一種基于水下地形高程數(shù)據(jù)庫的水下航行器輔助導航定位方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于水下地形高程數(shù)據(jù)庫的水下航行器輔助導航定位方法，其主要目的在于解決水下航行器長時間航行時由于慣性導航定位系統(tǒng)的誤差會隨著時間的積累逐漸增大的固有缺陷以至于不能滿足航行器長時間精確導航定位需要的問題。本發(fā)明的主要步驟包括：主慣導系統(tǒng)指示航跡序列和實測高程序列的獲取、匹配定位預處理、一級匹配定位、二級匹配定位以及修正過程。本發(fā)明可以解決水下航行器長時間航行所帶來的初始位置誤差過大致使匹配失敗問題以及匹配過程中由于慣性器件的誤差所引起的匹配誤差問題，從而修正主慣導系統(tǒng)，提高導航定位精度。
【專利說明】一種基于水下地形高程數(shù)據(jù)庫的水下航行器輔助導航定位方法【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及水下導航【技術領域】，具體地說是設計ー種能夠滿足水下潛器長時間航行要求的導航方法。
【背景技術】
[0002]水下航行器在未來的軍用和民用領域都日顯其重要性，因而成為了世界軍事和科技強國重點發(fā)展的領域。水下航行器要求具備高度的隱蔽性，能保持長時間的精確航行，而實現(xiàn)這一要求的關鍵技術之ー是其導航技木。水下航行器的導航方式有別于陸路，GPS、無線電、天文導航等導航方式不能滿足水下航行器隱蔽性的要求。慣性導航因其具有自主性、隱蔽性等優(yōu)點，成為了水下潛器導航手段的首選。但慣性導航有固有的缺陷，慣性導航定位系統(tǒng)的誤差會隨著時間的積累逐漸增大以至于發(fā)散，因而在慣性導航定位系統(tǒng)運行一段時間后必須采用外來信息對慣性導航定位系統(tǒng)進行修正。隨著導航技術特別是無源導航技術的發(fā)展，應用地形、重力、地磁等信息來輔助慣性導航為水下器導航研究的提供了一種新途徑。由于地形高程信息測量較為方便，且陸路上的地形匹配技術已應用于實際，可為水下地形匹配導航提供借鑒，因而應用地形高程信息來輔助水下航行器的導航具備可行性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]發(fā)明目的：本發(fā)明提供一種基于水下地形高程數(shù)據(jù)庫的能夠?qū)崿F(xiàn)長時間高精度導航定位的水下航行器輔助導航定位方法。
[0004]本發(fā)明的技術方案具體如下：
[0005]一種基于水下地形高程數(shù)據(jù)庫的水下航行器輔助導航定位方法，其特征為：
[0006]步驟I :獲取主慣導系統(tǒng)指示航跡序列和實測高程序列
[0007]當水下航行器駛?cè)肫ヅ鋮^(qū)時，在主慣性導航系統(tǒng)INS的導航下航行一段距離，與此同時每隔ー個時間段Times，Times的典型值為10分鐘，通過航行器的高程測量裝置測量
高程，由此得到慣性導航系統(tǒng)給出的ー個慣導系統(tǒng)指示航跡序列
【權利要求】
1.一種基于水下地形高程數(shù)據(jù)庫的水下航行器輔助導航定位方法，其特征為: 步驟1:獲取主慣導系統(tǒng)指示航跡序列和實測高程序列 當水下航行器駛?cè)肫ヅ鋮^(qū)時，在主慣性導航系統(tǒng)INS的導航下航行一段距離，與此同時每隔一個時間段Times，Times的典型值為10分鐘，通過航行器的高程測量裝置測量高



