区域重力异常辅助导航定位的统计分析

海洋区域的重力异常变化非常复杂,在利用重力异常数据进行水下载体的辅助导航的仿真中,有些航线我们可以得到较好的匹配结果,有些航线因为辅助区域的重力异常变化较小而不能提供较好辅助定位.利用区域内均匀分布的航线进行多航线的统计分析,可以给出比较客观的区域匹配结果.本文探讨了重力异常辅助惯性导航的相关技术,利用2'×2'的卫星测高重力异常数据,在纬度25°～130°,经度130°～135°的范围对SITAN算法的区域导航能力进行了统计分析.多条航线的统计结果表明,利用SITAN算法进行的重力异常辅助导航可以满足重力辅助导航要求.     

基于重力场特征参数信息熵的适配区选择方法

针对当前重力统计特征参数类别繁多,选择标准复杂而导致错选有效匹配区域的问题,利用信息熵具有能够整合多种统计参数且算法计算量小的特点,提出了一种基于特征参数信息熵的重力辅助导航适配区的选择方法。首先,在DTU10模型下将该方法与传统单一特征参数的方法进行比较,确定了传统方法的确会错误选择可匹配区,从而也反映了所提出方法的优越性;其次,在该方法划分出的匹配区和非匹配区中分别设计了8条仿真航线,匹配区中仿真航线的匹配效果明显优于非匹配区中的匹配效果。仿真结果表明了该方法的有效性。     

基于层次分析法的重力匹配区域选择准则

重力辅助导航在数字重力图的不同区域,其匹配效果各不相同。为了评价数字重力图各区域的重力匹配效果,给路径规划提供可靠的依据,在对地球重力场的各种特征参数进行归一化处理并且分类统计分析的基础上,运用层次分析法将重力场的局部标准差、经度方向粗糙度、纬度方向粗糙度、经度方向坡度、相关系数进行组合,给出一种新的重力匹配区域选择准则,依据此准则将数字重力图划分为重力匹配的适配区和非适配区。在数字重力图上采用均方差(MAD)和平均绝对差(MSD)算法进行重力辅助导航的重力匹配仿真计算和比较,仿真结果表明,适配区域的匹配导航效果明显优于非适配区域,定位误差小于一个重力格网。     

重力匹配导航要素影响机理建模与试验验证

从重力匹配导航应用要求出发,研究了重力信息误差组成、特性与重力场分布特点,提出了匹配影响要素平衡关系以及匹配定位误差数学模型。选取典型重力特征区域,仿真验证了匹配要素对定位误差的影响关系模型。实船匹配导航试验数据和单项要素误差影响仿真表明,15条航迹船载重力匹配定位精度与模型预测结果符合,重力仪和惯导误差单一要素对匹配误差的贡献度基本相当,验证了重力匹配导航系统配置的合理性以及重力匹配误差模型的有效性。为重力匹配导航的应用奠定了理论和试验基础。     

重力辅助导航匹配区域选择准则

通过在重力场区域中移动局部计算窗口的方法,计算了实测重力场各个局部的多种统计特征并使用填色等值线图进行了对比和分析,以局部重力场的标准差和经纬度方向相关系数作为匹配区域选择的数量指标,给出了重力匹配区经验选择准则。采用均方误差和平均绝对差算法在实测重力图上对重力辅助惯性导航系统进行了仿真研究,计算结果表明,在满足重力匹配区选择准则下进行的重力辅助导航,其导航系统定位误差小于一个重力图网格,匹配率大于90%。     

基于空间分布的重力场持续适配能力评估方法

重力匹配导航需要在重力场特征丰富的区域进行,现有的重力场适配性评估方法多针对单条测线或局部区域,未考虑到重力特征的空间分布。为了评估重力场持续适配能力,提出了将重力场适配半径作为评估重力场特征区域空间适配性能指标参数。从适配半径定义出发,阐述了其物理意义内涵,证明了其与匹配测线覆盖全区域的最小辐射半径的关系,并根据适配半径不同分布形态,推导了具体计算方法。适配性评估实例表明,中国南海重力场适配半径为95 n mile,说明重力匹配导航技术在南海范围具有较好适用性。适配半径直接反映了特征区域提供持续重力匹配导航的能力,可作为重力匹配导航系统工程应用重力场持续适配能力评估和航迹规划的依据。     

