水下潜器地形辅助惯性导航系统的位置匹配方法
【专利摘要】本发明公开一种水下潜器地形辅助惯性导航系统的位置匹配方法，包括：1)在进入海图覆盖区域后，利用深度计和多波束扫描测深仪，测量潜器在起始时间段Δt1内航行区域的水深值；2)计算时间段Δt1的水深累积直方图H1、地形粗糙度Kr1和下次水深测量的时间段Δt2；3)确定潜器在Δt1/2时刻的可能位置集L1；4)测量潜器在时间段Δtn(n＝2，3...，N)内航行区域的水深值，计算时间段Δtn的水深累积直方图Hn、地形粗糙度Krn和下次水深测量的时间段Δtn+1等步骤。木发明是一种自主式匹配方法具有精度高、鲁棒性好的特点，可应用于地形、地磁或者重力辅助惯性导航定位。
【专利说明】水下潜器地形辅助惯性导航系统的位置匹配方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种水下潜器地形匹配方法，主要针对水下潜器地形辅助惯性导航系 统的位置匹配方法。
【背景技术】
[0002] 水下潜器经过长时间航行后，纯惯性导航系统输出的位置已经积累较大误差。考 虑到安全性、隐蔽性和长时间水下作业的实际情况，采用地球物理场辅助惯性导航的无源 导航技术，主要包括惯性/地形、惯性/重力和惯性/地磁组合导航。其基本原理都是通过 潜器装备的传感器测量航行轨迹上的地球物理场数据，再与已有的数据库进行匹配，确定 潜器的最佳位置。
[0003] 地形匹配方法最早应用在航空领域，作为战机和巡航导弹的一种辅助导航方法， 其中最著名的有TERCOM和SITAN。由于水下环境的特殊性，Besl和Mckay等人提出了 ICP 图像对准方法。近年来，很多学者将ICP算法与其他方法进行组合以改进地形匹配导航方 法。
[0004] 为保证惯性导航系统长时间、高精度的工作，地形匹配算法应具有实时性和可靠 性。实时性方面，ICP算法的旋转、平移计算量较大，并且实际应用中要求潜器初始误差较 小。可靠性方面，目前大多数地形导航确定搜索区域的方法是采用惯导系统输出的潜器位 置为中心，搜索半径根据实际情况确定。这种方法在惯性导航初始误差不大的情况下是可 取的，在初始误差较大时，确定的搜索区域可能是不正确的或范围很大。
【发明内容】
[0005] 发明目的：本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种水下潜器地形辅助 惯性导航系统的位置匹配方法，可有效地提高地形辅助惯性导航系统快速、准确定位，从而 消除和克服在惯导系统初始误差大的情况下地形匹配算法失效的缺陷。
[0006] 技术方案：本发明所述的水下潜器地形辅助惯性导航系统的位置匹配方法包括以 下步骤：
[0007] 1)在进入海图覆盖区域后，利用潜器所装备的深度计和多波束扫描测深仪，测量 潜器在起始时间段At 1内航行区域的水深值；
[0008] 2)计算时间段At1的水深累积直方图H1和地形粗糙度K rt，并由Krt计算下次水深 测量的时间段At2;
[0009] 3)将时间段At1内扫描区域的大小作为整个海图搜索的网格单元，采用滑动窗的 方式搜索，计算第m个滑动窗的水深累积直方图H lmOn = 1，2,…，M)，并计算H1与Hlm之间 的距离，将其中距离满足匹配准则的第m个滑动窗的中心位置作为潜器在Λ tl/2时刻的可 能位置集L1 ;
[0010] 4)测量潜器在时间段Atn(η = 2, 3···，N)内航行区域的水深值，计算时间段Atn 的水深累积直方图Hn和地形粗糙度Km，并由Km计算下次水深测量的时间段△ tn+1 ;
[0011] 5)计算惯导系统在时间段Atlri内航行的相对距离Dn_ w计算更新的可能位置集 L' n_i(当n = 2时，L' i = !^)中各位置点之间的最大距离Dlri，确定时间段Atn内水深测 量的搜索区域，采用滑动窗的方式搜索，计算第m个滑动窗的水深累积直方图H?，并计算H n 与Hnm之间的距离，将其中距离满足匹配准则的第m个滑动窗的中心位置作为潜器在Λ tn/2 时刻的可能位置集Ln ;
