CN108362281B - 一种长基线水下潜艇匹配导航方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种长基线水下潜艇匹配导航方法及系统，该方法包括：确定潜艇的起始点锚固位置；根据所述起始点锚固位置，确定潜艇的航迹坐标、航迹深度及绝对重力值；使用所述航迹深度校正所述绝对重力值，获得航迹重力异常值；根据所述航迹坐标和设备误差幅度在重力基准图上确定搜索区域；所述设备误差幅度由惯导设备决定；将所述航迹重力异常值和所述搜索区域进行分析，得到匹配路径；以所述匹配路径为准，将所述惯导系统的所述航迹坐标对应的当前位置挪移到所述匹配路径处。采用本发明方法或系统可以使用户实现实时、快速、精确的导航定位。

Description

一种长基线水下潜艇匹配导航方法及系统

技术领域

本发明涉及海洋重力匹配导航领域，特别是涉及一种长基线水下潜艇匹配导航方法及系统。

背景技术

水下载体由于隐蔽性的需求必须长时间在水下航行，自身的定位及其安全性尤其突出。利用地球自有物理特征来辅助惯性导航的无源导航理论和方法是现阶段国内外研究机构和学者关注的一个热点。

在海底航行时，其深部导航十分困难。无法查看星像、太阳等天文坐标，也无法收到卫星导航系统的无线电信号。为了在海洋深处进行导航，一般使用航位推测法，测量出行进路线和速度并使用这些参数计算出潜器位置。导航工具是陀螺仪和加速度计，用陀螺仪判定航行方位，用加速度计测量运动变化所产生的力，从而计算出行驶的距离。但存在一个问题，如果潜艇人员不知道他们的初始位置，这些数据就都是无效的。并且无论如何精确的计算，经过一段时间后积累的误差就会增大。为了进行位置校准，潜水艇必需浮出水面，根据卫星导航系统重新确定他们的位置，代价是会丧失潜艇的隐蔽性，降低潜艇的生存作战能力。

因此基于地球重力场的无源水下导航技术应运而生。海洋重力匹配导航是利用海洋重力场的空间分布特征提高惯性导航精度，修正或限定惯性导航系统(INS)误差积累的无源自主导航方法。它直接确定相对于基准参考坐标系的位置和速度，可在水下实现INS综合校正，无需浮出水面或使用外部坐标，不需要来自地球的导航和通信信号，也不需要制作人工导航信标，隐蔽性强。当前，为了维护国家统一和主权领土完整，保障国家海洋权益和战略通道以及全球海上贸易交通运输安全，我海军急需冲出第一、第二岛链并完成向蓝水海军的转变，海洋重力匹配导航技术是实现上述转变的重要技术支撑。另外，海洋重力匹配导航有望解决无人潜艇对水下精确无源自主导航的迫切需求，从而实现海军作战方式的重大变革。

在现有的海洋重力匹配导航算法中，有代表性的方法主要为地形轮廓匹配算法(TERCOM)、桑迪亚惯性—地形辅助导航算法(SITAN)、基于等值线的最近点迭代算法(ICCP)等。这些方法各有优劣，适用于各种对导航精度要求不同的场合。

地形轮廓匹配算法(TERCOM)：是一种利用重力场轮廓特征实现精确定位的导航技术，其基本原理为：当水下潜器经过匹配区时，潜器上的重力仪对潜器下方的重力场剖面进行采样，并在基准图中搜索出有最佳拟合的重力场特征，该重力场特征在基准图中所处的位置即为潜器的精确位置，从而修正潜器的航行路线。优点：对初始位置误差要求较小，不必对搜索区域内的重力作线性或高斯分布假设。缺点：搜索范围比较大、实时性较差、基线短、对航向误差较敏感。

桑迪亚惯性—地形辅助导航算法(SITAN)：是美国桑迪亚实验室在20世纪70年代开发的地形辅助导航技术，也可用于重力匹配导航。它通过扩展卡尔曼滤波器来处理测量的重力场幅值与预期的基准图幅值之差，以连续估计惯导系统的位置和速度误差。优点：对系统的修正是实时的，精度相较于TERCOM高，容许有较大速度和航向误差。缺点：需要较精确的初始位置、基线短、要对重力作线性化估计。

最近点迭代算法(ICCP)：源于图象配准中基于等值线的迭代最近点算法。该算法将重力仪测量得到的数据与相对应的先验重力异常数据库中的等值线进行匹配，找出测量航迹同已有地图之间的最优匹配变换，再将经过变换的航迹作为匹配航迹，以便对测量航迹进行校正。优点：有较强的克服航向误差的能力，不必对重力数据做预处理，可以进行全自由度估计。缺点：搜索范围比较大、实时性较差，对观测数据长度有要求，对航向误差比较敏感。

