CN103822634A - 一种基于改进的iccp算法的重力匹配辅助惯性导航方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于改进的ICCP算法的重力匹配辅助惯性导航方法。使用本发明能够有效地提高重力辅助惯性导航系统的精度和实时性，从而减小惯导系统随时间积累误差及在惯导系统存在大误差条件下重力匹配失效的缺陷。本发明对匹配算法模块中的ICCP算法进行改进，用采样单个点数据代替序列采样的方法，将单个点数据替换序列数据中的首位数据，形成新的序列，从而缩短数据采样时间，提高匹配效率。

Description

一种基于改进的ICCP算法的重力匹配辅助惯性导航方法

技术领域

本发明涉及惯性导航技术领域，具体涉及一种基于改进的ICCP算法的重力匹配辅助惯性导航方法。

背景技术

惯性导航系统具有无源性和自主性，因此水下航行器一般采用以惯性导航为核心的导航系统，以实现水下自主隐蔽导航。但惯性导航系统存在误差随时间积累而发散的缺陷，如果不定期修正，就无法保证其水下航行器长航时及高精度两个要求，因此必须要通过其他导航方式实时或定时修正惯性导航系统来抑制导航系统位置误差的增长，提高长航时导航精度。目前辅助惯导系统常采用的无源方法是天文导航、地磁匹配及地形匹配等技术。近年来，借助地形匹配的技术成果，重力/惯性、地磁/惯性、GPS/惯性等组合导航的理论方法也相继成为了国内外研究和开放的重点。

重力匹配辅助惯性导航系统目前获得各国的广泛关注。地球重力场的变化是地球固有的物理信息，稳定性较好，重力数据的获得是一个无源的过程，最大程度保证了潜器导航的隐蔽性和自主性。将重力信息引入惯导系统，通过与惯导系统组合修正，可以形成自主、高精度、高隐蔽性、抗干扰能力强的组合导航系统。重力匹配的核心是算法，经典的方法是地形轮廓匹配方法（TERCOM）、桑迪亚惯性地形辅助导航方法（SITAN）和基于等值线的最近点迭代方法（ICCP）。ICCP算法是近年来使用较多的一类匹配算法，最初它是用于图像配准中，Behzad首次将其引入到水下辅助导航，并给出了具体的实现形式，Bishop则通过仿真试验系统地验证了该算法的可行性及各种误差影响。ICCP算法是ICP算法以等值线为匹配单元的特例，它原理简单，易于实现。

ICCP算法不需要进行事先估计分析，只需对实测点值不断重复迭代，以求得最佳航迹。主要问题涉及等值线提取、最近点的求解和坐标值转换计算。ICCP算法是针对序列数据进行的运算，在使用前，需采样出足够的惯导指示航迹点和重力测量值。地球重力场在小范围内变化并不明显，因此航行器需要大范围搜索采样点才能满足算法需要特别变化明显的重力值的要求。潜器在水下航行速度较慢，导致算法在取采样点和重力值的环节上耗费大量时间。而此期间惯导误差继续随时间积累，如若再进行匹配，势必造成一次完整的重力匹配修正惯导耗时长、精度低，相邻匹配相隔时间也过长，不能达到最佳匹配的效果。如果将采样时间缩短，可以提高匹配精度，充分达到修正惯性导航的目的。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于改进的ICCP算法的重力匹配辅助惯性导航方法，能够有效地提高重力辅助惯性导航系统的精度和实时性，从而减小惯导系统随时间积累误差及在惯导系统存在大误差条件下重力匹配失效的缺陷。

本发明的基于改进的ICCP算法的重力匹配辅助惯性导航方法中，匹配算法模块将重力仪器实测得的重力值与预存重力基准图中读取的重力值进行改进的ICCP算法匹配，得到接近真实轨迹的匹配轨迹，将匹配轨迹反馈给惯性导航系统进行轨迹修正，其中，改进的ICCP算法包括如下步骤：

步骤一，匹配算法模块利用重力仪器采集的n个航迹点作为初始序列P₁{p₁，p₂，…，p_n}，进行第一次匹配，第一次匹配时采用的刚性变换记为T₁，得到航迹M₁{m_1,1，m_2,1，…，m_n,1}；

步骤二，采集新的航迹点p_n+1，对p_n+1进行T₁变换得到m_n+1,1，将m_n+1,1代入航迹M₁中，替换航迹点m_1,1，形成航迹P₂{m_2,1，m_3,1，…，m_n,1，m_n+1,1}，将P₂作为初始序列进行第二次匹配，第二次匹配时采用的刚性变换记为T₂，得到航迹M₂{m_2,2，m_3,2，…，m_n+1,2}；

步骤三，采集新的航迹点p_n+2，对p_n+2先进行T₁变换后再进行T₂变换，得到m_n+2,2，将m_n+2,2代入航迹M₂中，替换航迹点m_2,2，形成航迹P₃{m_3,2，m_4,2，…，m_n+2,2}，将航迹P₃作为第三次匹配的初始航迹进行第三次匹配，第三次匹配时采用的刚性变换记为T₃，得到航迹M₃{m_3,3，m_4,3，…，m_n+2,3}；

