一种自主实时机载地形辅助惯性导航方法和系统与流程

本发明涉及导航和定位技术领域，特别涉及一种自主实时机载地形辅助惯性导航方法和系统。

背景技术：

地形辅助导航(Terrain Aided Navigation，TAN)由于具有自主性、隐蔽性、抗干扰能力强和全天候工作的优点，其在组合导航系统中受到广泛的重视和研究，并已在巡航导弹、飞机和舰船上成功应用。TAN的定位思想是利用实测的运动轨迹下方的地形高程数据和存储的数字地形高程模型(Digital Elevation Model，DEM)为信息，采用地形匹配算法来达到定位的目的。地形辅助导航系统的定位精度和实时性不仅与地形匹配算法有关还受地形特征的影响。在地形特征较明显的山地和丘陵地区定位准确度较高，在平原或海平面这些地形特征不明显的区域匹配就不适合执行匹配定位。由于受地形匹配算法和地形特征的限制，目前地形辅助导航系统的应用，大都需要事先根据飞行任务规划飞行路线、选取匹配区域，使得载体机动飞行和实时定位的能力受限。如何实现载体在飞行过程中自主选择匹配区域并根据飞行状态和所规划区域的地形特征自动执行合适的地形匹配算法，将极大的提高载体机动飞行和实时地形辅助定位的能力从而摆脱受事先规划的飞行轨迹的束缚，这也将有利于地形辅助导航的推广和应用。

技术实现要素：

本发明提供了一种实时机载地形辅助导航方法和系统，以解决目前地形辅助导航系统需要事先根据飞行任务规划飞行路线、选取匹配区域，使得载体机动飞行和实时定位的能力受限的问题。

本发明的自主实时机载地形辅助惯性导航方法，包括以下步骤：

步骤S1：根据主惯性导航系统输出的姿态、速度和位置信息，通过地形匹配区域规划与适应性分析模块中的地形匹配区域自动规划算法连续规划匹配区域；

步骤S2：根据地形匹配区域规划与适应性分析模块中的匹配区域适应性分析准则自动分析规划区域的匹配适应性；

步骤S3：根据步骤S2中的匹配适应性的分析结果来决策是否执行地形匹配算法，如果所规划区域为匹配区域，则执行地形匹配算法并实现匹配定位；如果所规划区域为非匹配区域，则不执行地形匹配算法。

进一步地，步骤S1中的根据主惯性导航系统输出的姿态、速度和位置信息，通过地形匹配区域规划与适应性分析模块中的地形匹配区域自动规划算法连续规划匹配区域，具体包括：

利用主惯性导航系统提供的载体即时位置信息经度λ和纬度L、航向角ψ、东向位置误差的估计值σ_E和北向的位置误差的估计值σ_N对匹配区域进行规划，匹配区域规化的边界模型为

式中，E₁、E₂、N₁、N₂分别为以载体即时位置经度λ和纬度L为坐标原点，东向为X轴、北向为Y轴所建立的临时坐标系下的矩形区域在西向、东向、南向和北向的边界坐标值；l为匹配序列长度。

进一步地，所述地形匹配算法包括搜索模式和跟踪模式；搜索模式下的地形匹配算法采用基于相关思想的地形轮廓匹配算法，跟踪模式下的地形匹配算法采用基于最优滤波原理的地形辅助导航算法。

进一步地，所述地形轮廓匹配算法所采用的性能指标有三种：交叉相关COR算法、平均绝对差MAD算法和均方差MSD算法；搜索模式下的所述地形匹配算法为：利用COR、MAD和MSD算法分别进行三次独立的地形匹配，若每次执行匹配时3种算法其中2种的定位误差在1个网格内则认为本次表决通过，如果连续三次均通过则认为定位可靠。

进一步地，所述根据步骤S2中的匹配适应性的分析结果来决策是否执行地形匹配算法的具体决策过程为：

当所规划的区域为匹配区域，且载体为初次进入匹配区域或者从非匹配区域进入匹配区域，地形匹配算法执行搜索模式；

当载体处于连续匹配区域且执行搜索模式时，且定位误差减小到规定的阈值范围内，地形匹配算法执行跟踪模式；

当载体处于连续匹配区域且执行跟踪模式时，根据可靠性判断机制判断定位结果的可靠性，如果定位结果可靠，则继续执行跟踪模式的地形匹配算法；如果定位结果不可靠，将地形匹配算法切换到搜索模式，重新开始搜索定位；

