区域地磁测量实验及水下载体对周围磁场的影响分析

水下载体和磁力仪的匹配是水下地磁导航的关键技术之一.为了完成匹配实验,首先要选择地磁场平缓的局部区域,基于这一目的进行了局域地磁场的测量,并通过克里金插值法构建地磁图,给出基于克里金插值的局部二维和三维地磁图.从地磁图上可以找到磁异常区域和地磁平缓区域,并在地磁平缓区域进行有无水下载体的地磁空间测量.由于载体主要由铁磁物质组成,安装在载体上的传感器所测量的磁场除了地磁场以外,还有载体硬磁材料产生的固有磁场以及载体内机电设备产生的磁场.因此,如何从复杂的磁场环境中提取地磁场信息是实时测量的一大难题.基于载体的空间磁测,利用传感器测量值构建载体磁场的数学模型,分析了水下载体对周围磁场的影响,为水下载体与磁力仪的匹配和水下磁测提供了理论和实验依据.     

地磁匹配导航中的特征区域选取

数字地磁图通常包括位置和场值信息,并以离散点形式存储,如何定量和全面地描述数字地图特征目前还没有统一标准。从数理统计和随机场理论出发,把标准差、粗糙度、熵和相关距离等概念应用到数字地磁图,作为度量地磁图特征的参数,研究了其在数字地图上的计算方法。在不同磁场区域经过多次匹配算法仿真,总结出地图特征区域选取的经验准则。在满足该选取准则的区域内地磁导航,匹配概率大于95％,匹配误差均值控制在0．3个单元网格内。可见,该特征区域选取准则满足一般的工程应用要求,可作为实际地磁导航的参考。     

相关地磁匹配定位技术

地磁匹配定位算法的本质是数字地图匹配，相关匹配算法是数字地图匹配的有效算法。在地磁导航中该匹配算法自适应实时构造基准数据序列，并以Hausdorff距离作为相关判断准则。为了提高了算法实时性，提出了预匹配和精匹配相结合的改进措施优化了运算过程。在预匹配过程中，由于地磁数据的离散性，搜索步长定为一个基本网格单元，并与序贯相似检测原则相结合，这样可快速排除非匹配区，筛选得到精匹配所需要的可行区域。在精匹配中，引入了双线性插值法对地磁场原始数据进行加密内插以提高匹配精度。最后利用地磁场数据进行了仿真试验，结果表明在一定条件下该相关匹配算法对地磁导航具有适用性。     

地磁场在导航定位系统中的应用

阐述了地磁匹配导航的基本原理及相关地磁场理论,介绍了国内外应用地磁导航的动向及发展现状,提出了地磁导航系统中三个方面的关键技术:一是导航区域地磁数据库的建立;二是载体上磁力仪的实时测量;三是地磁匹配算法。同时,结合有关地磁建模方法、地磁测量补偿算法及地磁匹配导航定位算法,分析了地磁导航存在的主要问题,指出了发展地磁导航应采取的必要措施,为下一步地磁导航的深入研究明确了方向。     

一种基于概率数据关联的地磁匹配ICCP算法

针对地磁测量误差和地磁补偿余差等带来的匹配误差增大和易造成误匹配的问题,提出了一种基于概率数据关联的地磁匹配ICCP算法。首先,基于磁场测量误差的统计特性,在一定置信范围内生成若干伪测量值,将其视为对应位置地磁场的有效测量,只是它们源于磁场真实值的概率不同;然后,利用ICCP算法对各伪测量值构成的磁场序列分别进行匹配,得到干扰环境下载体可能出现的位置;最后,利用载体的运动约束对各匹配结果进行限制,再对有效的匹配结果进行融合,得到载体最终的位置。实验结果表明,在不同磁场干扰水平下,所提算法的定位精度都能控制在2个地磁图网格左右,具有较好的应用前景。     

基于迭代计算的地磁轮廓线匹配算法

针对惯性/地磁匹配组合导航系统,提出了一种基于迭代计算的地磁轮廓线匹配新算法,可以有效地修正惯导系统的初始位置误差和初始航向误差,并具有较高的实时性。首先以均方差准则建立匹配轨迹和实测地磁特征量的相关性约束,引入匹配曲线的参数化模型,通过泰勒展开并忽略高阶小项,将相关性约束简化为曲线平移位移和航向误差角的多变量表达式。然后依据相关性准则,将地磁匹配问题转化为以曲线平移位移和航向误差角为变量的非线性方程组的求解问题。采用牛顿迭代求解非线性方程组,实现地磁轮廓线匹配。最后仿真结果表明,基于迭代计算的地磁轮廓线匹配方法的最大匹配误差为传统轮廓线匹配方法的18.2%,为等值线约束迭代最近点匹配方法的7.8%,并且所提出的新方法耗时仅为5 ms,满足实时匹配要求。     

地磁匹配中的匹配长度估计方法

在惯导/地磁组合导航系统中,适当选择匹配长度能有效提高匹配概率和匹配精度。针对地磁匹配特点,对匹配长度的选区原则和意义进行了分析,并提出了一种基于逐点迭代的匹配长度确定算法。该算法能够有效地给出匹配长度的估值或上界,使得匹配能在航迹形变最小处获得最优估计,有效提高了组合导航的定位精度。该算法是一个基于仿真实验的算法,通过不确定域的推进,获得地磁图在正反横、纵四个方向上的匹配长度范围,进而获得匹配长度上界。仿真实验验证了算法的优良性能。     