通过上述介绍，海洋重力匹配导航算法目前最重要的问题就是起点误差影响大，对航向误差比较敏感，且由于是短基线匹配，起点一直在变动。

发明内容

本发明的目的是提供一种长基线水下潜艇匹配导航方法及系统，采用起端锚固的方法消除了算法由于起始点不精确带来的匹配误差问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种长基线水下潜艇匹配导航方法，包括：

确定潜艇的起始点锚固位置；

根据所述起始点锚固位置，确定潜艇的航迹坐标、航迹深度及绝对重力值；

使用所述航迹深度校正所述绝对重力值，获得航迹重力异常值；

根据所述航迹坐标和设备误差幅度在重力基准图上确定搜索区域；所述设备误差幅度由惯导设备决定；

将所述航迹重力异常值和所述搜索区域进行分析，得到匹配路径；

以所述匹配路径为准，将所述惯导系统的所述航迹坐标对应的当前位置挪移到所述匹配路径处。

可选的，所述使用所述航迹深度校正所述绝对重力值，获得航迹重力异常值具体包括：

将所述绝对重力值归算到大地水准面上，得到水准面绝对重力值；

所述水准面绝对重力值减去正常重力得到重力差值，所述重力差值为所述航迹重力异常值。

可选的，所述根据所述航迹坐标和设备误差幅度在重力基准图上确定搜索区域具体包括：

读取潜艇惯导系统数据；

对所述惯导系统数据进行卡尔曼滤波；

根据滤波结果计算潜艇的概略位置；

以惯导误差幅度为参考，计算出概略位置范围；

以所述概略位置为中心，以所述概略位置范围为大小，选定搜索区域。

可选的，所述将所述航迹重力异常值和所述搜索区域进行分析，得到匹配路径具体包括：

根据所述搜索区域确定该搜索区域对应的重力基准子图，所述重力基准图包括多个重力基准子图；

根据所述航迹重力异常值与所述航迹坐标构建航迹重力异常数据序列；

将所述航迹重力异常数据序列与所述重力基准子图进行归一化积相关分析，得到归一化积相关分析结果J_NPC；

将所述航迹重力异常数据序列与所述重力基准子图进行平均绝对差分析，得到平均绝对差分析结果J_MAD；

将所述航迹重力异常数据序列与所述重力基准子图进行均方差分析，得到均方差分析结果J_MSD；

若所述归一化积相关分析结果、所述平均绝对差分析结果、所述均方差分析结果同时满足J_NPC最大，J_MAD和J_MSD最小，则所述航迹重力异常数据序列在所述重力基准子图上的对应位置为所述匹配路径；若均不满足，则将所述搜索区域四边扩大一个分辨率网格，更新搜索区域。