(Latip '程，由此得到慣性導航系統(tǒng)給出的一個慣導系統(tǒng)指示航跡序列6= , ，i=l,2-N, N





I Longtif' ^代表序列點的個數(shù)，取值為20，代表慣導系統(tǒng)指示航跡序列Pi的緯度，代表慣導系統(tǒng)指示航跡序列Pi的經(jīng)度，和一個由高程測量裝置給出的對應于慣導系統(tǒng)指示航跡序列Pi的實測高程序列Di, i=l，2…N，考慮高程測量裝置的誤差可得:
Di = D- + f, i 二\,2…N 其中?表示理想高程序列，Y表示高程測量裝置的測量噪聲序列，服從均值為O標準差為I的正態(tài)分布。 步驟2:匹配定位預處理 在加載地形高程數(shù)據(jù)庫中，選擇以慣導系統(tǒng)指示航跡序列Pi為中心、以慣性導航系統(tǒng)6倍誤差為邊長的區(qū)域，將此區(qū)域的高程數(shù)據(jù)存入一個預處理二維矩陣，預處理二維矩陣行標為row, I ( row ( rowmax, rowmax為所述區(qū)域行標的最大值,預處理二維矩陣列標為col,I ^ col ^ COlfflax, COlfflax為所述區(qū)域列標的最大值，矩陣中的值存為儲高程數(shù)據(jù)；所述區(qū)域的起始緯度為Iatici,起始經(jīng)度為1ngtici,矩陣行列交點row, col處的經(jīng)度、緯度分別為:Iati0+ (row-1) Xgrid, 1ngti0+(col-1) X grid, grid為地形數(shù)據(jù)庫中相鄰高程數(shù)據(jù)的位置間距，考慮地形高程數(shù)據(jù)庫建庫時測量和量化所產(chǎn)生的誤差可得:
DB (ro w, col) = DB (ron% col ) + η 其中IOW為預處理二維矩陣的行標，COl為預處理二維矩陣的列標，DB (row, col)表示預處理二維矩陣中行標為row、列標為col的高程數(shù)據(jù)表示對應于DB(row,col)的理想高程數(shù)據(jù)，η表示地形高程數(shù)據(jù)庫建庫時的測量和量化噪聲，服從均值為O標準差為I的正態(tài)分布； 將實測高程序列Di和在DB (row, col)中所提取的高程序列作相關運算，所述的相關運算采用均方差MSD算法，使用去均值后的數(shù)據(jù)進行相關運算:

N
Ra I (row, col) = ^ [ DB (row, eol) - DBA(ra\\\€ol)~~~ Di + DAf

I=I 其中，Ral (row，col)表示MSD相關運算的結(jié)果，DB (row，col)表示慣導系統(tǒng)指示航跡Pi平移至預處理二維矩陣 row，col 對應位置 lati。+(row-1) X grid, 1ngti0+(col-1) X grid處高程數(shù)據(jù)序列，DBA (raw，col)為DB (row，col)中所提取的高程序列的均值，Di表示實測1?程序列，DA表不實測序列的均值； 運算結(jié)束后，取得使Ral (row, col)最小的row，col，則將慣導系統(tǒng)指示航跡Pi平移至預處理二維矩陣 row，col 對應位置 lati。+(row-1) Xgrid, 1ngti0+(col-1) Xgrid，得到預(Laiip-、處理位置序列為Zf= ,: ，r.表示得到預處理位置序列P' ±的緯度、，表示得
[LangnirJ LctnrfLongttp-到預處理位置序列p' i的經(jīng)度； 步驟3:—級匹配定位 將地形高程數(shù)據(jù)庫中以預處理位置序列P' 中心，以慣性導航系統(tǒng)3倍誤差為邊長的一級匹配區(qū)域內(nèi)的高程數(shù)據(jù)存入一個ー級匹配二維矩陣，并利用雙線性插值算法在該ー級匹配區(qū)域提取高程為實測高程Di的ー級等高線Ci ； 步驟3.1: 慣導系統(tǒng)給出的航向誤差為VINS ,緯度和經(jīng)度誤差分別為tINSlati和tINSlmgti，分別在-3 VINS ~3 V ins ? —3tINSlati ~3tINSlati，一3tINSlongti ~3tINSlongti 沮圍內(nèi)分力1 J 隨機取個航向誤差、一個緯度和ー個經(jīng)度且值分別為: ^ INSrand? ^INSlatirand? ^INSlongtirand ;對預處理位置序列P' i作ー級隨機旋轉(zhuǎn)和一級隨機平移變換，得到ー級隨機旋轉(zhuǎn)和平移位置序列P' iand:
2.根據(jù)權利要求1所述的一種基于水下地形高程數(shù)據(jù)庫的水下航行器輔助導航定位方法，慣性導航系統(tǒng)位置誤差量的估計采用如下方法:步驟5.1:建立慣性導航系統(tǒng)狀態(tài)方程，選取東北天坐標系Oenu作為導航坐標系，其中OE為東向軸，ON為北向軸，OU表示天向軸，載體坐標系Oxyz，其中Ox軸沿航行器橫軸指向右舷，Oy軸沿航行器縱軸指向前，Oz軸垂直于Ox與Oy軸所確定的平面構成右手坐標系，選取狀態(tài)向量Xins為：
【文檔編號】G01C25/00GK103542851SQ201310537377
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年11月4日 優(yōu)先權日:2013年11月4日
【發(fā)明者】徐曉蘇, 吳劍飛, 李佩娟, 徐勝保, 豆嫚 申請人:東南大學