水下潛器地形輔助慣性導航系統的位置匹配方法
【專利摘要】本發明公開一種水下潛器地形輔助慣性導航系統的位置匹配方法，包括：1)在進入海圖覆蓋區域后，利用深度計和多波束掃描測深儀，測量潛器在起始時間段Δt1內航行區域的水深值；2)計算時間段Δt1的水深累積直方圖H1、地形粗糙度Kr1和下次水深測量的時間段Δt2；3)確定潛器在Δt1/2時刻的可能位置集L1；4)測量潛器在時間段Δtn(n＝2，3...，N)內航行區域的水深值，計算時間段Δtn的水深累積直方圖Hn、地形粗糙度Krn和下次水深測量的時間段Δtn+1等步驟。木發明是一種自主式匹配方法具有精度高、魯棒性好的特點，可應用于地形、地磁或者重力輔助慣性導航定位。
【專利說明】水下潛器地形輔助慣性導航系統的位置匹配方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種水下潛器地形匹配方法，主要針對水下潛器地形輔助慣性導航系 統的位置匹配方法。
【背景技術】
[0002] 水下潛器經過長時間航行后，純慣性導航系統輸出的位置已經積累較大誤差。考 慮到安全性、隱蔽性和長時間水下作業的實際情況，采用地球物理場輔助慣性導航的無源 導航技術，主要包括慣性/地形、慣性/重力和慣性/地磁組合導航。其基本原理都是通過 潛器裝備的傳感器測量航行軌跡上的地球物理場數據，再與已有的數據庫進行匹配，確定 潛器的最佳位置。
[0003] 地形匹配方法最早應用在航空領域，作為戰機和巡航導彈的一種輔助導航方法， 其中最著名的有TERCOM和SITAN。由于水下環境的特殊性，Besl和Mckay等人提出了 ICP 圖像對準方法。近年來，很多學者將ICP算法與其他方法進行組合以改進地形匹配導航方 法。
[0004] 為保證慣性導航系統長時間、高精度的工作，地形匹配算法應具有實時性和可靠 性。實時性方面，ICP算法的旋轉、平移計算量較大，并且實際應用中要求潛器初始誤差較 小。可靠性方面，目前大多數地形導航確定搜索區域的方法是采用慣導系統輸出的潛器位 置為中心，搜索半徑根據實際情況確定。這種方法在慣性導航初始誤差不大的情況下是可 取的，在初始誤差較大時，確定的搜索區域可能是不正確的或范圍很大。
【發明內容】
[0005] 發明目的：本發明的目的在于克服現有技術的不足，提出一種水下潛器地形輔助 慣性導航系統的位置匹配方法，可有效地提高地形輔助慣性導航系統快速、準確定位，從而 消除和克服在慣導系統初始誤差大的情況下地形匹配算法失效的缺陷。
[0006] 技術方案：本發明所述的水下潛器地形輔助慣性導航系統的位置匹配方法包括以 下步驟：
[0007] 1)在進入海圖覆蓋區域后，利用潛器所裝備的深度計和多波束掃描測深儀，測量 潛器在起始時間段At 1內航行區域的水深值；
[0008] 2)計算時間段At1的水深累積直方圖H1和地形粗糙度K rt，并由Krt計算下次水深 測量的時間段At2;
[0009] 3)將時間段At1內掃描區域的大小作為整個海圖搜索的網格單元，采用滑動窗的 方式搜索，計算第m個滑動窗的水深累積直方圖H lmOn = 1，2,…，M)，并計算H1與Hlm之間 的距離，將其中距離滿足匹配準則的第m個滑動窗的中心位置作為潛器在Λ tl/2時刻的可 能位置集L1 ;
[0010] 4)測量潛器在時間段Atn(η = 2, 3···，N)內航行區域的水深值，計算時間段Atn 的水深累積直方圖Hn和地形粗糙度Km，并由Km計算下次水深測量的時間段△ tn+1 ;
[0011] 5)計算慣導系統在時間段Atlri內航行的相對距離Dn_ w計算更新的可能位置集 L' n_i(當n = 2時，L' i = !^)中各位置點之間的最大距離Dlri，確定時間段Atn內水深測 量的搜索區域，采用滑動窗的方式搜索，計算第m個滑動窗的水深累積直方圖H?，并計算H n 與Hnm之間的距離，將其中距離滿足匹配準則的第m個滑動窗的中心位置作為潛器在Λ tn/2 時刻的可能位置集Ln ;
