā)展而來(lái)。序列匹配算法精度高，但是由于每一 次匹配都要在采樣到足夠的點(diǎn)數(shù)后進(jìn)行，所W實(shí)時(shí)性比較差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種重力輔助慣性導(dǎo)航系統(tǒng)匹配方法，W解決傳 統(tǒng)序列匹配算法實(shí)時(shí)性差的問(wèn)題。在每次進(jìn)行序列匹配時(shí)，采用可變捜索區(qū)域的方式，令捜 索區(qū)域的大小隨著慣性導(dǎo)航的精度實(shí)時(shí)變化，有效減小捜索范圍，減少備選匹配軌跡點(diǎn)的 數(shù)量;在捜索區(qū)域內(nèi)依次尋找與重力儀測(cè)量的重力數(shù)據(jù)近似相等的點(diǎn)，進(jìn)一步完成備選匹 配軌跡點(diǎn)的篩選;利用匹配軌跡點(diǎn)與對(duì)應(yīng)的慣性導(dǎo)航輸出軌跡點(diǎn)之間的距離偏差越來(lái)越大 且變化在一定范圍內(nèi)運(yùn)一約束條件，有效減少了備選匹配軌跡的數(shù)量;最后考慮到慣性導(dǎo) 航系統(tǒng)的誤差隨時(shí)間不斷累積，因此引入加權(quán)性能指標(biāo)，在匹配過(guò)程中對(duì)精度和可信度較 高的數(shù)據(jù)賦予更大的權(quán)值。
[0006] -種重力輔助慣性導(dǎo)航系統(tǒng)匹配方法，包括如下步驟：
[0007] 步驟一、離線狀態(tài)下，在預(yù)存的重力基準(zhǔn)圖上尋找對(duì)應(yīng)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)輸出軌跡 點(diǎn);將獲得的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)輸出軌跡點(diǎn)WN個(gè)為一組，分成多組匹配序列;所述N的取值范圍 為5至20;
[0008] 步驟二、從導(dǎo)航開(kāi)始時(shí)刻起，選擇第一組匹配序列，分別W該匹配序列內(nèi)的每個(gè)點(diǎn) 為中屯、，逐個(gè)劃定正方形捜索區(qū)域;正方形捜索區(qū)域內(nèi)除慣性導(dǎo)航系統(tǒng)輸出軌跡點(diǎn)之外的 每個(gè)點(diǎn)稱為備選匹配軌跡點(diǎn)；
[0009] 步驟=、針對(duì)各個(gè)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)輸出軌跡點(diǎn)，將其對(duì)應(yīng)的重力儀測(cè)量的重力異常 值與該慣性導(dǎo)航系統(tǒng)輸出軌跡點(diǎn)所在的正方形捜索區(qū)域內(nèi)每個(gè)備選匹配軌跡點(diǎn)的重力異 常值求差，若差值小于預(yù)設(shè)闊值8,則認(rèn)為備選匹配軌跡點(diǎn)與對(duì)應(yīng)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)輸出軌跡 點(diǎn)互為近似重力等值點(diǎn)；將不滿足近似重力等值點(diǎn)條件的備選匹配軌跡點(diǎn)剔除掉，滿足條 件的繼續(xù)作為備選匹配軌跡點(diǎn)；
[0010] 步驟四：各個(gè)正方形捜索區(qū)域的備選匹配軌跡點(diǎn)篩選完成后，在每個(gè)正方形捜索 區(qū)域中任意挑選一個(gè)備選匹配軌跡點(diǎn)，按照時(shí)間順序組成一條備選匹配軌跡;按上述方法， 遍歷各個(gè)備選匹配軌跡點(diǎn)，得到所有的備選匹配軌跡；
[0011] 針對(duì)所有備選匹配軌跡中的任意一條，按照時(shí)間順序逐個(gè)計(jì)算該備選匹配軌跡上 備選匹配軌跡點(diǎn)與對(duì)應(yīng)的慣性導(dǎo)航輸出軌跡點(diǎn)之間的距離；
[0012] 然后將滿足下述匹配約束條件的備選匹配軌跡篩選出來(lái)，所述匹配約束條件為： 隨時(shí)間推移，同一條備選匹配軌跡中，各個(gè)備選匹配軌跡點(diǎn)與對(duì)應(yīng)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)輸出軌 跡點(diǎn)之間的距離越來(lái)越大，同時(shí)，兩相鄰備選匹配軌跡點(diǎn)對(duì)應(yīng)的距離小于或等于預(yù)設(shè)的闊 值；
[0013] 步驟五、針對(duì)每一條篩選出來(lái)的備選匹配軌跡，計(jì)算各個(gè)備選匹配軌跡點(diǎn)對(duì)應(yīng)的 重力異常值gi(祉，yk)與實(shí)時(shí)重力儀測(cè)得的重力異常值gi(Xi，yi)之差的平方，再進(jìn)行加權(quán)求 和，第i個(gè)備選匹配軌跡點(diǎn)的權(quán)重值為化，得到誤差累積A A，計(jì)算公式為：
[0014]
[0015] 找到誤差累積A A取最小值時(shí)的備選匹配軌跡，即為最佳匹配軌跡。
