基于仿射修正技术的水下地形ICCP匹配算法

ICCP匹配算法是水下组合导航系统中最为重要的匹配算法。针对传统ICCP匹配算法存在仅对水下航行器惯性导航系统指示航迹作旋转和平移的刚性变换的局限性问题,为提高水下航行器地形辅助导航系统中匹配算法的精度,分析了水下航行器惯性导航系统误差特性,建立了误差模型,提出了基于仿射修正技术的水下地形ICCP匹配算法。首先利用ICCP匹配算法对惯性导航系统指示航迹进行刚性变换,再利用最小二乘法求解仿射参数,进而对ICCP匹配航迹进行仿射修正。仿真研究表明,基于仿射修正技术的ICCP匹配算法能较好地解决传统ICCP匹配算法刚性变换的局限性,匹配精度优于传统ICCP算法,匹配误差小于数字地图网格间距的50%,同时仿射修正所耗费时间极少,所增加的时间仅为传统ICCP匹配算法匹配时间的千分之一。     

基于改进遗传算法的多波束水下地形匹配方法

传统地形匹配算法在初始位置误差较大的条件下,由于搜索区域过大,定位精度较低,容易发生误匹配。针对此问题,提出一种基于改进遗传算法（GA）的多波束水下地形匹配方法。首先,根据地形变化特征,在多波束测深数据中自适应选择多条水深数据作为匹配序列,提高在地形相似处的匹配精度;然后,设计适应度函数用于衡量匹配航迹与真实航迹的相似度,加入收敛因子以减小惯导累积误差的影响;最后,利用正余弦算法对遗传算法进行优化,提高算法收敛速度,改善局部收敛的问题。仿真与船载实验结果表明,基于改进GA的多波束匹配方法对初始位置误差的大小不敏感,在分辨率为1 m的地形图上,匹配定位误差小于3 m,相比ICCP方法,在不同初始位置误差的情况下,定位精度分别提高了53%和79%。     

基于仿射模型变换的地磁匹配导航算法

为了提高潜航器上地磁匹配的效率和精度,通过对潜航器惯导系统误差模型的分析,提出了一种基于仿射模型变换的粗精两级地磁匹配定位方法。首先,利用基于等值线约束的相关匹配算法消除导航系统的初始位置误差;其次,采用仿射模型对相关匹配结果的轨迹进行旋转、缩放变换,通过参数扫描实现精匹配的过程。该算法在保证实时性的同时,匹配精度优于1个网格点。     

基于改进粒子群优化的水下地形辅助导航方法

为了提高传统地形匹配算法的定位精度,提出一种基于改进粒子群优化的水下地形辅助导航定位算法。该算法以SINS的指示位置为中心构造搜索区域,对二维粒子群进行初始化,利用实时水深测量序列与待匹配序列之间的平均Hausdorff距离作为适应度函数,在线性递减权重的基础上引入收敛因子对粒子的速度和位置进行约束更新,改善粒子"早熟"问题。在某海图内进行了水下地形匹配仿真实验,结果表明:初始位置误差大小不影响改进PSO算法的定位精度和匹配速度;当水下航行器初始位置误差较大时,与TERCOM算法相比,改进PSO算法的匹配精度提高了近5倍,匹配耗时缩减了近10倍。     

地形匹配辅助导航中匹配区域的选择

利用海底地形匹配辅助导航是水下载体导航技术致力研究的新方向.通过多波束测深系统测量获得的真实地形数据,采用ICCP算法为对准匹配算法,分析了实测地形的统计特征对相关匹配性能的影响,给出了地形匹配区域选择准则,并在实测地形图上利用匹配算法对此进行了仿真研究,从而得到水下载体的最佳匹配位置,提高水下载体的导航精度.     

基于Hu矩的水下地形二维特征匹配辅助导航方法

相比于以单波束测深原理为基础的ICCP、TERCOM等一维序列匹配辅助导航方法,基于多波束测深系统的二维阵列匹配算法增加了原始地形信息的丰富度,可以用来提高地形辅助匹配导航系统的精度和适用性。通过归一化灰度转换,使实时扫测地形和原始数据库地形分别形成待匹配的模板灰度图和背景灰度图,采用圆窗口化搜索策略,分别计算实时图和子图的Hu矩,保证了相同地形特征的旋转不变性。通过归一化互相关算法衡量两个地形的相似性,得到匹配地形,实时的辅助主惯导修正误差。仿真表明,利用此匹配算法在实时扫测地形平坦区域和特征明显区域均能成功匹配;位置误差均在5个网格以内,能容忍的系统信噪比最小为9 d B,抗噪声能力强;Hu矩的抗旋转特性大大提高了此方法的适用性,能够满足高精度水下地形匹配辅助导航系统的苛刻要求。     