步骤四，按照以上做法，采集新的航迹点p_n+i，对p_n+i进行T₁,T₂,…,T_i变换，得到m_n+i,i，将m_n+i,i代入航迹M_i中，替换航迹点m_i,i，形成航迹P_i+1{m _i+1,i，m _i+2,i，…，m_n+i,i}，将航迹P_i+1作为第i+1次匹配的初始航迹进行第i+1次匹配，第i+1次匹配时采用的刚性变换记为T _i+1，得到航迹M _i+1{m _i+1,i+1，m _i+2,i+1，…，m _i+n,i+1}；

步骤五，不断重复上述采样、迭代步骤，得到的结果为匹配算法求解出的最佳匹配航迹。

有益效果：

修改后的ICCP算法相对于传统的ICCP算法在计算上更具有连贯性，这就使得匹配误差相对减少，匹配轨迹精确度相对提高。由于只有第一次采样是序列值，之后的采样都是单个点值，这就满足了实时测量的要求，大大减少匹配算法前采样数据的消耗时间，提高了匹配效率和精度，对测量系统的修正也更精确。

附图说明

图1为重力匹配辅助惯导原理图。

图2为ICCP算法示意图。

图3为ICCP算法流程图。

图4为初始序列采样匹配示意图。

图5为单点采样二次匹配示意图。

图6为单点采样第三次匹配示意图。

图7为传统ICCP算法采样匹配示意图。

图8为改进的ICCP算法采样匹配示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种基于改进的ICCP算法的重力匹配辅助惯性导航方法，对传统的ICCP算法进行改进。

如图1所示，传统的重力辅助惯性导航系统一般主要分成惯性导航系统、预存重力基准图、基于动基座的实测重力参数系统和匹配算法四个模块。惯导系统模块的主要目的是对航行器在航行过程中进行自主隐蔽的导航定位；预存重力图模块的主要目的是利用惯导系统指示出的位置在重力图上找到重力值，作为匹配值；实测重力系统模块的主要目的是实时测量航行器所在位置的重力、水深等信息，利用重力值画出等值线，并找出惯导指示位置对应的最近等值线；匹配算法模块的主要目的是将实测重力值与预存重力图上读取的重力值利用ICCP算法匹配，使得匹配后得到的轨迹值最接近真实轨迹值。本发明主要是针对匹配算法模块中ICCP算法的改进问题，以提高重力辅助惯性导航系统的可靠性和实时性。

传统ICCP算法中，匹配数据为序列值，因此在每次匹配之前需要采样固定数目的序列数据之后才能进行匹配计算，由于惯导误差随时间积累，因此长时间序列值采样会导致匹配后的结果误差较大。本发明提出了用采样单个点数据代替序列采样的方法，将单个点数据替换序列数据中的首位数据，形成新的序列，从而缩短数据采样时间，提高匹配效率。即在跟踪模式下，与目标对象同步，实时追踪以获取一组采样序列值，作为初始匹配序列进行匹配；第二次待匹配值采样时只取单个采样点，将其加入上一次匹配得到的序列中代替首位的值形成新的待匹配序列进行匹配计算。这种待匹配值只取一次序列而后用单个点值替换组成新序列的方式可以缩短算法前采样的时间及完整匹配的时间，减小误差积累的影响，在短时间内获得较高精度的估计值，并达到了实时测量的目的，即便导航一段时间后，第k次匹配时需要将新采集的点进行T₁、T₂、……、T_k-1次变换，变换计算所需的时间也小于传统的采集10个数目的序列进行匹配所需的时间。

改进的ICCP算法具体步骤如下：

第一步，利用重力仪器实时测得的值绘出等值线图。

ICCP算法假设真实轨迹x_i一定位于等值线C上，因此在匹配计算前，利用重力仪器实时测得的重力数据值绘出重力等值线图，如图2所示。

第二步，采集测量序列，寻找其对应最近等值线点，经刚性变换T迭代得到匹配轨迹。

采集n个航迹点作为初始序列P₁{p₁，p₂，…，p_n}。找到个各航迹点对应的最近等值线点，将初始序列进行第一次匹配T₁，直到T₁收敛或最优目标函数值小于预设的阈值即停止迭代，得到新的航迹M₁{m_1,1，m_2,1，…，m_n,1}。寄存器一般工作方程为：

$M_1=J{\stackrel{\‾}{P}}_1+\stackrel{\‾}{K}{P}_1$

初始序列采样和匹配与传统方法相同，寻找最近等值线点是匹配算法的关键，它基于惯性导航定位误差不大的假设，即真实位置在惯导给出位置的附近。可以通过向等值线做垂线的方法寻找最近等值线点，但是真正的重力图是以离散的形式存储在计算机中的，这样我们需要在惯导位置的附近寻找重力值相等的最近点，故算法假设惯导误差不大。在匹配过程中，刚性变换分为旋转（R）和平移（t）两部分，先旋转使测量点x_i对准估计值y_i方向，再平移使两级和质心重合，匹配结束的标志是刚性变换T₁收敛或最优目标函数值小于预设的阈值δ。最优目标函数为：