[0016] 步驟六、按照步驟二至步驟五的方法，對(duì)步驟一劃分的每一組匹配序列進(jìn)行處理， 得到各組對(duì)應(yīng)的最佳匹配軌跡，最終形成完整的匹配軌跡輸出。
[0017] 較佳的，所述正方形捜索區(qū)域的邊長(zhǎng)隨時(shí)間累積不斷增大。
[0018] 較佳的，隨時(shí)間累積，所述權(quán)重越來(lái)越小。
[0019] 較佳的，每個(gè)正方形捜索區(qū)域的半邊長(zhǎng)等于對(duì)應(yīng)的慣性導(dǎo)航輸出軌跡點(diǎn)的漂移距 離。
[0020] 本發(fā)明具有如下有益效果：
[0021] (1)本發(fā)明的算法利用可變捜索區(qū)域的方式，令捜索區(qū)域隨慣性導(dǎo)航精度實(shí)時(shí)變 化，有效減小了捜索范圍，減少了備選匹配軌跡點(diǎn)的數(shù)量，捜索效率得W提升。
[0022] (2)本發(fā)明的算法通過(guò)在每個(gè)捜索區(qū)域內(nèi)尋找與重力儀測(cè)量的重力異常值近似相 等的點(diǎn)，進(jìn)一步完成備選匹配軌跡點(diǎn)的篩選；同時(shí)利用匹配軌跡點(diǎn)與對(duì)應(yīng)的慣性導(dǎo)航輸出 軌跡點(diǎn)之間的距離偏差越來(lái)越大且變化在一定范圍內(nèi)運(yùn)一約束條件，有效減少了備選匹配 軌跡的數(shù)量，提升了匹配效率。
【附圖說(shuō)明】
[0023] 圖1為本發(fā)明的匹配方法流程圖；
[0024] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例中的重力場(chǎng)背景圖（含規(guī)劃航跡和慣導(dǎo)軌跡）；
[0025] 圖3為采用傳統(tǒng)方法得到的捜索區(qū)域；
[0026] 圖4為采用本發(fā)明的方法獲得的捜索區(qū)域；
[0027] 圖5為采用本發(fā)明的方法找到的近似等值點(diǎn)；
[0028] 圖6為采用本發(fā)明的方法找到的備選匹配軌跡；
[0029] 圖7為本發(fā)明實(shí)施例中匹配結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 下面結(jié)合附圖并舉實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0031] -種重力輔助慣性導(dǎo)航系統(tǒng)匹配方法，包括如下步驟：
[0032] 步驟一、離線狀態(tài)下，在預(yù)存的重力基準(zhǔn)圖上尋找對(duì)應(yīng)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)輸出軌跡 點(diǎn)；將慣性導(dǎo)航系統(tǒng)輸出軌跡點(diǎn)WN個(gè)為一組，分成多組匹配序列;所述N的取值范圍為5至 20;
[0033] 步驟二、從導(dǎo)航開(kāi)始時(shí)刻起，選擇第一組匹配序列，W該匹配序列內(nèi)的每個(gè)點(diǎn)為中 屯、，W慣性導(dǎo)航系統(tǒng)偏移距離為依據(jù)逐個(gè)確定正方形捜索區(qū)域。正方形捜索區(qū)域中除慣性 導(dǎo)航系統(tǒng)輸出軌跡點(diǎn)之外的每個(gè)點(diǎn)稱為備選匹配軌跡點(diǎn)。當(dāng)水下潛器航行在初始階段，慣 性導(dǎo)航精度較高，此時(shí)可將正方形捜索區(qū)域的邊長(zhǎng)設(shè)置的較小。隨著慣性導(dǎo)航誤差隨時(shí)間 不斷累積，在初始設(shè)定的捜索區(qū)域內(nèi)無(wú)法準(zhǔn)確找到匹配軌跡點(diǎn)，此時(shí)可將正方形捜索區(qū)域 的邊長(zhǎng)逐漸變大。其中，為保證捜索到匹配軌跡點(diǎn)，其中，每個(gè)正方形捜索區(qū)域的半邊長(zhǎng)等 于對(duì)應(yīng)的慣性導(dǎo)航輸出軌跡點(diǎn)的漂移距離?？勺儝人鲄^(qū)域的方式有效減小了捜索范圍，捜 索區(qū)域內(nèi)的備選匹配點(diǎn)數(shù)量也大大減少。
[0034] 步驟=、理論上，經(jīng)過(guò)匹配后，各個(gè)方形捜索區(qū)域內(nèi)會(huì)找到一個(gè)匹配軌跡點(diǎn)，該匹 配軌跡點(diǎn)在重力基準(zhǔn)圖上讀取的重力異常值與對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)重力儀測(cè)得的重力異常值應(yīng)該 是相等的，但是由于存在實(shí)時(shí)重力儀測(cè)量誤差等誤差項(xiàng)，二者應(yīng)為近似等值關(guān)系。
[0035] 利用運(yùn)個(gè)特征，針對(duì)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)輸出軌跡點(diǎn)，將重力儀測(cè)量的重力異常值gi(xi， y