基于改进TERCOM的地形辅助导航算法

自主水下航行器长时间航行后惯性导航系统的位置误差会随时间不断增加，地形辅助导航可帮助惯性导航系统进行误差校正。为解决地形轮廓匹配（TERCOM）算法对航向误差较敏感问题，提高地形辅助导航的匹配精度，提出了一种基于改进TERCOM的地形辅助导航算法。在TERCOM算法基础上增加旋转角度机制，首先根据INS航迹进行旋转平移并采用TERCOM算法进行粗匹配，然后引入改进粒子群算法进行精匹配。在某海图内进行水下地形匹配仿真实验，结果表明：与传统TERCOM算法相比，所提算法可降低航向误差84%，匹配精度可提高4倍多，对实现自主水下航行器的自主无源导航有重要意义。     

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。     

鲁棒性地形匹配/惯性组合导航算法

基于传统平均绝对差算法引入了选取搜索区域和匹配运算的改进策略,使得算法在匹配定位时允许载体灵活机动,提高了实时性;针对桑迪亚算法易发散的问题,分析了组合滤波算法的特点,建立了地形匹配/惯性组合导航的数学模型;针对地形匹配"虚定位"影响滤波结果的问题,引入了一种基于新息向量的鲁棒检测算法,采用最小二乘对误匹配点进行拟合改正。仿真研究表明:与传统算法相比,组合滤波算法精度更高、稳定性更强,能高频率(200 Hz)输出高精度导航参数,误差保持在一个格网间距(90 m)以内;鲁棒检测算法能有效抵御粗差影响,在经纬度方向各加入0.05°粗差的情况下,仍可保持较高精度。     

信息融合技术在水下组合导航系统中的应用

以捷联惯性导航系统作为组合导航系统的主导航设备,地形匹配、多普勒测速仪等为辅助导航设备,分析了S1NS、DVL以及地形辅助导航系统等的工作原理并建立输出误差模型,利用联邦Kalman滤波技术对水下组合导航系统进行信息融合,建立了水下组合导航系统联邦滤波器的观测方程和量测方程,并进行计算机软件仿真实验.仿真结果表明:使用联邦卡尔曼滤波的水下组合导航系统导航状态输出精度满足水下航行器高精度高可靠性的要求.该水下组合导航系统能够得到较高精度的位置、速度和姿态信息,提高了水下航行器远距离长时间导航的精度.     

基于蜂窝网格粒子滤波的行人导航航向估计方法

为了提高低成本行人惯性导航系统的实时导航精度,针对行人惯性导航系统航向角发散问题,提出一种适用于实时行人导航系统的蜂窝网格粒子滤波算法(CSPF,cellular structure particle filter)。该方法将二维平面划分为紧密相连的蜂窝六边形区域,记录行人运动的历史轨迹信息,采用粒子滤波方法对航向误差补偿量进行估计。蜂窝网格粒子滤波算法在行人惯性导航系统的实验结果表明,引入了蜂窝网格粒子滤波的行人惯性导航方法与常规方法相比能有效改善实时行人惯性导航精度。在二维行走实验中,水平位置误差百分比由5.3%改进到1.7%;三维行走实验中,水平误差百分比由4.2%改进到2.9%。     

实时ICCP算法重力匹配仿真

利用地球物理场进行辅助匹配导航是组合导航技术研究领域的新方向,该技术为水下潜器无源定位提供新的手段.迭代最近等值线算法作为重要的匹配导航算法之一,但存在实时性不强、搜索速度慢等缺点.考虑到以上两方面缺点,采用固定初始序列长度的方式对算法采样结构进行改善并推导出单点迭代公式,同时采用滑动窗搜索方式缩小搜索范围提高算法速度,最终实现实时ICCP算法设计.基于MATLAB平台下实现了实时ICCP算法重力匹配仿真系统,仿真系统采用0.4′×0.4′重力异常数据库.由仿真结果可以看出,该实时ICCP算法能够实现单点迭代,匹配结果能实时跟踪真实航迹且匹配精度能达到一个重力图网格.     

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。     

交叉路段背景下改进的D-S证据理论地图匹配算法

针对传统D-S证据理论地图匹配算法中将交叉路段当成普通路段处理所造成的误匹配、不匹配、匹配精度低等问题,提出一种交叉路段背景下改进的D-S证据理论地图匹配算法。利用距离阈值剔除异常定位点,并用插值法补全被剔除异常定位点所产生的空缺,生成网格索引及简化误差椭圆公式确定候选路段以减少匹配时间。针对道路特点结合方向证据确定可信度函数,最后融合方向概率分配函数、距离概率分配函数和可信度函数来改进候选路段概率公式,确定匹配路段,提高匹配精度。实验表明,改进后算法的匹配准确率约97%,与现有地图匹配算法相比较,精度可提高4%左右,单点匹配时间可减少1 ms左右,算法性能得到提升。     