当载体处于非匹配区或从匹配区域离开时，地形匹配算法停止执行。

进一步地，所述可靠性判断机制的实现过程为：

根据惯性器件在短时间内漂移小的特性，利用当前时刻之前的位置序列推算当前时刻的位置信息得到当前位置估计值，并分别与通过扩展卡尔曼滤波得到的当前时刻位置的滤波值进行比较，如果估计值与滤波值差的绝对值均小于1个网格，则表明定位结果可靠，否则，定位结果不可靠。

进一步地，步骤S2中根据地形匹配区域规划与适应性分析模块中的匹配区域适应性分析准则自动分析规划区域的匹配适应性的具体步骤：

步骤1)：计算规化的区域内的地形特征参数，包括高程标准差σ_h、测高信噪比σ、地形粗糙度σ_z和地形相关长度l_m，并根据所述地形特征参数构建地形匹配区域适应性分析的逻辑判断函数；

步骤2)：根据地形匹配区域适应性分析的所述逻辑判断函数，对规划区域的适应性做初步判断，如果规划区域的匹配适应性不满足所述逻辑判断函数，则舍弃该区域；如果规划区域的匹配适应性满足所述逻辑判断函数，则利用地形剖面相关性检验算法做进一步的验证。

进一步地，所述利用地形剖面相关性检验算法做进一步的验证，具体为：在规划区域内随机选取n个地形剖面，将每个剖面与其余的n-1个剖面根据剖面相关性计算公式做相关性分析，相关性计算公式为

式中，T和F为两个地形剖面，M为剖面的长度；

在得到的相关值R中选取次最大值和最大值的比值小于0.9作为判断条件，在所有的相关面中满足条件的个数大于总的相关面的90％，将该区域保留，否则将该区域舍弃。

相应地，本发明还提供一种实时机载地形辅助惯性导航系统，

包括：主惯性导航系统，地形辅助导航系统；

所述地形辅助导航系统包括地形匹配区域规划与适应性分析模块、基准地形高程数据库、传感器单元、地形匹配导航算法模块；

所述基准地形高程数据库，提供飞行区域的地形高程基准图；

所述传感器单元提供载体飞行轨迹下方的地形高程测量信息；

所述地形匹配区域规划与适应性分析模块的输入参数由主惯性导航系统和基准地形高程数据库提供，所述地形匹配区域规划与适应性分析模块的输出参数提供给所述地形匹配导航算法模块；

所述地形匹配导航算法模块，根据所述地形匹配区域规划与适应性分析模块的输出参数决策是否执行匹配算法。

进一步地，所述地形匹配区域规划与适应性分析模块中的地形匹配区域自动规划算法连续规划匹配区域，所述地形匹配区域规划与适应性分析模块中的匹配区域适应性分析准则自动分析规划区域的匹配适应性。

本发明的优点在于：对于传统的地形辅助惯性导航系统，引入匹配区域规划与适应性分析模块，可实现载体在飞行过程中自主规划选取匹配区域，并根据不同地形区域和飞行状态选择合适的地形匹配算法进行匹配定位，从而提高载体机动飞行和实时定位的能力。为确保匹配定位算法在跟踪模式下定位结果的可靠性，采用基于位置序列估值与滤波值比较的方法确保定位结果的可靠性。本发明可以提高载体机动飞行和实时定位的能力，从而解决目前地形辅助导航系统需要事先根据飞行任务规划飞行路线和匹配区域导致载体机动飞行和实时定位能力受限的问题。

附图说明

图1为本发明实施例中的自主实时机载地形辅助惯性导航系统结构示意图。

图2为本发明实施例中的自主实时机载地形辅助惯性导航方法的流程图。

图3为本发明实施例中的自主实时机载地形辅助惯性匹配区域规划的示意图。

图4为本发明实施例中的自主实时机载地形辅助惯性导航的跟踪模式下的可靠性判断机制原理示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一个实施例，如图1所示的自主实时机载地形辅助惯性导航系统，包括主惯性导航系统1和地形辅助导航系统2。其中主惯性导航系统1提供载体的实时姿态、速度和位置信息(位置信息包含位置误差的估计值)；地形辅助导航系统2作为主惯性导航系统1的辅助导航系统，包括地形匹配区域规划与适应性分析模块21、基准地形高程数据库22、传感器单元23、地形匹配导航算法模块24。

地形匹配区域规划与适应性分析模块21，用于载体飞行过程中连续规划匹配区域并对所规划的匹配区域进行匹配适应性分析，地形匹配区域规划与适应性分析模块21的输入参数由主惯性导航系统1和基准地形高程数据库22提供，地形匹配区域规划与适应性分析模块21的输出参数提供给地形匹配导航算法模块24。