可选的，所述以所述匹配路径为准，将所述惯导系统的所述航迹坐标对应的当前位置挪移到所述匹配路径处具体包括：

对所述航迹重力异常值进行粗差剔除；所述航迹重力异常值与所述航迹重力异常值平均值之差的绝对值大于3倍标准差的所述航迹重力异常值均视为粗差；

读取所述搜索区域的坐标信息；

从所述重力基准图中提取与所述绝对重力值同点位的重力剖面；

根据所述搜索区域的坐标信息及所述重力剖面计算各个所述绝对重力值对应的采样点相对位置关系；

根据所述相对位置关系计算匹配路径；

根据所述匹配路径修正所述惯导系统的航迹位置，将所述惯导系统挪移到所述匹配路径处。

一种长基线水下潜艇匹配导航系统，包括：

锚固位置确定模块，用于确定起始点锚固位置；

数据确定模块，用于根据所述起始点锚固位置，确定潜艇的航迹坐标、航迹深度及绝对重力值；

重力异常值计算模块，用于使用所述航迹深度校正所述绝对重力值，获得航迹重力异常值；

搜索区域确定模块，用于根据所述航迹坐标和设备误差幅度在重力基准图上确定搜索区域；所述设备误差幅度由惯导设备决定；

匹配路径确定模块，用于将所述航迹重力异常值和所述搜索区域进行分析，得到匹配路径；

位置调整模块，用于以所述匹配路径为准，将所述惯导系统的所述航迹坐标对应的当前位置挪移到所述匹配路径处。

可选的，所述搜索区域确定模块具体包括：

惯导数据读取单元，用于读取潜艇惯导系统数据；

滤波单元，用于对所述惯导系统数据进行卡尔曼滤波；

概略位置计算单元，用于根据滤波结果计算潜艇的概略位置；

概略位置范围计算单元，用于以惯导误差幅度为参考，计算出概略位置范围；

搜索区选定单元，用于以所述概略位置为中心，以所述概略位置范围为大小，选定搜索区域。

可选的，所述匹配路径确定模块具体包括：

重力基准子图确定单元，用于根据所述搜索区域确定该搜索区域对应的重力基准子图，所述重力基准图包括多个重力基准子图；

数据序列构建单元，用于根据所述航迹重力异常值与所述航迹坐标构建航迹重力异常数据序列；

第一序列分析单元，用于将所述航迹重力异常数据序列与所述重力基准子图进行归一化积相关分析，得到归一化积相关分析结果J_NPC；

第二序列分析单元，用于将所述航迹重力异常数据序列与所述重力基准子图进行平均绝对差分析，得到平均绝对差分析结果J_MAD；

第三序列分析单元，用于将所述航迹重力异常数据序列与所述重力基准子图进行均方差分析，得到均方差分析结果J_MSD；

分析结果获取单元，用于若所述归一化积相关分析结果、所述平均绝对差分析结果、所述均方差分析结果同时满足J_NPC最大，J_MAD和J_MSD最小，则所述航迹重力异常数据序列在所述重力基准子图上的对应位置为所述匹配路径；若均不满足，则将所述搜索区域四边扩大一个分辨率网格，更新搜索区域。

可选的，所述位置调整模块具体包括：

粗差剔除单元，用于对所述航迹重力异常值进行粗差剔除；所述航迹重力异常值与所述航迹重力异常值平均值之差的绝对值大于3倍标准差的所述航迹重力异常值均视为粗差；

搜索器坐标读取单元，用于读取所述搜索区域的坐标信息；

重力剖面提取单元，用于从所述重力基准图中提取与所述绝对重力值同点位的重力剖面；

位置关系计算单元，用于根据所述搜索区域的坐标信息及所述重力剖面计算各个所述绝对重力值对应的采样点相对位置关系；

重力匹配路径计算单元，用于根据所述相对位置关系计算重力匹配路径；

位置修正单元，用于根据所述匹配路径修正所述惯导系统的航迹位置，将所述惯导系统挪移到所述匹配路径处。

一种长基线水下潜艇匹配导航系统，包括：北斗/GPS接收机、惯导系统、测深仪、重力仪、交换机、控制器、图形显示器；

所述北斗/GPS接收机用于确定起始点锚固位置；

所述惯导系统用于实时测量潜艇在所述起始点锚固位置的航迹坐标；

所述测深仪用于实时测量潜艇在所述起始点锚固位置的航迹深度；

所述重力仪用于实时测量潜艇航迹上的绝对重力值；

所述交换机用于将所述航迹坐标、所述航迹深度、所述绝对重力值传输至所述控制器；

所述控制器用于对所述航迹坐标、所述航迹深度、所述绝对重力值进行数据处理，得到匹配路径，根据所述匹配路径将所述惯导系统的所述航迹坐标对应的当前位置挪移到所述匹配路径处；

所述图形显示器用于可视化显示潜艇的位置。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明中通过确定起始点锚固位置，在此位置对潜艇进行航迹坐标、航迹深度、绝对重力值的测量，根据绝对重力值计算重力异常值，进而根据航迹坐标确定搜索区域，对搜索区域进行分析得到匹配路径，结合匹配路径调整潜艇的当前位置。本发明中采用起端锚固的手段消除了算法由于起始点不精确带来的匹配误差；潜器自航行起始不再设置新的起点，数据连续采集，因此基线也长，这样用于匹配的航迹重力异常数据特征丰富，减少了搜索次数，匹配速度快。长基线，航迹重力测量值特征明显，易于匹配，降低了搜索时间；位置解算中心可实时进行位置解算。

本发明可应用于重力异常匹配导航，可用于重力梯度匹配导航，还可用于传统的地形匹配导航，是一种多功能水下导航系统。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例水下潜艇匹配导航方法流程图；

图2为本发明实施例水下潜艇匹配导航系统结构框图；

图3为本发明实施例水下潜艇匹配导航系统结构图；

图4为本发明实施例确定搜索区域方法流程图；

图5为本发明实施例获取匹配路径的方法流程图；

图6为本发明实施例位置调整的方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种长基线水下潜艇匹配导航方法及系统，采用起端锚固的方法消除了算法由于起始点不精确带来的匹配误差问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例水下潜艇匹配导航方法流程图。参见图1，一种长基线水下潜艇匹配导航方法，包括：

步骤101：确定潜艇的起始点锚固位置；

步骤102：根据所述起始点锚固位置，确定潜艇的航迹坐标、航迹深度及绝对重力值；

步骤103：使用所述航迹深度校正所述绝对重力值，获得航迹重力异常值；

步骤104：根据所述航迹坐标和设备误差幅度在重力基准图上确定搜索区域；所述设备误差幅度由惯导设备决定；

步骤105：将所述航迹重力异常值和所述搜索区域进行分析，得到匹配路径；

步骤106：以所述匹配路径为准，将所述惯导系统的所述航迹坐标对应的当前位置挪移到所述匹配路径处。

采用本发明上述方法消除了算法由于起始点不精确带来的匹配误差；潜器自航行起始不再设置新的起点，数据连续采集，因此基线也长，这样用于匹配的航迹重力异常数据特征丰富，减少了搜索次数，匹配速度快。