[0012] 6)計算L' n_i和Ln中各位置點之間的距離，并與DnM比較，將滿足乂 A 與Dn_1;n的絕對差值小于三倍海圖分辨率條件的L' n_i集作為潛器在Λ t^/2時刻的參考位 置集Plri，同時將滿足上述條件的Ln集作為潛器在Λ tn/2時刻的更新的可能位置集L' n ;
[0013] 7)依據地形粗糙度Km決定實測總次數N，并判斷實測次數是否達到N，若未達到， 將η加1，并重復步驟4)?步驟6);若實測次數達到N，則計算參考位置集P 1至Pim的價值 函數，獲取潛器航跡，修正慣導系統的位置參數。
[0014] 進一步地，所述步驟1)中潛器在測量起始時間段內航行的區域應盡量保持正方 形，此外，在后續每次測量時間段內航行的區域也同樣保持正方形。
[0015] 進一步地，所述步驟2)中計算時間段At1的水深累積直方圖H1具體過程為：根據 整個海圖的水深量程，將水深值平均分成10組到20組不重疊區間，確定水深間隔范圍，統 計步驟1)測量的水深值在每個水深間隔范圍內的水深值個數，累積各水深間隔范圍的水 深值概率分布情況，得到時間段At 1的水深累積直方圖H1 ;
[0016] 地形粗糙度定義為單位面積的水深值方差，Krt表示時間段At1的地形粗糙度，依 據1^確定下次水深測量的時間段At 2，其中，At2取大于1/Krt的最小整數。
[0017] 進一步地，所述步驟3)中時間段At1內掃描區域的大小具體為：
[0018] S = (kd)2 (1)
[0019] 式中，k為與潛器航跡垂直的平面內一次給出的多波束測深點個數，d為k個多波 束測深點的中心點間距，S為時間段At 1內掃描區域的大小，也稱為網格單元；
[0020] 第m個滑動窗的搜索步進值為海圖的分辨率，其中，m = 1，2, "·，Μ，M由搜索區域 和網格單元大小決定，水深累積直方圖之間的距離定義為相同水深間隔范圍內累積概率值 的均方誤差，計算H 1與Hlm之間的距離，H1與Hlm之間的距離滿足的匹配準則為：
[0021]
【權利要求】
1. 水下潛器地形輔助慣性導航系統的位置匹配方法，其特征在于包括以下步驟： 1) 在進入海圖覆蓋區域后，利用潛器所裝備的深度計和多波束掃描測深儀，測量潛器 在起始時間段At1內航行區域的水深值； 2) 計算時間段Λ tl的水深累積直方圖H1和地形粗糙度Krt，并由Krt計算下次水深測量 的時間段At 2; 3) 將時間段At1內掃描區域的大小作為整個海圖搜索的網格單元，采用滑動窗的方式 搜索，計算第m個滑動窗的水深累積直方圖H lmOn = 1，2, "·，Μ)，并計算H1與Hlm之間的距 離，將其中距離滿足匹配準則的第m個滑動窗的中心位置作為潛器在Λ tl/2時刻的可能位 直集L1 ; 4) 測量潛器在時間段Λ?η(η = 2,3···，Ν)內航行區域的水深值，計算時間段八乂的水 深累積直方圖Hn和地形粗糙度Km，并由K m計算下次水深測量的時間段Λ tn+1 ; 5) 計算慣導系統在時間段Atlri內航行的相對距離Dn_lin，計算更新的可能位置集 L' n_i(當n = 2時，L' i = !^)中各位置點之間的最大距離Dlri，確定時間段Atn內水深測 量的搜索區域，采用滑動窗的方式搜索，計算第m個滑動窗的水深累積直方圖H?，并計算H n 與Hnm之間的距離，將其中距離滿足匹配準則的第m個滑動窗的中心位置作為潛器在Λ tn/2 時刻的可能位置集Ln ; 6) 計算L' n_jPLn中各位置點之間的距離義^,,，并與D1^n比較，將滿足'^"與D 1^n 的絕對差值小于三倍海圖分辨率條件的L' n_i集作為潛器在Λ t^/2時刻的參考位置集 Plri，同時將滿足上述條件的Ln集作為潛器在Λ tn/2時刻的更新的可能位置集L' n ; 7) 依據地形粗糙度Km決定實測總次數N，并判斷實測次數是否達到N，若未達到，將η 加1，并重復步驟4)?步驟6);若實測次數達到Ν，則計算參考位置集P1至？^的價值函數， 獲取潛器航跡，修正慣導系統的位置參數。
