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原文传递稳健水下地磁匹配导航关键技术研究

论文题名：	稳健水下地磁匹配导航关键技术研究
关键词：	水下潜航器;导航系统;地磁匹配;定位精度
摘要：	近年来，随着世界各国不断加强对海洋资源的开发，相关科学研究和军事活动日益增多，对水下潜航器相关方面的研究也得到了快速发展。由于使用环境的特殊性，以潜艇为代表的水下潜航器对长航时、高精度的自主无源导航技术要求较高。惯性导航系统由于具有无源、自主的特性，是水下潜航器使用最多的导航系统之一，但是其系统误差随时间累积的特点也影响了定位的精度。为了提高惯性导航系统的稳定性和准确性，必须借助其他导航手段及时修正累积误差。由于地磁导航具有全天候、无源、隐蔽性高、全地域等优点，可以和惯性导航系统组合使用，修正惯性导航系统误差，提高导航定位的精度，成为了目前研究的一个热点。　　地磁导航作为一种新型的导航方式，受到一些客观条件的限制，应用于实际的导航还存在不少困难，国际上仅有少数国家研发了地磁导航系统并进行了实际应用测试。我国对地磁导航的研究起步较晚，还有许多关键技术问题需要解决。水下环境复杂、多变，对水下地磁匹配导航系统的可靠性要求更高。为提高系统的稳健性，本文在分析国内外相关技术研究进展的基础上，对水下地磁匹配导航中一些关键技术进行了研究，主要内容如下：　　(1)地磁数据测量及处理　　获取高质量的地磁测量数据直接关系到地磁背景场的构建精度、匹配区域适配性的分析及匹配算法的性能。分析了地磁匹配特征量的选择问题，由于水下环境的特殊性，一般选择具有易测量、测量精度高、包含信息量大、对磁场变化影响不敏感等优点的地磁场总强度作为匹配特征量；介绍了地磁数据的测量和处理，给出了实际中地磁数据处理流程及常用方法。在获得精确地磁数据的基础上，对地磁背景场构建、地磁匹配算法和地磁图适配性进行了研究。　　(2)基于支持向量机优化的克里金法构建局域地磁图　　为了构建高精度的局域地磁图，在简要分析阐述常见地磁图构建方法的基础上，重点研究了基于克里金插值法的局域地磁图构建方法。在克里金插值方法中，如何选择合适的变异函数模型关系到插值的精度。针对常规克里金法中变异函数模型选取主观性大的问题，利用支持向量机对其进行了优化，从已知样本数据点的空间变换趋势出发，利用最小二乘支持向量机拟合出实验变异函数。这种方法可根据不同的空间样本数据进行变异函数的自适应拟合，克服了常规克里金法中变异函数模型选择的主观性，从而提高了插值精度，确保了局域地磁图构建的准确性，为稳健的地磁匹配导航奠定了基础。　　(3)融合仿射变换的ICCP算法　　迭代最近等值点（Iterative Closest Contour Point，ICCP）算法是水下地磁辅助惯性导航系统中常用的一种匹配算法。在实际应用中，ICCP算法只能进行包含旋转和平移变换的刚性变换。当存在尺度误差时，ICCP算法的精度和稳定性都会受到影响。为了解决这个问题，在研究ICCP算法和仿射变换原理的基础上，考虑到仿射变换不仅能求解旋转、平移变换，还能求解尺度(缩放)变换，因此将仿射变换和ICCP算法结合，从而克服了ICCP算法在有尺度误差时易出现误匹配的问题，提高了算法的稳健性。仿真试验验证了改进算法的性能。　　(4)匹配区域适配性分析。　　匹配区域适配性分析是地磁辅助惯性导航系统中关键技术之一。通过匹配区域适配性分析，可以选择特征变化明显、信息丰富的区域作为匹配区域，从而可以有效提高导航的实时性和精确度。基于多属性决策分析思想，结合主成分分析法和层次分析法，给出了匹配区域适配性综合评价模型。首先，根据匹配区域地磁特征参数，利用主成分分析法和层次分析法确定匹配区域关键特征参数及相应的权重；然后根据模型计算出各个匹配区域的综合评价值。综合评价值越大，适配性越好。试验验证了综合评价模型的有效性，确保了匹配算法的匹配效果，提高了地磁辅助惯导系统的稳健性。　　在上述研究基础上，在渤海湾某海域进行了地磁辅助惯性导航系统的综合仿真试验。试验取得了预期的效果，验证了通过匹配区域适配性分析能有效改善算法匹配效果，减少误匹配的发生；ICCP改进算法能有效提高匹配的可靠性及精度，从而进一步提高了整个导航系统的稳健性。
作者：	杨乐
专业：	机械电子工程
导师：	张红梅
授予学位：	博士
授予学位单位：	武汉大学
学位年度：	2019