一种基于水下地形高程数据库的水下航行器辅助导航定位方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于水下地形高程数据库的水下航行器辅助导航定位方法，其主要目的在于解决水下航行器长时间航行时由于惯性导航定位系统的误差会随着时间的积累逐渐增大的固有缺陷以至于不能满足航行器长时间精确导航定位需要的问题。本发明的主要步骤包括：主惯导系统指示航迹序列和实测高程序列的获取、匹配定位预处理、一级匹配定位、二级匹配定位以及修正过程。本发明可以解决水下航行器长时间航行所带来的初始位置误差过大致使匹配失败问题以及匹配过程中由于惯性器件的误差所引起的匹配误差问题，从而修正主惯导系统，提高导航定位精度。
【专利说明】一种基于水下地形高程数据库的水下航行器辅助导航定位方法【技术领域】
[0001]本发明涉及水下导航【技术领域】，具体地说是设计ー种能够满足水下潜器长时间航行要求的导航方法。
【背景技术】
[0002]水下航行器在未来的军用和民用领域都日显其重要性，因而成为了世界军事和科技強国重点发展的领域。水下航行器要求具备高度的隐蔽性，能保持长时间的精确航行，而实现这一要求的关键技术之ー是其导航技木。水下航行器的导航方式有别于陆路，GPS、无线电、天文导航等导航方式不能满足水下航行器隐蔽性的要求。惯性导航因其具有自主性、隐蔽性等优点，成为了水下潜器导航手段的首选。但惯性导航有固有的缺陷，惯性导航定位系统的误差会随着时间的积累逐渐增大以至于发散，因而在惯性导航定位系统运行一段时间后必须采用外来信息对惯性导航定位系统进行修正。随着导航技术特别是无源导航技术的发展，应用地形、重力、地磁等信息来辅助惯性导航为水下器导航研究的提供了一种新途径。由于地形高程信息測量较为方便，且陆路上的地形匹配技术已应用于实际，可为水下地形匹配导航提供借鉴，因而应用地形高程信息来辅助水下航行器的导航具备可行性。
【发明内容】
[0003]发明目的：本发明提供一种基于水下地形高程数据库的能够实现长时间高精度导航定位的水下航行器辅助导航定位方法。
[0004]本发明的技术方案具体如下：
[0005]一种基于水下地形高程数据库的水下航行器辅助导航定位方法，其特征为：
[0006]步骤I :获取主惯导系统指示航迹序列和实测高程序列
[0007]当水下航行器驶入匹配区时，在主惯性导航系统INS的导航下航行一段距离，与此同时每隔ー个时间段Times，Times的典型值为10分钟，通过航行器的高程測量装置測量
高程，由此得到惯性导航系统给出的ー个惯导系统指示航迹序列
【权利要求】
1.一种基于水下地形高程数据库的水下航行器辅助导航定位方法，其特征为: 步骤1:获取主惯导系统指示航迹序列和实测高程序列 当水下航行器驶入匹配区时，在主惯性导航系统INS的导航下航行一段距离，与此同时每隔一个时间段Times，Times的典型值为10分钟，通过航行器的高程测量装置测量高
(Latip '程，由此得到惯性导航系统给出的一个惯导系统指示航迹序列6= , ，i=l,2-N, N
I Longtif' ^代表序列点的个数，取值为20，代表惯导系统指示航迹序列Pi的纬度，代表惯导系统指示航迹序列Pi的经度，和一个由高程测量装置给出的对应于惯导系统指示航迹序列Pi的实测高程序列Di, i=l，2…N，考虑高程测量装置的误差可得:
Di = D- + f, i 二\,2…N 其中?表示理想高程序列，Y表示高程测量装置的测量噪声序列，服从均值为O标准差为I的正态分布。 步骤2:匹配定位预处理 在加载地形高程数据库中，选择以惯导系统指示航迹序列Pi为中心、以惯性导航系统6倍误差为边长的区域，将此区域的高程数据存入一个预处理二维矩阵，预处理二维矩阵行标为row, I ( row ( rowmax, rowmax为所述区域行标的最大值,预处理二维矩阵列标为col,I ^ col ^ COlfflax, COlfflax为所述区域列标的最大值，矩阵中的值存为储高程数据；所述区域的起始纬度为Iatici,起始经度为1ngtici,矩阵行列交点row, col处的经度、纬度分别为:Iati0+ (row-1) Xgrid, 1ngti0+(col-1) X grid, grid为地形数据库中相邻高程数据的位置间距，考虑地形高程数据库建库时测量和量化所产生的误差可得:
DB (ro w, col) = DB (ron% col ) + η 其中IOW为预处理二维矩阵的行标，COl为预处理二维矩阵的列标，DB (row, col)表示预处理二维矩阵中行标为row、列标为col的高程数据表示对应于DB(row,col)的理想高程数据，η表示地形高程数据库建库时的测量和量化噪声，服从均值为O标准差为I的正态分布； 将实测高程序列Di和在DB (row, col)中所提取的高程序列作相关运算，所述的相关运算采用均方差MSD算法，使用去均值后的数据进行相关运算:
N
Ra I (row, col) = ^ [ DB (row, eol) - DBA(ra\\\€ol)~~~ Di + DAf
I=I 其中，Ral (row，col)表示MSD相关运算的结果，DB (row，col)表示惯导系统指示航迹Pi平移至预处理二维矩阵 row，col 对应位置 lati。+(row-1) X grid, 1ngti0+(col-1) X grid处高程数据序列，DBA (raw，col)为DB (row，col)中所提取的高程序列的均值，Di表示实测1?程序列，DA表不实测序列的均值； 运算结束后，取得使Ral (row, col)最小的row，col，则将惯导系统指示航迹Pi平移至预处理二维矩阵 row，col 对应位置 lati。+(row-1) Xgrid, 1ngti0+(col-1) Xgrid，得到预(Laiip-、处理位置序列为Zf= ,: ，r.表示得到预处理位置序列P' ±的纬度、，表示得
[LangnirJ LctnrfLongttp-到预处理位置序列p' i的经度； 步骤3:—级匹配定位 将地形高程数据库中以预处理位置序列P' 中心，以惯性导航系统3倍误差为边长的一级匹配区域内的高程数据存入一个ー级匹配二维矩阵，并利用双线性插值算法在该ー级匹配区域提取高程为实测高程Di的ー级等高线Ci ； 步骤3.1: 惯导系统给出的航向误差为VINS ,纬度和经度误差分别为tINSlati和tINSlmgti，分别在-3 VINS ~3 V ins ? —3tINSlati ~3tINSlati，一3tINSlongti ~3tINSlongti 沮围内分力1 J 随机取个航向误差、一个纬度和ー个经度且值分别为: ^ INSrand? ^INSlatirand? ^INSlongtirand ;对预处理位置序列P' i作ー级随机旋转和一级随机平移变换，得到ー级随机旋转和平移位置序列P' iand:
2.根据权利要求1所述的一种基于水下地形高程数据库的水下航行器辅助导航定位方法，惯性导航系统位置误差量的估计采用如下方法:步骤5.1:建立惯性导航系统状态方程，选取东北天坐标系Oenu作为导航坐标系，其中OE为东向轴，ON为北向轴，OU表示天向轴，载体坐标系Oxyz，其中Ox轴沿航行器横轴指向右舷，Oy轴沿航行器纵轴指向前，Oz轴垂直于Ox与Oy轴所确定的平面构成右手坐标系，选取状态向量Xins为：
【文档编号】G01C25/00GK103542851SQ201310537377
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2013年11月4日 优先权日:2013年11月4日
【发明者】徐晓苏, 吴剑飞, 李佩娟, 徐胜保, 豆嫚 申请人:东南大学