水下地磁匹配導(dǎo)航定位關(guān)鍵技術(shù)研究

王勝平

東華理工大學(xué) 測(cè)繪工程學(xué)院，江西 南昌 310033

慣性導(dǎo)航（inertial navigation system，INS）具有自主、無(wú)源導(dǎo)航的特點(diǎn)，但其定位誤差會(huì)隨時(shí)間積累，難以滿足載體長(zhǎng)時(shí)間精密水下導(dǎo)航需要。地磁匹配導(dǎo)航以地球固有物理特征地磁為匹配對(duì)象，通過(guò)線圖匹配實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航，具有無(wú)源、隱蔽性強(qiáng)和匹配特征明顯等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)INS積累誤差的修正，是一種極佳的輔助INS水下導(dǎo)航手段。因此，研究以慣性導(dǎo)航為主，地磁匹配導(dǎo)航為輔的水下組合導(dǎo)航技術(shù)，可以滿足水下潛艇導(dǎo)航對(duì)精度和隱蔽性的雙重要求，也成為目前的研究熱點(diǎn)。

論文在分析國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，開展如下研究：

（1）海洋地磁數(shù)據(jù)測(cè)量與數(shù)據(jù)處理。地磁測(cè)量及數(shù)據(jù)處理是地磁匹配導(dǎo)航中背景場(chǎng)建立和實(shí)測(cè)地磁序列準(zhǔn)確獲取的基礎(chǔ)。本研究以局部船載實(shí)測(cè)海洋地磁數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象，首先給出船載海洋地磁測(cè)量系統(tǒng)的組成。并在此基礎(chǔ)上，介紹船載海洋地磁測(cè)量及數(shù)據(jù)獲取流程。

針對(duì)已獲取的實(shí)測(cè)海洋地磁數(shù)據(jù)，開展手工編輯與FFT低通濾波相結(jié)合的地磁數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、日變改正、八方位船磁模型改正等海洋地磁數(shù)據(jù)處理研究，進(jìn)而獲得了穩(wěn)定的地磁場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合IGRF（international geomagnetic reference field）模型，準(zhǔn)確計(jì)算了地磁異常值。最后，采用交叉點(diǎn)以及重復(fù)測(cè)線，對(duì)測(cè)量精度進(jìn)行評(píng)定，為地磁匹配導(dǎo)航提供了準(zhǔn)確而穩(wěn)定的地磁數(shù)據(jù)。

（2）局域海洋地磁場(chǎng)模型建立。鑒于IGRF以及CGRF（chinese geomagnetic reference field）模型精度較低，難以滿足匹配導(dǎo)航精度需求的現(xiàn)狀，采用船載實(shí)測(cè)局部海洋地磁強(qiáng)度數(shù)據(jù)，探討泰勒多項(xiàng)式、勒讓德多項(xiàng)式、多面函數(shù)、樣條函數(shù)、矩諧分析、球冠諧分析等局域海洋地磁場(chǎng)建模理論。其中，對(duì)不同建模方法最優(yōu)模型參數(shù)的確定、不同分辨率數(shù)據(jù)對(duì)背景場(chǎng)模型精度的影響、特征地磁量與地磁背景精度的關(guān)系以及分區(qū)建模等關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了深入研究。通過(guò)試驗(yàn)分析，對(duì)于1∶10 000海洋地磁測(cè)量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)于5nT的地磁背景場(chǎng)模型精度。并通過(guò)對(duì)上述模型精度進(jìn)行比較，最終確定了分區(qū)多面函數(shù)法作為最優(yōu)局域海洋地磁場(chǎng)模型建立方法。

（3）TERCOM、ICCP地磁匹配導(dǎo)航算法及改進(jìn)。匹配算法是地磁匹配導(dǎo)航的核心。在研究TERCOM（terrain contour matching）、ICCP（iterative closest contour point）的基礎(chǔ)上，分析這兩種算法的局限性，認(rèn)為導(dǎo)致TERCOM匹配導(dǎo)航精度較差原因在于僅顧及了平移變換而未考慮INS角誤差引起的旋轉(zhuǎn)變換；引起ICCP易出現(xiàn)局部收斂原因在于初始位置偏差過(guò)大。據(jù)此，提出自適應(yīng)角度探測(cè)TERCOM改進(jìn)算法、預(yù)平移ICCP改進(jìn)算法，顯著削弱了上述問(wèn)題的影響。

在此基礎(chǔ)上，根據(jù)TERCOM與ICCP在精度及速度上的互補(bǔ)性，研究了一種基于TERCOM與ICCP聯(lián)合的地磁匹配導(dǎo)航算法。該算法試驗(yàn)結(jié)果表明，在背景場(chǎng)精度小于5nT、實(shí)測(cè)地磁序列誤差小于2nT時(shí)，導(dǎo)航精度小于200m。同時(shí)聯(lián)合算法導(dǎo)航時(shí)間僅為傳統(tǒng)TERCOM算法的1／2，ICCP算法的1／6，提高了導(dǎo)航速度。

（4）SITAN地磁匹配導(dǎo)航算法及改進(jìn)。SITAN（sandia inertial terrain aided navigation）算法穩(wěn)定性差，容易產(chǎn)生濾波發(fā)散。基于此，研究基于改進(jìn)TERCOM與ICCP輔助的SITAN改進(jìn)算法。改善了SITAN算法在初始位置誤差過(guò)大時(shí)，濾波收斂慢或容易濾波發(fā)散的缺陷。

（5）海洋地磁匹配導(dǎo)航誤匹配診斷。誤匹配嚴(yán)重影響著水下地磁匹配導(dǎo)航的精度和可靠性，且在深海環(huán)境下無(wú)法采用外部導(dǎo)航手段進(jìn)行診斷。

為此，提出一種基于相似度極值探測(cè)的TERCOM誤匹配診斷技術(shù)，以及基于M值與角度結(jié)合的ICCP算法誤匹配探測(cè)方法；針對(duì)SITAN算法出現(xiàn)的誤匹配，給出了以穩(wěn)健的TERCOM與ICCP匹配結(jié)果為參考，輔助檢測(cè)誤匹配的思想；借助INS外源信息，提出一種基于距離和角度約束的誤匹配綜合診斷和修正方法，在實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有3種導(dǎo)航算法誤匹配綜合診斷的基礎(chǔ)上，可將TERCOM誤匹配修復(fù)至2倍格網(wǎng)長(zhǎng)度以內(nèi)。

（6）導(dǎo)航區(qū)域適配性能分析及適配航向選擇。采用熵、粗糙度等統(tǒng)計(jì)參量，實(shí)現(xiàn)對(duì)匹配區(qū)地磁變化特征的描述，并結(jié)合匹配試驗(yàn)對(duì)其顯著性進(jìn)行分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)適配區(qū)性能分析；在此基礎(chǔ)上，提出一種基于地磁共生矩陣適配航向的確定方法，實(shí)現(xiàn)了水下潛航器在0°、45°、90°、135°四個(gè)角度中最優(yōu)航向的選擇。

（7）水下地磁導(dǎo)航系統(tǒng)組成及誤差分析。研究地磁匹配輔助INS水下組合導(dǎo)航系統(tǒng)的組成、配置以及各單元的功能；分析影響組合導(dǎo)航系統(tǒng)導(dǎo)航精度的誤差源。