$M=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left|\right|y_i-{\mathrm{Rp}}_i-t\left|\right|}^2$

第三步，在测量航迹上取新的单点p_n+1，对单点p_n+1进行T₁变换得到m_n+1,1，将m_n+1,1代入航迹M₁中，替换航迹点m_1,1，形成新的航迹P₂{m_2,1，m_3,1，…，m_n,1，m_n+1,1}，将新航迹P₂作为初始序列进行第二次匹配T₂，直到T₂收敛或最优目标函数值小于预设的阈值即停止迭代，得到新的航迹M₂{m_2,2，m_2,2，…，m_n+1,2}。

改进的方法中，只有初始匹配的采样点是以序列的形式获取，第二次匹配开始单个点采样，将单个点用过移位寄存与之前序列的n-1个数据形成新的匹配序列进行匹配计算。而单个点不是直接加入序列中，而是先经过T₁变换，与之前序列值同步，再进行T₂变换。

第四步，按照第三步的作法，取新采样点p_n+2，先进行T₁变换后再T₂变换，得到m_n+2,2，将m_n+2,2代入航迹M₂中，替换航迹点m_2,2，形成新的航迹P₃{m_3,2，m_4,2，…，m_n+2,2}，将航迹P₃作为第三次匹配的初始航迹进行匹配T₃，T₃呈现收敛或最优目标函数值小于预设的阈值即停止迭代，得到新的航迹M₃{m_3,3，m_4,3，…，m_n+2,3}。

第五步，按照以上做法，采集新的航迹点p_n+i，对p_n+i进行T₁,T₂,…,T_i变换，得到m_n+i,i，将m_n+i,i代入航迹M_i中，替换航迹点m_i,i，形成航迹P_i+1{m _i+1,i，m _i+2,i，…，m_n+i,i}，将航迹P_i+1作为第i+1次匹配的初始航迹进行第i+1次匹配T _i+1，得到航迹M _i+1{m _i+1,i+1，m _i+2,i+1，…，m _i+n,i+1}。

第六步，不断重复上述采样、迭代步骤，得到的结果为匹配算法求解出的最佳匹配航迹，将最佳匹配航迹反馈给惯性导航系统进行轨迹修正。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于改进的ICCP算法的重力匹配辅助惯性导航方法，其特征在于，匹配算法模块将重力仪器实测得的重力值与预存重力基准图中读取的重力值进行改进的ICCP算法匹配，得到接近真实轨迹的匹配轨迹，将匹配轨迹反馈给惯性导航系统进行轨迹修正，其中，改进的ICCP算法包括如下步骤：

步骤一，匹配算法模块利用重力仪器采集的n个航迹点作为初始序列P₁{p₁，p₂，…，p_n}，进行第一次匹配，第一次匹配时采用的刚性变换记为T₁，得到航迹M₁{m_1,1，m_2,1，…，m_n,1}；

步骤二，采集新的航迹点p_n+1，对p_n+1进行T₁变换得到m_n+1,1，将m_n+1,1代入航迹M₁中，替换航迹点m_1,1，形成航迹P₂{m_2,1，m_3,1，…，m_n,1，m_n+1,1}，将P₂作为初始序列进行第二次匹配，第二次匹配时采用的刚性变换记为T₂，得到航迹M₂{m_2,2，m_3,2，…，m_n+1,2}；

步骤三，采集新的航迹点p_n+2，对p_n+2先进行T₁变换后再进行T₂变换，得到m_n+2,2，将m_n+2,2代入航迹M₂中，替换航迹点m_2,2，形成航迹P₃{m_3,2，m_4,2，…，m_n+2,2}，将航迹P₃作为第三次匹配的初始航迹进行第三次匹配，第三次匹配时采用的刚性变换记为T₃，得到航迹M₃{m_3,3，m_4,3，…，m_n+2,3}；

步骤四，按照以上做法，采集新的航迹点p_n+i，对p_n+i进行T₁,T₂,…,T_i变换，得到m_n+i,i，将m_n+i,i代入航迹M_i中，替换航迹点m_i,i，形成航迹P_i+1{m _i+1,i，m _i+2,i，…，m_n+i,i}，将航迹P_i+1作为第i+1次匹配的初始航迹进行第i+1次匹配，第i+1次匹配时采用的刚性变换记为T _i+1，得到航迹M _i+1{m _i+1,i+1，m _i+2,i+1，…，m _i+n,i+1}；

步骤五，不断重复上述采样、迭代步骤，得到的结果为匹配算法求解出的最佳匹配航迹。

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