一种改进的姿态匹配船体变形测量方法

针对船体变形测量系统中模型不确定以及未知噪声影响导致的误差问题,分析并推导了模型偏差对滤波估计的影响,提出一种基于姿态匹配的强跟踪最大互相关熵卡尔曼滤波(STMCKF)算法,用于船体变形估计。该算法采用姿态匹配,基于两套惯性系统的姿态信息确立滤波观测量并建立线性量测方程,通过自适应在线调整多个渐消因子对多个数据通道进行渐消,减小模型失配导致的误差,并设计基于最大互相关熵准则为最优准则的滤波算法,减小量测过程中受到的非高斯噪声产生的误差。最后,在模型不匹配及噪声不确定的条件下进行了仿真验证。仿真结果表明,与传统卡尔曼滤波相比,变形估计精度提高10%～30%,提高了系统鲁棒性和环境适应性。     

GPS/SINS组合导航系统实现时间同步的软件方法

GPS／SINS组合导航系统是当前各类飞机普遍采用的主要导航设备,采用传统组合方法无法消除组合时GPS与SINS时间同步误差的影响。在对GPS／SINS时间同步误差的物理概念深入研究的基础上,提出一种对时间同步误差估计和补偿的软件方法。该方法通过扩充滤波器状态与改进量测方程的途径,实现了对时间同步误差的在线估计和补偿。仿真结果表明,当存在0．7s时间不同步时,采用传统方法,组合导航系统水平位置精度只能达到150m左右;采用丈中提出的方法,组合导航系统水平位置精度优于10m。     

一种基于路径筛选的地形匹配算法

为了减少传统的匹配算法过大的计算量,提高地形匹配算法的实时性和工程实用性,通过对地形辅助导航系统的总体技术研究,提出了一种基于路径筛选的新型地形匹配算法,利用地形斜率,在飞机飞行过程中不断筛选可能路径,直到找到唯一的正确路径,从而实现精确定位。此算法的优点在于：充分考虑了无线电高度表、大气高度表、数字地图的误差,因此在存在较大误差的工程实际中仍能精确定位;由于在飞行过程中不断排除不可能路径,因此计算量大大减少。通过实验室仿真证明,此算法精确可靠,可以对惯导系统的定位误差做出有效校正。     

系统容错技术在水下航行器组合导航系统中的应用

为了提高水下航行器组合导航系统长时间远航程水下导航的可靠性和精度,采用了捷联惯性导航系统、多普勒速度声纳、地形匹配模块和TCM2电子磁罗经构成组合导航系统.采用容错联邦卡尔曼滤波对水下航行器组合导航系统进行信息融合、故障诊断与系统重构,在设计联邦滤波算法基础上,结合组合导航信息融合方案,详细分析了故障检测方法,给出了水下航行器容错联邦滤波结构和故障检测算法,进行了仿真实验,并对仿真结果进行了分析.仿真结果表明:联邦滤波方法对系统故障能够及时检测并且有效隔离了故障传感器,对系统进行了重构,提高了系统的导航精度和可靠性.     

局部连续场下重力辅助导航模型构建算法

为了研究高精度的重力辅助导航模型以克服传统模型的局限,必须建立精度高且具有良好解析性质的局部重力异常场解析模型,同时考虑模型误差方程中的重力精准补偿问题。针对二维高斯样条函数逼近局部重力异常场中的局部支撑参数选择问题,通过对所涉及的系数矩阵、解误差、插值模型精度评估等问题进行分析,提出了一种新的最优局部支撑参数计算方法;基于此提出了一种高精度的基于高斯插值的重力辅助导航模型构建算法,该精准模型补偿了重力扰动矢量、标准重力值误差、厄特弗斯修正计算值对导航模型的影响。实验结果表明利用新型重力辅助导航模型构建算法,可使辅助导航系统位置精度提高1倍左右,姿态、速度精度提高1²倍,定位误差保持在1002倍,定位误差保持在100²00 m。     

海洋重力辅助导航系统的系泊对准算法

捷联惯导系统在系泊条件下的初始对准是海洋重力辅助导航实用化的关键问题之一,本质上属于三轴姿态确定问题。基于惯性凝固假设,构建了船载捷联惯导系泊对准模型,研究了传统三轴姿态确定双矢量算法。对双矢量算法进行改进,提出了一种基于加权矢量和三轴姿态确定的系泊对准算法,该算法利用两个观测矢量的误差标准差构建加权系数,生成了精度更高的基准矢量,从而提高系泊对准的精度,并且该算法只需进行一次三轴姿态解算,保持了计算量小、耗时短的特点。数值仿真和船载试验结果表明,改进后的系泊对准算法在保证初始对准快速性的前提下有效提高了对准精度,两个水平姿态角误差小于4′,航向角误差在10′左右,满足海洋重力辅助导航系统的应用需求。