基于主磁场长期变化模型的地磁导航基准图时变修正

地球主磁场长期变化是影响地磁导航基准图时效性的一个重要因素。提出一种以模型预测值对基准图进行时变修正的方法,利用主磁场长期变化模型解决临近空间地磁导航基准图的时变修正问题。基于WMM2010建立地球主磁场长期变化模型,在此基础上建立中国地区临近空间(海拔高度30 km)的主磁场长期变化模型,利用该模型计算出的地磁场分量长期变化率对基准图时变进行修正。仿真实验结果表明,修正后的地磁导航基准图的匹配概率可以达到90%以上,相比修正前有显著提高,且修正前后间隔时间越长效果越明显。利用主磁场长期变化模型修正后的地磁导航基准图具有良好的适配性。     

基于Unscented Kalman滤波的飞行器天文/地磁自主导航算法研究(英文)

针对地磁场模型精度低而引起的导航精度不高及基于轨道动力学方程的天文导航算法的局限性问题,提出了一种利用天文/地磁信息为观测量的飞行器自主导航方法,并建立了动力学方程,同时推导了观测方程。算法采用星光矢量与地磁矢量的夹角为观测量,采用UKF滤波器估计飞行器的速度和位置,并进行了仿真研究。仿真结果表明,该算法的精度要远高于单纯的地磁导航,滤波的收敛性和稳定性较好,导航误差不随时间累积,有工程应用价值。     

地磁日变影响下的地磁匹配算法

针对地磁日变严重影响地磁匹配导航定位精度和可靠性的问题,提出一种地磁日变影响下的地磁匹配算法。首先根据地磁日变的特性,构造地磁日变影响下的均方差相关性准则,补偿地磁日变对匹配结果的影响。然后建立匹配曲线的参数化模型,将相关性准则转化为位置误差、航向误差和地磁日变误差的表达式,从而将地磁匹配转化为非线性方程组的求解。最后采用Broyden算法求解非线性方程组,实现地磁日变影响下的地磁匹配定位。仿真结果表明,在地磁日变场为50 n T时,传统地磁匹配方法发生了误匹配,而本文所提出算法的匹配定位最大经纬度误差为0.0032°,算法耗时16 ms,可以实现地磁日变影响下高精度快速匹配定位。     

基于电子海图显示信息系统的惯性/地磁组合导航

为实现惯导系统长时间高精度导航,以性能优良的电子海图显示信息系统为开发背景,对地磁匹配辅助惯性导航系统进行了设计和仿真实验。在原有电子海图显示信息系统的基础上开发了数据采集模块、地磁数据库模块、惯导/地磁匹配模块、惯导误差估计模块等功能软件,并对各功能模块进行了深入分析。仿真试验结果证明,基于电子海图显示信息系统的惯性/地磁组合导航达到了校正惯性导航系统,实现高精度导航的目的。     

基于Legendre函数的超高阶次地磁场建模方法

Legendre函数是超高阶地磁场模型球谐展开的重要组成部分,是解决高纬度地区数据溢出问题的关键。针对Legendre函数在超高阶地磁场建模中的解算问题,从Legendre函数的递推方法出发,优化了Legendre函数的解算过程,提高了效率和精度,解决了数据溢出问题,并给出了Legendre函数的递推过程、函数值和精度检验值。仿真结果表明,该方法提高了磁场模型数值稳定性及精度,为建立更高阶次的地磁场模型和地磁导航基准图的制备提供理论依据。通过将模型计算的各磁场要素与EMM2010模型相比较,验证了方法的有效性,并生成了全球的地磁图。     

地磁导航系统中等值线的提取及应用

地磁导航系统采用等值线最近点迭代算法达到最终匹配定位的目的,等值线最近点迭代算法是在等值线的基础上实现的,因此,等值线的提取是实现地磁导航的“必经之路”。文中介绍了常用的两种等值线提取方法,即线性插值方法和等值线延伸寻找最近点法,其中前者的计算量大,实时匹配效果差,而后者能在地磁匹配过程中快速提取匹配需要的等值线。此外,文中还给出了地磁等值线图层在基于电子海图显示信息系统的地磁导航系统中的生成和添加方法。     

船用惯性/地磁导航系统信息融合策略与性能

地磁异常场的强度在空间上变化丰富而在时间上很稳定。对地磁异常值与位置之间的非线性函数关系进行了随机线性化,将地磁异常测量值直接作为观测量,采用扩展卡尔曼滤波技术实现地磁异常测量信息与惯性导航信息的融合,估计并校正了惯性导航系统导航误差。仿真表明,组合导航系统具有如下良好性能:对地磁异常具有广泛的适用性;对初始位置误差、速度误差及姿态误差具有较好的鲁棒性;对地磁数据噪声敏感度较低;可实时更新组合导航信息。将观测量选为参考数据测量值的信息融合策略引入惯性/地磁组合导航。定量描述地磁异常辅助惯性导航系统的信息量,分析组合导航系统对地磁图的适用性。     

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.     

水下地磁辅助导航中地磁场延拓方法

水下地磁数据库的构建是实现地磁辅助导航的前提。利用水下航行器进行地磁测量从而建立水下地磁数据库,这种做法是不可行的,一种可行的解决方法是采用位场的延拓技术。采用位场的向下延拓技术,通过将海平面上航空测量得到的地磁数据进行向下延拓,得到水下地磁数据,以此来构建水下地磁数据库。将位场的向下延拓问题视为一类不适定问题,采用正则化方法中的Landweber迭代法来处理这类不适定问题,实现了地磁数据的向下延拓。仿真结果表明,该方法原理简单,抗噪声能力强,能够得到比较满意的延拓结果。