[0012] 6)计算L' n_i和Ln中各位置点之间的距离，并与DnM比较，将满足乂 A 与Dn_1;n的绝对差值小于三倍海图分辨率条件的L' n_i集作为潜器在Λ t^/2时刻的参考位 置集Plri，同时将满足上述条件的Ln集作为潜器在Λ tn/2时刻的更新的可能位置集L' n ;
[0013] 7)依据地形粗糙度Km决定实测总次数N，并判断实测次数是否达到N，若未达到， 将η加1，并重复步骤4)?步骤6);若实测次数达到N，则计算参考位置集P 1至Pim的价值 函数，获取潜器航迹，修正惯导系统的位置参数。
[0014] 进一步地，所述步骤1)中潜器在测量起始时间段内航行的区域应尽量保持正方 形，此外，在后续每次测量时间段内航行的区域也同样保持正方形。
[0015] 进一步地，所述步骤2)中计算时间段At1的水深累积直方图H1具体过程为：根据 整个海图的水深量程，将水深值平均分成10组到20组不重叠区间，确定水深间隔范围，统 计步骤1)测量的水深值在每个水深间隔范围内的水深值个数，累积各水深间隔范围的水 深值概率分布情况，得到时间段At 1的水深累积直方图H1 ;
[0016] 地形粗糙度定义为单位面积的水深值方差，Krt表示时间段At1的地形粗糙度，依 据1^确定下次水深测量的时间段At 2，其中，At2取大于1/Krt的最小整数。
[0017] 进一步地，所述步骤3)中时间段At1内扫描区域的大小具体为：
[0018] S = (kd)2 (1)
[0019] 式中，k为与潜器航迹垂直的平面内一次给出的多波束测深点个数，d为k个多波 束测深点的中心点间距，S为时间段At 1内扫描区域的大小，也称为网格单元；
[0020] 第m个滑动窗的搜索步进值为海图的分辨率，其中，m = 1，2, "·，Μ，M由搜索区域 和网格单元大小决定，水深累积直方图之间的距离定义为相同水深间隔范围内累积概率值 的均方误差，计算H 1与Hlm之间的距离，H1与Hlm之间的距离满足的匹配准则为：
[0021]
【权利要求】
1. 水下潜器地形辅助惯性导航系统的位置匹配方法，其特征在于包括以下步骤： 1) 在进入海图覆盖区域后，利用潜器所装备的深度计和多波束扫描测深仪，测量潜器 在起始时间段At1内航行区域的水深值； 2) 计算时间段Λ tl的水深累积直方图H1和地形粗糙度Krt，并由Krt计算下次水深测量 的时间段At 2; 3) 将时间段At1内扫描区域的大小作为整个海图搜索的网格单元，采用滑动窗的方式 搜索，计算第m个滑动窗的水深累积直方图H lmOn = 1，2, "·，Μ)，并计算H1与Hlm之间的距 离，将其中距离满足匹配准则的第m个滑动窗的中心位置作为潜器在Λ tl/2时刻的可能位 直集L1 ; 4) 测量潜器在时间段Λ?η(η = 2,3···，Ν)内航行区域的水深值，计算时间段八乂的水 深累积直方图Hn和地形粗糙度Km，并由K m计算下次水深测量的时间段Λ tn+1 ; 5) 计算惯导系统在时间段Atlri内航行的相对距离Dn_lin，计算更新的可能位置集 L' n_i(当n = 2时，L' i = !^)中各位置点之间的最大距离Dlri，确定时间段Atn内水深测 量的搜索区域，采用滑动窗的方式搜索，计算第m个滑动窗的水深累积直方图H?，并计算H n 与Hnm之间的距离，将其中距离满足匹配准则的第m个滑动窗的中心位置作为潜器在Λ tn/2 时刻的可能位置集Ln ; 6) 计算L' n_jPLn中各位置点之间的距离义^,,，并与D1^n比较，将满足'^"与D 1^n 的绝对差值小于三倍海图分辨率条件的L' n_i集作为潜器在Λ t^/2时刻的参考位置集 Plri，同时将满足上述条件的Ln集作为潜器在Λ tn/2时刻的更新的可能位置集L' n ; 7) 依据地形粗糙度Km决定实测总次数N，并判断实测次数是否达到N，若未达到，将η 加1，并重复步骤4)?步骤6);若实测次数达到Ν，则计算参考位置集P1至？^的价值函数， 获取潜器航迹，修正惯导系统的位置参数。
