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。     

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。     

基于向量搜索的地磁导航匹配算法

对基于向量搜索的地磁导航匹配算法进行系统的研究，主要研究内容包括模型的建立、最优匹配位置的确定、搜索过程实现及优化、仿真实现等。仿真实现是基于航空实测地磁数据进行的，大量的匹配试验表明基于向量搜索的地磁导航匹配算法是可行的。仿真试验表明：该算法对初始位置误差要求低；不必对磁场做任何线性化假设，只要磁场变化特征明显既可；能求得全局最优解。同时该算法也存在运算量大、对方位和搜索步长敏感等缺点。     

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ICCP的水下直线段地磁匹配

地磁导航是导航技术的发展方向,可以弥补惯性导航长期误差积累的缺点.考虑到潜艇转向后其自身磁性变化不能立即满足测量要求的特点,提出了在实际使用地磁匹配定位时,潜艇有必要保持航向的观点.同时提出了直线航行时潜艇的测量位置点除第一个点由惯导位置信息输出外,其余各点均由导航系统给出的航向航速推算而得测量方法.通过推算舰位来荻得直线段的测量位置点,在保证了测量的连续性与准确性同时还可以克服测量野值点的问题.该方法对潜艇地磁匹配的实际应用具有一定的参考价值.     

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.     

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。     

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。     

泛克里金插值法在地磁图中的应用

克里金插值法是一种无偏、最优的插值方法,但普通克里金插值法要求区域化变量满足二阶平稳假设或是固有假设,但实际应用中这一假设往往无法满足,即存在漂移现象,由于地磁场数据存在有区域异常问题,因此是非平稳的,从而限制了克里金插值方法的应用.通过分析,泛克里金插值法可较好地估计和拟合地磁区域异常,因此可较好地解决地磁数据的插值问题.对地磁数据进行了泛克里金变异函数选取,并完成了地磁区域异常的二次多项式拟合.将克里金插值法和泛克里金插值法应用于地磁图插值处理,并利用交叉证实法验证,结果表明泛克里金法比普通克里金法具有更好的插值效果,得到的地磁图精度有提高.泛克里金插值法避开了克里金插值法的二阶平稳假设,使插值得到的地磁图更加符合地磁场特征.     

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。     

地磁缓变区域的多维特征量匹配方法

地磁匹配方法对地磁场分布的特异性有很强的依赖性,地磁场变化平缓区域因特异性不足容易导致匹配失效。针对该问题,利用地磁场具有多个要素描述的特点,提出一种多特征量匹配的改进算法。同时测量航迹上地磁场多个要素,采用平均绝对差作相似性度量,建立多目标最小距离度量指标,进一步将多目标函数统一为加权组合的单目标优化问题,根据各要素地磁场变化特征给出实用的权系数赋值方法。仿真实验表明在单一特征量匹配概率仅有25%的平缓地磁区域,本文提出算法在特征量为三个的条件下可实现86%的较高匹配概率,从而降低了算法对匹配区域特异性的要求,并通过地磁场要素维数对匹配性能影响的数值仿真得到维数选择2-3为宜。     

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。     

中国大陆西部强震前超低频磁场时空变化特征

对2015年至2019年期间中国大陆西部的磁通门磁力仪秒采样观测资料开展了5—100 s频段的地磁垂直强度极化分析，并运用一些数学方法对分析结果进行了处理。结果显示，极化高值在经向和纬向均无明显的形态和幅值变化，且极化高值与地磁外源场扰动无关。在此基础上筛选出18次极化高值异常事件，利用插值方法得到了极化高值异常的空间分布图，并分析了18次高值异常与中国大陆西部及周边15次强震的时空关系。分析结果表明：地磁场出现多台同步极化高值现象后的半年内，高值区可能发生M6.0以上强震；高值现象出现后，多个高值区均有可能发生强震；后续强震的震级与高值区面积呈正相关。     

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。     

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。     

水下磁异常定位中两种矢量磁力仪配置方式的比较

在简述水下磁异常定位原理的基础上,提出了八单轴和十单轴两种矢量磁力仪配置方式,推导了两种配置方式下磁场大小及梯度的量测方程,对磁场大小及梯度的解算精度进行了比较分析。数值仿真了磁场大小及梯度、载体相对位置误差与测量基线长△X之间的变化关系,结果表明这些误差都随△X加大而增长。相比于八单轴磁力仪配置,十单轴磁力仪配置方式中磁场大小和梯度计算精确,定位误差很小,在水下磁定位实验中应选用十单轴磁力仪配置方式。