水下重力輔助導航定位方法研究.pdf

1、重力輔助導航是潛艇等水下潛器校正慣性導航系統(tǒng)(Inertial Navigation System，INS)隨時間積累誤差的有效手段。不同于衛(wèi)星/無線電導航及地形輔助導航，重力輔助導航依靠重力測量的無源性，在限制INS誤差增長的同時，保證水下潛器航行的隱蔽性及導航定位的可靠性，因此該導航方法具有很高的軍用價值。重力輔助導航系統(tǒng)由INS、重力測量儀器、重力基準圖、匹配定位算法四個模塊組成，各模塊的性能優(yōu)劣及相互作用均影響系統(tǒng)的工作性能。本

2、文結(jié)合水下潛器及地球重力場特點，圍繞重力輔助導航系統(tǒng)各組成模塊展開研究。
　　論文闡述INS在重力輔助導航系統(tǒng)中的基準作用；研究重力測量儀器的誤差產(chǎn)生因素及處理方法；研究克里格、改進的Shepard、徑向基函數(shù)以及格林函數(shù)樣條等重力場插值算法。針對基準圖高頻區(qū)域插值誤差較大的問題，提出由小波分析根據(jù)已知基準圖確定重點測量區(qū)域，由隨機采樣策略在重點區(qū)域增加測點以降低插值誤差的方法。實驗結(jié)果表明，該方法可有效提高基準圖插值精度，且增加

3、的測點數(shù)較少，誤差極值較小，效率較高。
　　重力輔助導航以慣性導航系統(tǒng)為基礎，INS的定位精度直接影響匹配算法的性能。論文從匹配算法原理入手，研究幾種經(jīng)典的相關匹配及遞推濾波匹配算法與INS精度間的相關性，指出INS精度的提高對不同匹配算法的有利程度不同，導致算法間的優(yōu)劣關系變化。由中等精度至高精度漸變的3種INS匹配仿真實驗驗證了研究的正確性，并得出不同精度INS的匹配算法適用性準則。提出相關極值匹配及遞推濾波匹配算法的精度提升

4、的策略，該策略利用相關值標準差及濾波匹配誤差估計下界結(jié)合特定標準判斷匹配效果優(yōu)劣，決定匹配信息的取舍，并由仿真實驗驗證了策略的有效性。
　　在定義重力場局部特征參數(shù)基礎上，提出一種基于骨架提取的局部區(qū)域?qū)Ш叫苑治龇椒?。該方法由重力場特征參?shù)閾值初步選定適配區(qū)域，利用快速歐式距離場算法和骨架提取及簡化方法提取適配區(qū)域簡化骨架點；由骨架點及其在距離場中的距離值將適配區(qū)域劃分為不同的局部區(qū)域；統(tǒng)計各區(qū)域的重力場變化及等值線方向變化，明確

5、區(qū)域的導航性優(yōu)劣以及更利于匹配的航向。在不同特征局部區(qū)域的匹配實驗結(jié)果驗證了導航性分析方法的有效性，并得出由區(qū)域重力場坡向粗糙度及標準差，判斷利于匹配的載體航向的經(jīng)驗性準則。
　　以重力梯度為背景，提出可用于大位置誤差匹配的改進相關匹配算法，該算法以連續(xù)的多段INS短時航跡為基準，通過路徑權值及最短路徑方法得到最終匹配航跡，降低 INS累積誤差對匹配定位的影響。提出由STUPF(Strong Trace Unscent Parti

6、cle Filter)算法處理小位置誤差的匹配問題，降低重力梯度的非線性特征及濾波系統(tǒng)模型誤差對匹配的影響。將濾波系統(tǒng)分為線性與非線性部分，引入STU_RBPF(STU Rao-Blackwellized PF)線性/非線性混合濾波算法進一步提高 STUPF的匹配精度，并由匹配實驗結(jié)果驗證了STU_RBPF的優(yōu)越性。此外，由匹配實驗結(jié)果可知：即使對于中等精度的INS，重力梯度匹配效果仍優(yōu)于高精度INS的重力匹配，驗證了重力梯度相對絕對重