一种模式识别神经网络重力匹配算法

从模式识别的角度分析了搜索模式下水下运载体的重力匹配问题,利用模式识别神经网络实现重力匹配定位。在重力图匹配时,以惯性导航仪指示位置为中心规划真实位置的网格点搜索范围,从参考重力图上提取相应一系列的重力数据,与对应网格点的位置一起定义成多个模式类,构造相应的模式识别概率神经网络,运用该神经网络将实时重力测量数据识别到某个模式类,对比模式类的定义确定载体位置。在实测重力图上对重力辅助惯性导航系统进行了计算机仿真研究。结果表明,在重力场特征显著区域该重力匹配算法能够有效减小厄特弗斯效应的影响,其导航系统定位误差小于一个重力图网格,匹配率在80%以上,匹配效果优于一般的相关匹配算法。     

航空重力与重力梯度测量对惯性稳定平台的需求分析

从航空重力与重力梯度测量原理出发,先后导出航空重力与重力梯度测量的观测方程和测量误差方程,然后依据地球重力场特征和功率谱的相关理论,结合航空重力与重力梯度测量中的GPS定位、惯性稳定平台的指向和稳定性、加速度计和梯度仪的误差模型,分析了航空重力与重力梯度测量对稳定平台的需求,在此基础上以航空重力测量中国外常用的双水獭(Twin-Otter)固定翼飞机的实际飞行参数为例,通过数值计算给出了航空重力测量分辨率达到1 mGal时,对惯性稳定平台的角度指向精度、稳定性和随机漂移的要求分别为0.0005°、0.006°/h/Hz和0.0003°/h;航空重力梯度测量分辨率1 E时,对稳定平台对应的指标要求分别降低为0.5°、0.01°/hr/Hz和0.01°/hr。     

基于局部连续场的重力匹配辅助导航

重力匹配辅助惯性导航是一种在惯性导航系统定位信息基础上利用地球重力场特征获取载体位置信息的组合导航技术。一般匹配辅助导航方法都是建立在格网化离散场的基础上,考虑到用局部连续场逼近离散散场的可行性,提出了利用连续场实现相关极值匹配算法,建立了基于局部连续场的相关极值匹配算法模型,采用随机初值迭代方式改进拟牛顿方法以实现在置信范围内全局寻优。最后在三组不同仿真条件下对该算法进行了仿真实验。从实验结果可以看出,在观测误差、初始定位误差较大的情况下,通过该算法获得的匹配航迹仍能以较高的精度跟踪真实航迹,从而验证了算法的有效性。     

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。     

直线段的重力场匹配水下导航新方法

针对当前重力场匹配算法在实时性和可用性上存在的不足,考虑到潜艇水下航行轨迹在短时间内为一条直线的特点,提出了一种基于直线段方式进行重力图形匹配的新方法。该方法通过以初始概略点位为中心的旋转搜索,选取满足在一条直线段上与测量点的重力误差在一定范围内的点集作为最终匹配点,并以实测海区数据为基础进行了实验验证。实验结果表明,这种基于直线段的重力场匹配新方法可以在一定程度上克服由于重力测量精度不够带来的匹配失效问题,能够获得很好的匹配效果,同时也解决了当前其它匹配算法在实时性上存在的突出问题。匹配算法在实时性和可用性上具有一定创新。     

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。     

应用抗差估计SITAN算法的水下重力匹配导航方法

水下重力场匹配导航的SITAN算法综合了扩展卡尔曼滤波技术和地形随机线性化技术,具有实时性好、可操作性强等特点。针对其在粗差探测方面的不足,引入抗差估计方法,通过设置调节因子,降低了异常点状态矩阵和增益矩阵等对下一位置点的影响,来改善导航位置精度,增强可靠性。仿真试验结果表明,采用一般SITAN算法的水下重力匹配导航位置精度均值为2~3 n mile,引入抗差方法后,导航位置精度保持在1 n mile以内,精度水平提升50%以上。抗差估计方法用于水下重力匹配导航,具有较好的精度改善作用。     

基于分割嵌套三角剖分的重力场适配区选取算法

重力场适配区选取算法是水下重力定位系统的关键技术之一,直接影响重力匹配算法的定位精度和匹配率,为提高适配区选取算法的准确性,提出一种基于分割嵌套三角剖分的重力场适配区选取算法.首先利用墨卡托投影和重力异常空间校正,将传统重力场栅格信息变换为三维高程信息;再利用分割嵌套的思想,不断从重力场最小环形域中分割出最优三角形,从...     

