基于重力和環(huán)境特征的水下導(dǎo)航定位方法研究

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1、哈爾濱工程大學(xué)博士學(xué)位論文基于重力和環(huán)境特征的水下導(dǎo)航定位方法研究姓名：王文晶申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：博士專業(yè)：精密儀器及機(jī)械指導(dǎo)教師：孫楓20090401基于重力和環(huán)境特征的水下導(dǎo)航定位方法研究摘要慣性導(dǎo)航系統(tǒng)可以滿足需要長(zhǎng)期執(zhí)行水下潛航任務(wù)的潛艇及其它水下航行器對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)自主性和隱蔽性方面的要求，但是其精確性卻不盡人意，需要其它輔助導(dǎo)航系統(tǒng)來校正其眾所周知的隨時(shí)間不斷增長(zhǎng)的定位誤差。海洋地球物理導(dǎo)航方法由于具有定位精度高、無需浮出水面等優(yōu)點(diǎn)，恰好可以彌補(bǔ)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在定位精度方面的不足，是潛艇等水下航行器理想的水下輔助導(dǎo)航

2、定位手段。本論文即著重研究基于重力和環(huán)境特征的水下地球物理導(dǎo)航定位方法。鑒于我國(guó)現(xiàn)階段尚沒有實(shí)測(cè)重力梯度數(shù)據(jù)的客觀情況，利用直角矩形棱柱法由海洋地形圖構(gòu)造了重力梯度圖，并根據(jù)兩片真實(shí)海域的地形圖生成了相應(yīng)的梯度圖，作為重力梯度匹配算法研究和測(cè)試的基礎(chǔ)。針對(duì)大部分現(xiàn)有重力匹配算法在慣導(dǎo)位置誤差較大情況下不可用的缺點(diǎn)，在深入研究概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理基礎(chǔ)上，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在分類問題上的優(yōu)勢(shì)，提出基于概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的重力梯度匹配算法，并討論了不同梯度分量組合作為網(wǎng)絡(luò)輸入對(duì)算法匹配成功概率的影響，以解決慣導(dǎo)系統(tǒng)的大位置誤差校正問題。仿

3、真試驗(yàn)證明該梯度匹配算法無需慣導(dǎo)信息即可有效降低導(dǎo)航系統(tǒng)的位置誤差，可用于潛器位置誤差較大的情況下。從重力儀測(cè)量原理入手，深入分析了在正常重力計(jì)算過程中較大的慣導(dǎo)位置誤差會(huì)為匹配導(dǎo)航系統(tǒng)引入數(shù)值上無法忽略的觀測(cè)誤差的機(jī)理，提出將重力儀測(cè)量和重力異常數(shù)據(jù)庫(kù)均轉(zhuǎn)化為重力后再進(jìn)行匹配的策略，從根本上消除了這種觀測(cè)誤差帶來的不利影響。充分利用慣導(dǎo)系統(tǒng)短時(shí)高精度的特點(diǎn)，提出另一種在慣導(dǎo)位置誤差較大情況下適用的基于價(jià)值函數(shù)最優(yōu)化的等值線匹配算法，在先驗(yàn)重力圖上通過搜索、跟蹤和決策過程尋找與慣導(dǎo)航跡形狀最相似的航跡作為匹配航跡。在

4、模擬重力圖和真實(shí)重力圖上進(jìn)行的仿真試驗(yàn)均表明，在正常海況和中等精度慣導(dǎo)情況下，等值線匹配算法即可獲得較高的定位精度，適用于慣導(dǎo)大位置誤差的水下校正。為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)慣導(dǎo)系統(tǒng)的速度、姿態(tài)誤差的校正，在重力匹配導(dǎo)航系統(tǒng)提供的位置校正信息基礎(chǔ)上，以慣導(dǎo)系統(tǒng)誤差模型為系統(tǒng)方程，重力匹配哈爾濱T程人學(xué)博十學(xué)何論文算法提供的位置與慣導(dǎo)輸出位置之間的差值為觀測(cè)量，構(gòu)建了重力／慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)，通過卡爾曼濾波實(shí)現(xiàn)對(duì)慣導(dǎo)位置、速度和姿態(tài)誤差的精確估計(jì)。分析慣導(dǎo)位置航向誤差與陀螺漂移之間的關(guān)系，以重力匹配算法得到的匹配位置為位置重調(diào)值，應(yīng)

5、用三次定位校正法對(duì)陀螺常值漂移進(jìn)行估計(jì)，并通過仿真試驗(yàn)證明了利用重力輔助導(dǎo)航結(jié)果對(duì)陀螺漂移估計(jì)的可行性和有效性。在那些尚未測(cè)繪的或重力變化過于平緩的海區(qū)，重力輔助導(dǎo)航系統(tǒng)將無法工作，此時(shí)可采用基于海洋環(huán)境特征的同步構(gòu)圖定位算法作為重力輔助導(dǎo)航的替代方法，用于降低導(dǎo)航誤差的增長(zhǎng)速度。論文對(duì)同步構(gòu)圖定位算法的基本原理進(jìn)行了深入研究，并針對(duì)水下載體的非線性系統(tǒng)模型，討論了系統(tǒng)的預(yù)測(cè)、觀測(cè)和狀態(tài)擴(kuò)充過程，利用擴(kuò)展卡爾曼濾波技術(shù)對(duì)算法進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。區(qū)域探索和航渡兩組仿真試驗(yàn)的結(jié)果均證明，基于擴(kuò)展卡爾曼濾波的同步構(gòu)圖定位算法可以有

6、效減緩潛艇等水下航行器的誤差增長(zhǎng)速度，提高導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度。針對(duì)現(xiàn)有數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)方法在計(jì)算復(fù)雜度和關(guān)聯(lián)穩(wěn)定性方面的不足，提出了一種改進(jìn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)方法，并利用仿真試驗(yàn)證明了該算法可在較小的計(jì)算復(fù)雜度下獲得良好的關(guān)聯(lián)效果，可作為同步構(gòu)圖定位算法的在線數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)方法使用。關(guān)鍵詞：水下地球物理導(dǎo)航；重力輔助導(dǎo)航；同步構(gòu)圖定位；等值線匹配算法；重力／慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)；數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)IlABSTRACTInertialnavigationsystem(iNs)canmeettherequirementsofautonomousandcove

7、rtnavigationsystemforsubmarinesandotherunderwaterve_mclesoverlongperiodsinbluewaterwithoutexposure，however,theprecisionofINSisnotsatisfactoryduetoitswell-knownell'Orswhichincreasewithtime．Asaresult,otheraidingnavigationsystemsareneededtocorrectsucherrors．Duetot

8、hecharacteristicsofhighprecisionandnoneedtosurface，themarinegeophysicalnavigationcouldmakeupfort11eaforementionedINSdeficienciesinpositioningprecision，thusistheidealunderwat