2. 根據權利要求1所述的水下潛器地形輔助慣性導航系統的位置匹配方法，其特征在 于：所述步驟1)中潛器在測量起始時間段內航行的區域應盡量保持正方形，此外，在后續 每次測量時間段內航行的區域也同樣保持正方形。
3. 根據權利要求1所述的水下潛器地形輔助慣性導航系統的位置匹配方法，其特征在 于：所述步驟2)中計算時間段△ h的水深累積直方圖H1具體過程為：根據整個海圖的水 深量程，將水深值平均分成10組到20組不重疊區間，確定水深間隔范圍，統計步驟1)測量 的水深值在每個水深間隔范圍內的水深值個數，累積各水深間隔范圍的水深值概率分布情 況，得到時間段At 1的水深累積直方圖H1 ; 地形粗糙度定義為單位面積的水深值方差，Krt表示時間段Λ tl的地形粗糙度，依據Krt 確定下次水深測量的時間段At2，其中，At2取大于1/Krt的最小整數。
4. 根據權利要求1所述的水下潛器地形輔助慣性導航系統的位置匹配方法，其特征在 于：所述步驟3)中時間段Λ tl內掃描區域的大小具體為： S = (kd)2 (1) 式中，k為與潛器航跡垂直的平面內一次給出的多波束測深點個數，d為k個多波束測 深點的中心點間距，S為時間段At1內掃描區域的大小，也稱為網格單元； 第m個滑動窗的搜索步進值為海圖的分辨率，其中，m = 1，2, "·，Μ，M由搜索區域和網 格單元大小決定，水深累積直方圖之間的距離定義為相同水深間隔范圍內累積概率值的均 方誤差，計算H1與Hlm之間的距離，H1與Hlm之間的距離滿足的匹配準則為：
(2) 式中，η表示測量次數，此處為1，num表示水深累積直方圖的區間數，Hni表示測量時間 段Atn內第i個水深間隔范圍的累積概率值，Hnmi表示時間段Atn內，第m個滑動窗的第i 個水深間隔范圍的累積概率值，Km表示時間段Atn的地形粗糙度，ε表示調節因子，調節 ε，使得（ε /Krn)在12?25范圍內，式⑵的左邊為水深累積直方圖Hn與Hmi之間的距 離，H niin表示扎與民^!!! = 1，2, "·，Μ)之間的最小距離，將滿足式（2)的第m個滑動窗的中 心位置作為潛器在Λ tl/2時刻的可能位置集U。
5. 根據權利要求1所述的水下潛器地形輔助慣性導航系統的位置匹配方法，其特征在 于：所述步驟5)中搜索區域的確定方法具體為：計算L' n_i集中各位置點之間的最大距離 Dlri，取Dlri和2Dn_1;n中較大值為R，得到搜索區域為：諱度范圍為[Latimin-R，Latimax+R]， 經度范圍為[longimin-R, longimax+R]，其中，Latimax和Latimin分別是L' n_l集中諱度 最大值和最小值，Iongimax和Iongimin分別是L' Jri集中經度最大值和最小值，如果搜索 區域的某邊界超出海圖的邊界，以海圖邊界為最大值或者最小值； 同步驟3)計算扎與^之間的距離，式⑵中n = 2,3···，N，將滿足式⑵的第m個滑 動窗的中心位置作為潛器在Λ tn/2時刻的可能位置集Ln。
6. 根據權利要求1所述的水下潛器地形輔助慣性導航系統的位置匹配方法，其特征在 于：所述步驟7)中價值函數具體為：
(3) 式中，D(PnJn)表示參考位置集Plri與Pn各位置點之間的距離，K為價值函數；依據地 形粗糙度1^確定實測總次數N，具體確定原則為：Km>l時，取N 3 3，Km〈l時，取N 3 4 ;根 據式（3)計算參考位置集P1至？^的價值函數K，取價值函數為最小值時的參考位置連線 為最終獲取的潛器航跡，由匹配的各時間段中點位置，結合潛器短時內勻速直航的特點，推 算潛器當前的實際位置，最后通過位置重置修正慣導系統的位置參數。
【文檔編號】G01C21/16GK104390646SQ201410469998
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年9月15日 優先權日:2014年9月15日
【發明者】程向紅, 周玲, 陸源, 冉昌艷, 王磊, 朱倚嫻 申請人:東南大學
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