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。     

Modeling wall effects in a micro-scale shock tube using hybrid MD–DSMC algorithm

Wall effects in a micro-scale shock tube are investigated using the Direct Simulation Monte Carlo method as well as a hybrid Molecular Dynamics–Direct Simulation Monte Carlo algorithm. In the Direct Simulation Monte Carlo simulations, the Cercignani–Lampis–Lord model of gas–surface interactions is employed to incorporate the wall effects, and it is shown that the shock attenuation is significantly affected by the choice of the values of tangential momentum accommodation coefficient. A loosely coupled Molecular Dynamics–Direct Simulation Monte Carlo approach is then employed to demonstrate incomplete accommodation in micro-scale shock tube flows. This approach uses fixed values of the accommodation coefficients in the gas–surface interaction model, with their values determined from a separate dynamically similar Molecular Dynamics simulation. Finally, a completely coupled Molecular Dynamics–Direct Simulation Monte Carlo algorithm is used, wherein the bulk of the flow is modeled using Direct Simulation Monte Carlo, while the interaction of gas molecules with the shock tube walls is modeled using Molecular Dynamics. The two regions are separate and coupled both ways using buffer zones and a bootstrap coupling algorithm that accounts for the mismatch of the number of molecules in both regions. It is shown that the hybrid method captures the effect of local properties that cannot be captured using a single value of accommodation coefficient for the entire domain.     

基于自适应格网数字水深模型的水下地形匹配定位算法

为了解决当前的水下地形匹配定位算法未考虑格网大小随海底地形变化而自动调整的问题,提出了一种基于自适应格网数字水深模型的水下地形匹配定位算法。首先,引入基于四叉树的自适应格网模型,改进其局部格网的相似性评估指标与构网约束方法;然后,设计匹配区的确定及待匹配航迹的选取策略,给出待匹配航迹的水深值的计算方法,构建出目标匹配定位的地形相关组合算子。实验结果表明:提出的算法相比于基于等距离的规则格网模型的算法有以下优势:1)在地形特征丰富区域的定位精度明显提高;2)可以避免出现地形特征越明显匹配定位精度越低的情况;3)能一定程度地克服水深系统误差对定位精度的影响。     

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。     

基于EGM2008重力场球谐模型的水平重力扰动计算方法

垂线偏差数据对于提高惯性导航精度具有重要意义,阐述了使用重力场球谐模型计算水平重力扰动的方法,使用EGM2008重力场球谐模型计算水平重力扰动,并将其与美国国家地理空间情报局提供的全球2.5′×2.5′垂线偏差网格数据进行对比,验证了所述水平重力扰动计算方法的正确性。将水平重力扰动计算结果用于航空、车载惯性导航数据离线处理,结果表明EGM2008模型计算的水平重力扰动可用于补偿惯性导航;将水平重力扰动计算结果用于长航时船载惯性导航数据离线处理,结果表明惯性导航精度最大提升1.5 n mile,平均提升0.8 n mile。     

重力垂直梯度数据地图特征及其辅助导航

从随机过程理论出发,研究了重力垂直梯度场的主要特征参数(标准差、粗糙度、信息熵),通过选定局部窗口的滑移,计算了西太平洋海域分辨率为2’×2’的重力垂直梯度特征参数。选取不同特征区域的3条航线进行辅助导航仿真定位,并对导航能力进行统计分析,给出了重力垂直梯度特征参数与匹配成功率、定位误差的关系;在统计准则下,匹配成功率大于90%、定位精度优于1nmile,表明重力垂直梯度特征参数可以作为匹配区域选择以及航线规划的数量性依据。     

基于伪地球坐标系的惯导系统全球导航算法

由于极区特殊的地理、电磁条件,惯性导航因其自主性和信息完备性使之成为极区导航的首选。然而在考虑全球执行能力时,现有常用的任何一种力学编排方案都不能单独的实现全球导航。通常采用组合编排的方式,这样则不利于惯导算法的全球统一。基于此提出了基于伪地球坐标系的全球导航算法。该方案在全球导航时可以实现惯导算法的内在统一,并可保证物理平台的平稳切换,从而实现平台惯导与捷联惯导系统编排方案的统一。另外,该方案也更方便同其它局部惯导系统进行交互通信,仅不同的参数转换单元是必需的。同时,简单的切换逻辑也可以减小程序设计的复杂度和降低计算机负担。最后通过仿真证明了该算法的可行性。