基准地形高程数据库22，提供飞行区域的地形高程基准图；

传感器单元23包括气压高度表231和雷达高度表232，提供载体飞行轨迹下方的地形高程测量信息；

地形匹配导航算法模块24，根据地形匹配区域规划与适应性分析模块21的输出参数决策是否执行匹配算法；

地形匹配导航算法模块24，利用传感器单元23提供的地形高程测量信息和基准地形高程数据库22提供的整个区域的地形高程信息实现地形匹配定位，对主惯性导航系统1输出的姿态、速度和位置信息3进行修正。

另一个实施例，如图2所示的自主实时机载地形辅助惯性导航方法，包括以下步骤：

步骤S1：根据主惯性导航系统输出的姿态、速度和位置信息，通过地形匹配区域规划与适应性分析模块21中的地形匹配区域自动规划算法连续规划匹配区域；

具体的，利用主惯性导航系统1提供的载体即时位置信息经度λ和纬度L、航向角ψ、东向位置误差的估计值σ_E和北向的位置误差的估计值σ_N对匹配区域进行规划，匹配区域规化的边界模型为

式中，E₁、E₂、N₁、N₂分别为以载体即时位置经度λ和纬度L为坐标原点，东向为X轴、北向为Y轴所建立的临时坐标系下的矩形区域在西向、东向、南向和北向的边界坐标值；l为匹配序列长度。

为了更好的说明匹配区域规划的流程，给出如图3所示的匹配区域规划的示意图。载体在基准地形高程数据库22提供的飞行区域的地形高程基准图所描述的地形区域沿着轨迹221飞行时，k时刻飞出前一个匹配区222，则以当前时刻载体所在的位置经度λ和纬度L为参考点O执行下一个匹配区的规划。以O点为坐标原点，建立如图3所示的坐标系，坐标轴的X轴指向东向和Y轴指向北向。根据匹配区域规化的边界模型得到的匹配区域223的长宽与航向角ψ、匹配序列长度l、东向位置误差的估计值σ_E和北向的位置误差的估计值σ_N的关系如图3所示。

步骤S2：根据地形匹配区域规划与适应性分析模块21中的匹配区域适应性分析准则自动分析规划区域的匹配适应性；

具体的，匹配区域的适应分析准则包含以下步骤：

步骤1)：根据地形特征参数高程标准差σ_h、测高信噪比σ、地形粗糙度σ_z和地形相关长度l_m构建地形匹配区域适应性分析的逻辑判断函数，根据逻辑判断函数，对规划区域的适应性做初步判断，逻辑判断函数取为：

高程标准差σ_h，用于描述地形高程基准图中逐网格点的离散程度和整个区域地形总的起伏程度，其计算公式为：

式中，M_h为地形均值，其计算公式为：

式中，m为网格高程基准图的行数，n为网格高程基准图的列数，h(i，j)为网格高程基准图的第i行、第j列网格的地形高程值。

地形粗糙度σ_z，描述整个地形区域的区平均光滑程度，刻划较细微的局部起伏，其计算公式为：

式中，Q_x为x方向相邻网格的地形粗糙度，Q_y为y方向相邻网格的地形粗糙度，其计算公式分别为：

步骤2)：如果所规划的区域满足逻辑判断函数，则通过地形剖面相关性检验做进一步的验证，在进行地形相关性检验时，在规划区域内随机选取n(n可取100，也可取其他合适的值，例如80、120、130等)个地形剖面，将每个剖面与其余的n-1个剖面根据剖面相关性计算公式做相关性分析，计算公式为

式中，T和F为两个地形剖面，M为剖面的长度(其值可取匹配序列长度l)。

在得到的相关值R中选取次最大值和最大值的比值小于0.9作为判断条件，在所有的相关面中满足条件的个数大于总的相关面的90％，将该区域保留；否则，将该区域舍弃。

步骤S3：根据步骤S2中的匹配适应性分析结果来决策是否执行地形匹配算法，如果所规划的区域为匹配区域，则执行地形匹配算法并实现匹配定位；如果所规划的区域为非匹配区域，则不执行地形匹配算法。

具体的，地形匹配算法包括搜索模式和跟踪模式。

搜索模式，用于在载体刚进入匹配区域或者从非匹配区域进行匹配区域时，由于惯性导航系统长时间积累的误差使得此时的位置误差较大，搜索模式可以快速的定位到一个较小的误差范围。

