水下重力輔助導(dǎo)航定位方法研究.pdf

1、重力輔助導(dǎo)航是潛艇等水下潛器校正慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(Inertial Navigation System，INS)隨時(shí)間積累誤差的有效手段。不同于衛(wèi)星/無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航及地形輔助導(dǎo)航，重力輔助導(dǎo)航依靠重力測(cè)量的無(wú)源性，在限制INS誤差增長(zhǎng)的同時(shí)，保證水下潛器航行的隱蔽性及導(dǎo)航定位的可靠性，因此該導(dǎo)航方法具有很高的軍用價(jià)值。重力輔助導(dǎo)航系統(tǒng)由INS、重力測(cè)量?jī)x器、重力基準(zhǔn)圖、匹配定位算法四個(gè)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(chǎng)特點(diǎn)，圍繞重力輔助導(dǎo)航系統(tǒng)各組成模塊展開(kāi)研究。
　　論文闡述INS在重力輔助導(dǎo)航系統(tǒng)中的基準(zhǔn)作用；研究重力測(cè)量?jī)x器的誤差產(chǎn)生因素及處理方法；研究克里格、改進(jìn)的Shepard、徑向基函數(shù)以及格林函數(shù)樣條等重力場(chǎng)插值算法。針對(duì)基準(zhǔn)圖高頻區(qū)域插值誤差較大的問(wèn)題，提出由小波分析根據(jù)已知基準(zhǔn)圖確定重點(diǎn)測(cè)量區(qū)域，由隨機(jī)采樣策略在重點(diǎn)區(qū)域增加測(cè)點(diǎn)以降低插值誤差的方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可有效提高基準(zhǔn)圖插值精度，且增加

3、的測(cè)點(diǎn)數(shù)較少，誤差極值較小，效率較高。
　　重力輔助導(dǎo)航以慣性導(dǎo)航系統(tǒng)為基礎(chǔ)，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(guān)匹配及遞推濾波匹配算法與INS精度間的相關(guān)性，指出INS精度的提高對(duì)不同匹配算法的有利程度不同，導(dǎo)致算法間的優(yōu)劣關(guān)系變化。由中等精度至高精度漸變的3種INS匹配仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(zhǔn)則。提出相關(guān)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(guān)值標(biāo)準(zhǔn)差及濾波匹配誤差估計(jì)下界結(jié)合特定標(biāo)準(zhǔn)判斷匹配效果優(yōu)劣，決定匹配信息的取舍，并由仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了策略的有效性。
　　在定義重力場(chǎng)局部特征參數(shù)基礎(chǔ)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?chǎng)特征參數(shù)閾值初步選定適配區(qū)域，利用快速歐式距離場(chǎng)算法和骨架提取及簡(jiǎn)化方法提取適配區(qū)域簡(jiǎn)化骨架點(diǎn)；由骨架點(diǎn)及其在距離場(chǎng)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(jì)各區(qū)域的重力場(chǎng)變化及等值線(xiàn)方向變化，明確

5、區(qū)域的導(dǎo)航性?xún)?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(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了導(dǎo)航性分析方法的有效性，并得出由區(qū)域重力場(chǎng)坡向粗糙度及標(biāo)準(zhǔn)差，判斷利于匹配的載體航向的經(jīng)驗(yàn)性準(zhǔn)則。
　　以重力梯度為背景，提出可用于大位置誤差匹配的改進(jìn)相關(guān)匹配算法，該算法以連續(xù)的多段INS短時(shí)航跡為基準(zhǔn)，通過(guò)路徑權(quán)值及最短路徑方法得到最終匹配航跡，降低 INS累積誤差對(duì)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(wèn)題，降低重力梯度的非線(xiàn)性特征及濾波系統(tǒng)模型誤差對(duì)匹配的影響。將濾波系統(tǒng)分為線(xiàn)性與非線(xiàn)性部分，引入STU_RBPF(STU Rao-Blackwellized PF)線(xiàn)性/非線(xiàn)性混合濾波算法進(jìn)一步提高 STUPF的匹配精度，并由匹配實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了STU_RBPF的優(yōu)越性。此外，由匹配實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：即使對(duì)于中等精度的INS，重力梯度匹配效果仍?xún)?yōu)于高精度INS的重力匹配，驗(yàn)證了重力梯度相對(duì)絕對(duì)重