基于重力和環(huán)境特征的水下導(dǎo)航定位方法研究.pdf

1、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)可以滿足需要長期執(zhí)行水下潛航任務(wù)的潛艇及其它水下航行器對導(dǎo)航系統(tǒng)自主性和隱蔽性方面的要求，但是其精確性卻不盡人意，需要其它輔助導(dǎo)航系統(tǒng)來校正其眾所周知的隨時間不斷增長的定位誤差。海洋地球物理導(dǎo)航方法由于具有定位精度高、無需浮出水面等優(yōu)點，恰好可以彌補慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在定位精度方面的不足，是潛艇等水下航行器理想的水下輔助導(dǎo)航定位手段。本論文即著重研究基于重力和環(huán)境特征的水下地球物理導(dǎo)航定位方法。
　　 鑒于我國現(xiàn)階段尚沒有

2、實測重力梯度數(shù)據(jù)的客觀情況，利用直角矩形棱柱法由海洋地形圖構(gòu)造了重力梯度圖，并根據(jù)兩片真實海域的地形圖生成了相應(yīng)的梯度圖，作為重力梯度匹配算法研究和測試的基礎(chǔ)。針對大部分現(xiàn)有重力匹配算法在慣導(dǎo)位置誤差較大情況下不可用的缺點，在深入研究概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理基礎(chǔ)上，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在分類問題上的優(yōu)勢，提出基于概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的重力梯度匹配算法，并討論了不同梯度分量組合作為網(wǎng)絡(luò)輸入對算法匹配成功概率的影響，以解決慣導(dǎo)系統(tǒng)的大位置誤差校正問題。仿真試驗證明

3、該梯度匹配算法無需慣導(dǎo)信息即可有效降低導(dǎo)航系統(tǒng)的位置誤差，可用于潛器位置誤差較大的情況下。
　　 從重力儀測量原理入手，深入分析了在正常重力計算過程中較大的慣導(dǎo)位置誤差會為匹配導(dǎo)航系統(tǒng)引入數(shù)值上無法忽略的觀測誤差的機理，提出將重力儀測量和重力異常數(shù)據(jù)庫均轉(zhuǎn)化為重力后再進行匹配的策略，從根本上消除了這種觀測誤差帶來的不利影響。充分利用慣導(dǎo)系統(tǒng)短時高精度的特點，提出另一種在慣導(dǎo)位置誤差較大情況下適用的基于價值函數(shù)最優(yōu)化的等值線匹配算

4、法，在先驗重力圖上通過搜索、跟蹤和決策過程尋找與慣導(dǎo)航跡形狀最相似的航跡作為匹配航跡。在模擬重力圖和真實重力圖上進行的仿真試驗均表明，在正常海況和中等精度慣導(dǎo)情況下，等值線匹配算法即可獲得較高的定位精度，適用于慣導(dǎo)大位置誤差的水下校正。
　　 為進一步實現(xiàn)對慣導(dǎo)系統(tǒng)的速度、姿態(tài)誤差的校正，在重力匹配導(dǎo)航系統(tǒng)提供的位置校正信息基礎(chǔ)上，以慣導(dǎo)系統(tǒng)誤差模型為系統(tǒng)方程，重力匹配算法提供的位置與慣導(dǎo)輸出位置之間的差值為觀測量，構(gòu)建了重力/

5、慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)，通過卡爾曼濾波實現(xiàn)對慣導(dǎo)位置、速度和姿態(tài)誤差的精確估計。分析慣導(dǎo)位置航向誤差與陀螺漂移之間的關(guān)系，以重力匹配算法得到的匹配位置為位置重調(diào)值，應(yīng)用三次定位校正法對陀螺常值漂移進行估計，并通過仿真試驗證明了利用重力輔助導(dǎo)航結(jié)果對陀螺漂移估計的可行性和有效性。
　　 在那些尚未測繪的或重力變化過于平緩的海區(qū)，重力輔助導(dǎo)航系統(tǒng)將無法工作，此時可采用基于海洋環(huán)境特征的同步構(gòu)圖定位算法作為重力輔助導(dǎo)航的替代方法，用于降低導(dǎo)

6、航誤差的增長速度。論文對同步構(gòu)圖定位算法的基本原理進行了深入研究，并針對水下載體的非線性系統(tǒng)模型，討論了系統(tǒng)的預(yù)測、觀測和狀態(tài)擴充過程，利用擴展卡爾曼濾波技術(shù)對算法進行了實現(xiàn)。區(qū)域探索和航渡兩組仿真試驗的結(jié)果均證明，基于擴展卡爾曼濾波的同步構(gòu)圖定位算法可以有效減緩潛艇等水下航行器的誤差增長速度，提高導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度。針對現(xiàn)有數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)方法在計算復(fù)雜度和關(guān)聯(lián)穩(wěn)定性方面的不足，提出了一種改進數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)方法，并利用仿真試驗證明了該算法可在較小的