搜索模式下的地形匹配算法采用基于相关思想的地形轮廓匹配算法，所采用的性能指标有三种：交叉相关COR算法、平均绝对差MAD算法和均方差MSD算法。搜索模式下的地形匹配算法为：利用COR、MAD和MSD相关算法分别进行三次独立的地形匹配，若每次执行匹配时3种算法其中2种的定位误差在1个网格内则认为本次表决通过，如果连续三次均通过则认为定位可靠。

交叉相关COR算法，根据相关性强度实现匹配搜索，相关性越大则表明搜索位置与实际位置越接近，计算公式为：

式中，l为匹配序列的长度，h_t(i)为第i个点的测量地形高度(由传感器单元提供)，h_m(x+iδx，y+iδy)为基准地形高程数据库的第i个点的地形高程(由基准地形高程数据库提供)，x和y为选择匹配点的起始点坐标，δx和δy为相对于起始点坐标的网格偏移量。

平均绝对差MAD算法，利用搜索位置与实际位置的高程差的绝对值求平均得到，平均绝对差越小则表明搜索位置与实际位置越接近，计算公式为：

均方差MSD算法，根据搜索位置与实际位置的高程的均方差最小作为评判标准实现搜索定位，计算公式为：

跟踪模式，用于载体的位置误差在一个较小的范围时通过跟踪模式获取载体的精确位置。

具体的，跟踪模式下的地形匹配算法采用基于最优滤波原理的地形辅助导航算法。地形辅助导航算法具体为：状态变量取东北天坐标系下的载体三维位置误差Δx、Δy和Δz以及二维速度误差dv_x和dv_y，向量表达式为：

线性最优滤波的状态方程的离散形式为：

X_k＝Φ_kk-1X_k-1+Γ_k-1W_k-1 (13)

式中，Φ_k，k-1为一步状态转移矩阵；Γ_k-1为系统噪声转移矩阵；W_k-1为系统噪声向量。

一步状态转移矩阵和系统噪声转移矩阵的表达式为：

式中，T为采样周期。

取实际测量的地形高度和估算的地形高度之差作为一维量测值Z，离散形式的量测方程为：

Z_k＝H_kX_k+γ_k (15)

式中，为量测矩阵；γ_k为量测噪声；h_x和h_y是通过地形随机线性化技术得到的地形x和y方向上的斜率。

根据匹配适应性分析结果执行地形匹配算法的具体决策过程为：

当所规划的区域为匹配区域，且载体为初次进入匹配区域或者从非匹配区域进入匹配区域，地形匹配算法执行搜索模式；

当载体处于连续匹配区域且执行搜索模式时，且定位误差减小到规定的阈值范围内，地形匹配算法执行跟踪模式；

当载体处于连续匹配区域且执行跟踪模式时，根据可靠性判断机制判断定位结果的可靠性，如果定位结果可靠，则继续执行跟踪模式算法；如果定位结果不可靠，将地形匹配算法切换到搜索模式，重新开始搜索定位；

当载体处于非匹配区或从匹配区域离开时，地形匹配算法停止执行。

跟踪模式下的可靠性判断机制用于检测跟踪定位结果的可靠性，可靠性判断机制的原理如图4所示：根据惯性器件在短时间内漂移小的特性，利用t_k的位置序列根据推算公式推算当前时刻t_n的位置信息得到当前位置估计值，推算公式为

式中，(λ(t_k)，L(t_k))为t_k时刻的位置，(λ(t_n)，L(t_n))为t_n时刻的位置，和分别为东向和北向的在t_k～t_n时间段内的平均速度，R_N和R_M分别为地球的子午圈半径和卯酉圈半径。

获得推算值后，分别与通过扩展卡尔曼滤波得到的当前时刻位置的滤波值进行比较，如果估计值与滤波值差的绝对值均小于1个网格，则表明定位结果可靠；否则，定位结果不可靠。实现跟踪模式下的可靠性判断机制的具体步骤为：

步骤1)：在执行搜索模式时初始化位置序列；

位置序列的长度一般选取5～10个采样点。

步骤2)：进入跟踪模式时，根据位置序列的初始值和时间间隔T估计当前时刻的位置并与跟踪模式下滤波的位置进行比较，如果位置差的绝对值均小于1个网格的误差范围则表示定位结果可靠，否则定位结果不可靠。时间间隔T的选取的准则为：

式中，RES为高程数据库网格分辨率的大小，和分别为东向和北向的加速度计零偏。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述实施例的全部或部分，可以通过程序指令或相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述实施例的步骤；而前述的存储介质包括：移动存储设备、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本发明适用于地形辅助导航系统。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。