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原文传递水下重力辅助导航定位方法研究

论文题名：	水下重力辅助导航定位方法研究
关键词：	水下潜器;重力辅助导航;基准图插值;重力匹配定位;地球重力场
摘要：	重力辅助导航是潜艇等水下潜器校正惯性导航系统(Inertial Navigation System，INS)随时间积累误差的有效手段。不同于卫星/无线电导航及地形辅助导航，重力辅助导航依靠重力测量的无源性，在限制INS误差增长的同时，保证水下潜器航行的隐蔽性及导航定位的可靠性，因此该导航方法具有很高的军用价值。重力辅助导航系统由INS、重力测量仪器、重力基准图、匹配定位算法四个模块组成，各模块的性能优劣及相互作用均影响系统的工作性能。本文结合水下潜器及地球重力场特点，围绕重力辅助导航系统各组成模块展开研究。　　论文阐述INS在重力辅助导航系统中的基准作用；研究重力测量仪器的误差产生因素及处理方法；研究克里格、改进的Shepard、径向基函数以及格林函数样条等重力场插值算法。针对基准图高频区域插值误差较大的问题，提出由小波分析根据已知基准图确定重点测量区域，由随机采样策略在重点区域增加测点以降低插值误差的方法。实验结果表明，该方法可有效提高基准图插值精度，且增加的测点数较少，误差极值较小，效率较高。　　重力辅助导航以惯性导航系统为基础，INS的定位精度直接影响匹配算法的性能。论文从匹配算法原理入手，研究几种经典的相关匹配及递推滤波匹配算法与INS精度间的相关性，指出INS精度的提高对不同匹配算法的有利程度不同，导致算法间的优劣关系变化。由中等精度至高精度渐变的3种INS匹配仿真实验验证了研究的正确性，并得出不同精度INS的匹配算法适用性准则。提出相关极值匹配及递推滤波匹配算法的精度提升的策略，该策略利用相关值标准差及滤波匹配误差估计下界结合特定标准判断匹配效果优劣，决定匹配信息的取舍，并由仿真实验验证了策略的有效性。　　在定义重力场局部特征参数基础上，提出一种基于骨架提取的局部区域导航性分析方法。该方法由重力场特征参数阈值初步选定适配区域，利用快速欧式距离场算法和骨架提取及简化方法提取适配区域简化骨架点；由骨架点及其在距离场中的距离值将适配区域划分为不同的局部区域；统计各区域的重力场变化及等值线方向变化，明确区域的导航性优劣以及更利于匹配的航向。在不同特征局部区域的匹配实验结果验证了导航性分析方法的有效性，并得出由区域重力场坡向粗糙度及标准差，判断利于匹配的载体航向的经验性准则。　　以重力梯度为背景，提出可用于大位置误差匹配的改进相关匹配算法，该算法以连续的多段INS短时航迹为基准，通过路径权值及最短路径方法得到最终匹配航迹，降低 INS累积误差对匹配定位的影响。提出由STUPF(Strong Trace Unscent Particle Filter)算法处理小位置误差的匹配问题，降低重力梯度的非线性特征及滤波系统模型误差对匹配的影响。将滤波系统分为线性与非线性部分，引入STU_RBPF(STU Rao-Blackwellized PF)线性/非线性混合滤波算法进一步提高 STUPF的匹配精度，并由匹配实验结果验证了STU_RBPF的优越性。此外，由匹配实验结果可知：即使对于中等精度的INS，重力梯度匹配效果仍优于高精度INS的重力匹配，验证了重力梯度相对绝对重力在匹配定位上的优越性。
作者：	姚剑奇
专业：	精密仪器及机械
导师：	刘繁明
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文