面向水下地磁導(dǎo)航的地磁測量誤差補(bǔ)償方法研究.pdf

1、長航時高精度自主導(dǎo)航技術(shù)是發(fā)展水下自主航行器（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）亟待解決的瓶頸技術(shù)之一。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（Inertial Navigation System,INS）因其能夠提供自主性及全維導(dǎo)航信息而成為 AUV的核心導(dǎo)航設(shè)備。但是，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)存在導(dǎo)航誤差隨時間累積的固有弱點，單獨使用難以滿足AUV的任務(wù)需求。地磁匹配導(dǎo)航技術(shù)可為 AUV提供隱蔽性好的外部校正信息源，用以修正 INS的累

2、積誤差，是當(dāng)前導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域研究的熱點。論文緊密結(jié)合水下地磁導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展需求，重點研究了強(qiáng)干擾環(huán)境下地磁測量誤差補(bǔ)償、觀測數(shù)據(jù)空間分布對地磁測量誤差補(bǔ)償?shù)挠绊懸约八聭T性/地磁匹配方法等，并通過試驗初步驗證了研究成果應(yīng)用的技術(shù)可行性。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴深入分析了地磁測量誤差傳播特性，對影響地磁測量精度的各類誤差源進(jìn)行了一體化建模。在分析和測試載體動態(tài)干擾磁特性變化的基礎(chǔ)上，提出一種利用載體的運(yùn)動約束來提高載體干擾場的穩(wěn)定

3、性和可補(bǔ)償性的方法，有效地簡化了地磁測量誤差在線補(bǔ)償問題；給出了地磁測量誤差補(bǔ)償算法的框架，可供實際工程中解決相關(guān)問題參考。⑵給出了基于約束總體最小二乘估計的地磁測量誤差補(bǔ)償方法。論文對傳統(tǒng)的地磁測量誤差補(bǔ)償方法進(jìn)行了分析和改進(jìn)，針對參數(shù)模型線性化過程中地磁測量噪聲特性發(fā)生改變、噪聲相關(guān)的特點，采用約束總體最小二乘方法來抑制觀測方程兩邊測量噪聲對參數(shù)估計的影響，并且充分利用測量噪聲之間的相關(guān)性，進(jìn)一步提高了參數(shù)估計精度。仿真和車載磁定向

4、試驗結(jié)果驗證了該算法的有效性。⑶提出了一種基于伸展粒子群優(yōu)化策略的地磁測量誤差補(bǔ)償方法。針對參數(shù)模型非線性強(qiáng)、公式計算復(fù)雜的特點，采用粒子群優(yōu)化策略進(jìn)行全局性搜索，避免了解析類優(yōu)化算法性能依賴于初值的缺點。伸展函數(shù)技術(shù)嵌入粒子群優(yōu)化搜索策略，提高了算法跳出局部最優(yōu)點的能力，增加了算法的全局收斂性和魯棒性。室內(nèi)實驗和外場試驗結(jié)果均表明，該算法的參數(shù)估計精度要高于現(xiàn)有的解析類算法。⑷采用D優(yōu)化設(shè)計方法，實現(xiàn)有限空間約束下的磁力儀轉(zhuǎn)動編排優(yōu)化

5、。在磁力儀標(biāo)定過程中，對磁力儀進(jìn)行多姿態(tài)的轉(zhuǎn)動，可以充分激勵地磁測量誤差，提高模型參數(shù)的可辨識度。但是，由于磁力儀捷聯(lián)在導(dǎo)航載體上，其機(jī)動能力受到較大的限制，難以完全滿足磁力儀的轉(zhuǎn)動要求。D優(yōu)化設(shè)計是從實驗設(shè)計的角度出發(fā)，在該設(shè)計原則下尋找磁力儀在允許的轉(zhuǎn)動空間內(nèi)的最優(yōu)編排。仿真試驗表明該方法有效減小了地磁觀測方程中觀測矩陣的條件數(shù)，提高了地磁測量誤差補(bǔ)償算法的穩(wěn)定性。該方法可以指導(dǎo)AUV在標(biāo)定區(qū)內(nèi)的機(jī)動航跡規(guī)劃。⑸針對船載三軸磁力儀（

6、shipboard three component magnetimeter，STCM）標(biāo)定所面臨的病態(tài)問題，將截斷總體最小二乘估計與 L曲線準(zhǔn)則相結(jié)合，給出了一種改進(jìn)的地磁測量誤差補(bǔ)償方法。對船載三軸磁力儀標(biāo)定問題的病態(tài)性進(jìn)行了深入分析，針對磁力儀特定的安裝環(huán)境和機(jī)動條件，將總體最小二乘解估計進(jìn)行奇異值分解，并按照 L曲線準(zhǔn)則截除受測量噪聲影響較大的解成分，獲得穩(wěn)定的解估計。仿真和試驗結(jié)果表明，基于該方法的地磁測量誤差補(bǔ)償算法能夠有效

7、地減小病態(tài)性問題的影響，獲得穩(wěn)定的高精度參數(shù)估計。⑹提出了一種基于樹搜索的水下慣性/地磁匹配定位算法。在詳細(xì)分析現(xiàn)有地磁匹配算法的基礎(chǔ)上，結(jié)合補(bǔ)償后的地磁測量信號特性和AUV運(yùn)動特性，采用誤差有界的思想描述地磁測量信號的誤差以及慣性導(dǎo)航誤差，并將地磁匹配定位問題轉(zhuǎn)化為樹搜索問題，進(jìn)而采用寬度優(yōu)先搜索策略和相關(guān)匹配準(zhǔn)則搜索得到最佳匹配軌跡。水下AUV搭載試驗結(jié)果表明，采用本文所給出的地磁測量誤差補(bǔ)償方法對地磁場數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，偏差能降至1