航行过程中实时校正的重力匹配算法

由于传统重力匹配定位通常受限于特定区域,无法对惯性导航系统（INS）实现连续校正,在应用重力匹配进行辅助导航时需要周期性前往重力特征适配区进行匹配校正。针对非适配区域内匹配精度无法判定的缺陷,提出一种航行过程中实时校正的重力匹配算法。计算载体实测重力序列与匹配输出位置在相对重力图上映射序列的差,取重力差序列的方差判断匹配输出的权重值,从而有效利用全航域的适配航段。根据重力差序列的方差与匹配精度的关系建立回归模型,将可信的重力匹配输出引入INS进行误差校正。利用实船数据进行了仿真验证,仿真结果表明所提算法在400 h的连续航行期间对INS位置误差的抑制达到30%以上,位置误差在全过程没有明显发散趋势,具有更好的适用性。     

基于A~*算法的重力辅助导航航迹规划

根据重力辅助导航航迹规划的特点,对经典A*算法启发函数进行了修改,改进A*算法通过重力坡度值表示重力导航启发信息,使用自适应确定对应阈值,增加预处理步骤以解决任意起始点和终止点的航迹规划问题。A*航迹规划算法能够根据重力信息分布情况调整航迹,使得规划的航迹重力导航信息更加丰富。重力相关匹配结果表明:跟随改进A*算法航迹的导航平均定位误差比跟随未规划航迹的小,改进A*航迹规划算法能够提高重力辅助惯性导航精度。     

重力/惯性匹配导航系统的仿真研究

分析了水下多种导航方式，提出了一种新的组合导航方式，即重力／惯性组合导航系统。介绍了它的研究背景和工作原理，并通过可视化仿真的方法模拟了整个导航过程。结果表明：重力匹配可以限制惯性导航系统的误差增长，实现长期水下高精度定位。     

基于ICCP算法及其推广的重力定位

基于ICCP算法的重力匹配定位可以用于限制推算定位随航行时间增长的位置误差。给出了ICCP算法的设计思想,同时针对算法的假设前提进行了推广,使算法能够在考虑重力传感器测量数据存在误差的情况下,实现推位航法的误差校正。仿真结果证明这种推广具有较好的定位精度,能够满足AUV的导航要求,对实现AUV的自主无源导航有重要意义。     

一种新的实时相关极值匹配算法设计与仿真

对传统相关极值匹配算法局限性进行了分析,并利用二维高斯样条函数张量积方法对局部重力异常离散格网基准图进行逼近以获取该局部基准图的连续解析表达式,在此基础上对相关极值匹配算法进行重新建模并采用拟牛顿BFGS非线性寻优方法对该模型进行解算。考虑到相关极值算法存在实时性差的缺点,采用固定初始序列长度的方式对初始序列采样结构进行改善,推导出了刚性变换中心从序列质心到原点的转换公式,最终完成能够实现单点迭代的基于局部重力异常基准图实时相关极值匹配算法设计,该匹配算法突破了传统离散匹配算法受限于基准图分辨率的局限。最后在2′×2′卫星测高反演重力异常数据基础上进行了两组仿真实验进行对比分析,实验结果表明,在重力测量噪声和初始定位误差较大的情况下,通过该匹配算法获得的匹配定位仍能以较高的精度实时跟踪真实航迹。     

航空重力匹配定位方法

为了在重力特征显著区域内实现航空重力匹配定位,定义了匹配区重力场模糊度指标作为匹配结果可信度的度量指标,提出了一种基于Monte Carlo方法的重力匹配算法。由于航空重力仪的测量值中包含各种误差因素,使用常用的相关匹配算法估计出的匹配位置往往不是飞行器的真实位置,而是随机分布于真实位置周围。根据这个特点,将地形匹配中的均方差算法(MSD)和Monte Carlo方法结合,形成一种新的重力匹配方法。该方法根据惯性导航系统指示位置从重力图上提取参考重力数据,将重力测量数据进行若干次随机干扰后和参考重力数据使用MSD算法进行匹配,得到若干个匹配位置,取其均值作为最终匹配位置。仿真结果表明,算法在重力场特征显著区域内匹配效果优于常用的相关分析算法。     