2. 根据权利要求1所述的水下潜器地形辅助惯性导航系统的位置匹配方法，其特征在 于：所述步骤1)中潜器在测量起始时间段内航行的区域应尽量保持正方形，此外，在后续 每次测量时间段内航行的区域也同样保持正方形。
3. 根据权利要求1所述的水下潜器地形辅助惯性导航系统的位置匹配方法，其特征在 于：所述步骤2)中计算时间段△ h的水深累积直方图H1具体过程为：根据整个海图的水 深量程，将水深值平均分成10组到20组不重叠区间，确定水深间隔范围，统计步骤1)测量 的水深值在每个水深间隔范围内的水深值个数，累积各水深间隔范围的水深值概率分布情 况，得到时间段At 1的水深累积直方图H1 ; 地形粗糙度定义为单位面积的水深值方差，Krt表示时间段Λ tl的地形粗糙度，依据Krt 确定下次水深测量的时间段At2，其中，At2取大于1/Krt的最小整数。
4. 根据权利要求1所述的水下潜器地形辅助惯性导航系统的位置匹配方法，其特征在 于：所述步骤3)中时间段Λ tl内扫描区域的大小具体为： S = (kd)2 (1) 式中，k为与潜器航迹垂直的平面内一次给出的多波束测深点个数，d为k个多波束测 深点的中心点间距，S为时间段At1内扫描区域的大小，也称为网格单元； 第m个滑动窗的搜索步进值为海图的分辨率，其中，m = 1，2, "·，Μ，M由搜索区域和网 格单元大小决定，水深累积直方图之间的距离定义为相同水深间隔范围内累积概率值的均 方误差，计算H1与Hlm之间的距离，H1与Hlm之间的距离满足的匹配准则为：
(2) 式中，η表示测量次数，此处为1，num表示水深累积直方图的区间数，Hni表示测量时间 段Atn内第i个水深间隔范围的累积概率值，Hnmi表示时间段Atn内，第m个滑动窗的第i 个水深间隔范围的累积概率值，Km表示时间段Atn的地形粗糙度，ε表示调节因子，调节 ε，使得（ε /Krn)在12?25范围内，式⑵的左边为水深累积直方图Hn与Hmi之间的距 离，H niin表示扎与民^!!! = 1，2, "·，Μ)之间的最小距离，将满足式（2)的第m个滑动窗的中 心位置作为潜器在Λ tl/2时刻的可能位置集U。
5. 根据权利要求1所述的水下潜器地形辅助惯性导航系统的位置匹配方法，其特征在 于：所述步骤5)中搜索区域的确定方法具体为：计算L' n_i集中各位置点之间的最大距离 Dlri，取Dlri和2Dn_1;n中较大值为R，得到搜索区域为：讳度范围为[Latimin-R，Latimax+R]， 经度范围为[longimin-R, longimax+R]，其中，Latimax和Latimin分别是L' n_l集中讳度 最大值和最小值，Iongimax和Iongimin分别是L' Jri集中经度最大值和最小值，如果搜索 区域的某边界超出海图的边界，以海图边界为最大值或者最小值； 同步骤3)计算扎与^之间的距离，式⑵中n = 2,3···，N，将满足式⑵的第m个滑 动窗的中心位置作为潜器在Λ tn/2时刻的可能位置集Ln。
6. 根据权利要求1所述的水下潜器地形辅助惯性导航系统的位置匹配方法，其特征在 于：所述步骤7)中价值函数具体为：
(3) 式中，D(PnJn)表示参考位置集Plri与Pn各位置点之间的距离，K为价值函数；依据地 形粗糙度1^确定实测总次数N，具体确定原则为：Km>l时，取N 3 3，Km〈l时，取N 3 4 ;根 据式（3)计算参考位置集P1至？^的价值函数K，取价值函数为最小值时的参考位置连线 为最终获取的潜器航迹，由匹配的各时间段中点位置，结合潜器短时内匀速直航的特点，推 算潜器当前的实际位置，最后通过位置重置修正惯导系统的位置参数。
【文档编号】G01C21/16GK104390646SQ201410469998
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年9月15日 优先权日:2014年9月15日
【发明者】程向红, 周玲, 陆源, 冉昌艳, 王磊, 朱倚娴 申请人:东南大学