重力扰动矢量对惯导系统影响误差项指标分析

针对制约现有惯导系统精度提升的重力扰动矢量误差项问题,从惯导系统误差模型入手,着重分析了重力扰动矢量水平分量(垂线偏差)在导航系统中的误差传播特性,利用简化的垂线偏差统计模型推导出导航系统位置误差均方差表达式;通过现有全球重力场高阶球谐模型(EGM2008),分析了垂线偏差全球均方差水平引起的惯导系统在典型载体运行速度下位置误差项大小,进而给出了垂线偏差补偿的误差项指标,在此基础上,分析了EGM2008在惯导系统中的适用性,结果表明,当EGM2008模型阶数小于12阶时才能满足导航系统计算资源要求,模型补偿精度为5.86?,适用于位置误差要求小于0.8 nm/h的惯导系统。     

基于隐马尔可夫模型的地磁匹配算法

为了在地磁特征微弱区域内实现地磁辅助导航以及提高惯性导航系统在地磁特征明显区域内的定位精度,提出了基于隐马尔可夫模型的地磁匹配算法.首先以惯性导航系统定位误差为隐状态,以实时测量的地磁强度为观测量,建立了地磁匹配的隐马尔可夫模型;其次,针对该模型,使用Viterbi算法来确定最优状态序列,给出了惯性导航系统的当前定位误差.仿真结果表明,该算法可以实现地磁辅助导航,导航误差优于EKF算法,组合导航系统的定位误差在50 m左右.     

基于SPSS的重力匹配区域选择算法

为了提高重力辅助导航系统的定位精度,对重力匹配区域的选择进行了研究,提出一种基于SPSS回归分析的重力匹配区域选择方法。通过对重力数据进行回归分析,得到匹配区域的回归函数关系式,以此作为重力匹配判断准则对重力匹配区域进行选择。通过惯导/计程仪/重力组合导航系统的仿真试验,证明基于SPSS的重力匹配区域选择方法能找出重力匹配较好的区域,能提高重力辅助导航系统的定位精度。     

四轮客货车安全车速实时监测模型的研究

考虑实际坡度条件下, 提出了基于压力传感器的汽车重心与安全车速实时监测系统的多元力学模型. 建立了考虑车辆重心高度、路面纵横双向坡度及路面半径等因素的车辆安全车速控制力学模型, 并在三维模型分析的基础上提出监测与报警机理, 可为汽车安全系统提供安全车速与重心计算的多维力学模型, 为研制汽车安全车速实时监测系统提供了必要参数与依据.     

高精度惯导系统重力扰动的阻尼抑制方法

重力扰动已经成为高精度长航时惯导系统的主要误差源之一。针对船用高精度惯导系统的重力扰动抑制问题,从舰船INS误差模型出发,推导了重力扰动在惯导系统中的传播特性。仿真结果表明垂线偏差将引起系统较大的舒拉振荡误差。为抑制重力扰动对系统的影响,引入常速度误差反馈阻尼网络和相位超前串联阻尼网络。分析了重力扰动在水平阻尼网络中的传递特性,实现了相应滤波器的设计。在此基础上完成了实验验证,海上试验结果表明,所引入的两种阻尼网络都能够阻尼掉重力扰动引起的舒拉振荡型导航误差,其中,相位超前串联阻尼网络效果更优,抑制率达到70%以上。     

惯性/重力匹配组合导航系统与可视化仿真

根据惯性/重力匹配组合导航系统的工作原理和特点,提出了基于 RANSA 思想的重力图匹配方法,采用此方法实现了重力图的鲁棒匹配。通过建立组合导航系统的数学模型,采用最优滤波技术实现了组合导航系统的信息融合。在此基础上,采用多种高级语言混合编程,设计实现了一套可视化的仿真软件,对该系统进行了可视化仿真研究。仿真实验结果表明,惯性/重力匹配组合系统相对于无辅助的惯性导航系统,其定位精度、速度精度均有较大的提高,也就是说采用重力匹配方法达到了校正惯导系统,实现高精度导航的目的。