其中，所述使用所述航迹深度校正所述绝对重力值，获得航迹重力异常值具体包括：

将所述绝对重力值归算到大地水准面上，得到水准面绝对重力值；

所述水准面绝对重力值减去正常重力得到重力差值，所述重力差值为所述航迹重力异常值。

图4为本发明实施例确定搜索区域方法流程图。参见图4，所述根据所述航迹坐标和设备误差幅度在重力基准图上确定搜索区域具体包括：

步骤1041：读取潜艇惯导系统数据；

步骤1042：对所述惯导系统数据进行卡尔曼滤波；

步骤1043：根据滤波结果计算潜艇的概略位置；

步骤1044：以惯导误差幅度为参考，计算出概略位置范围；

步骤1045：以所述概略位置为中心，以所述概略位置范围为大小，选定搜索区域。

图5为本发明实施例获取匹配路径的方法流程图。参见图5，所述将所述航迹重力异常值和所述搜索区域进行分析，得到匹配路径具体包括：

步骤1051：根据所述搜索区域确定该搜索区域对应的重力基准子图，所述重力基准图包括多个重力基准子图；

步骤1052：根据所述航迹重力异常值与所述航迹坐标构建航迹重力异常数据序列；

步骤1053：将所述航迹重力异常数据序列与所述重力基准子图进行归一化积相关分析，得到归一化积相关分析结果J_NPC；

步骤1054：将所述航迹重力异常数据序列与所述重力基准子图进行平均绝对差分析，得到平均绝对差分析结果J_MAD；

步骤1055：将所述航迹重力异常数据序列与所述重力基准子图进行均方差分析，得到均方差分析结果J_MSD；

步骤1056：若所述归一化积相关分析结果、所述平均绝对差分析结果、所述均方差分析结果同时满足J_NPC最大，J_MAD和J_MSD最小，

步骤1057：所述航迹重力异常数据序列在所述重力基准子图上的对应位置为所述匹配路径；

步骤1058：若均不满足，则将所述搜索区域四边扩大一个分辨率网格，更新搜索区域。

图6为本发明实施例位置调整的方法流程图。参见图6，所述以所述匹配路径为准，将所述惯导系统的所述航迹坐标对应的当前位置挪移到所述匹配路径处具体包括：

步骤1061：对所述航迹重力异常值进行粗差剔除；所述航迹重力异常值与所述航迹重力异常值平均值之差的绝对值大于3倍标准差的所述航迹重力异常值均视为粗差；

步骤1062：读取所述搜索区域的坐标信息；

步骤1063：从所述重力基准图中提取与所述绝对重力值同点位的重力剖面；

步骤1064：根据所述搜索区域的坐标信息及所述重力剖面计算各个所述绝对重力值对应的采样点相对位置关系；

步骤1065：根据所述相对位置关系计算匹配路径；

步骤1066：根据所述匹配路径修正所述惯导系统的航迹位置，将所述惯导系统挪移到所述匹配路径处。

图2为本发明实施例水下潜艇匹配导航系统结构框图。参见图2，一种长基线水下潜艇匹配导航系统，包括：

锚固位置确定模块201，用于确定起始点锚固位置；

数据确定模块202，用于根据所述起始点锚固位置，确定潜艇的航迹坐标、航迹深度及绝对重力值；

重力异常值计算模块203，用于使用所述航迹深度校正所述绝对重力值，获得航迹重力异常值；

搜索区域确定模块204，用于根据所述航迹坐标和设备误差幅度在重力基准图上确定搜索区域；所述设备误差幅度由惯导设备决定；

匹配路径确定模块205，用于将所述航迹重力异常值和所述搜索区域进行分析，得到匹配路径；

位置调整模块206，用于以所述匹配路径为准，将所述惯导系统的所述航迹坐标对应的当前位置挪移到所述匹配路径处。

采用上述系统消除了算法由于起始点不精确带来的匹配误差；长基线，航迹重力测量值特征明显，易于匹配，降低了搜索时间；位置解算中心可实时进行位置解算。

其中，所述搜索区域确定模块具体包括：

惯导数据读取单元，用于读取潜艇惯导系统数据；

滤波单元，用于对所述惯导系统数据进行卡尔曼滤波；

概略位置计算单元，用于根据滤波结果计算潜艇的概略位置；

概略位置范围计算单元，用于以惯导误差幅度为参考，计算出概略位置范围；

搜索区选定单元，用于以所述概略位置为中心，以所述概略位置范围为大小，选定搜索区域。

其中，所述匹配路径确定模块具体包括：

重力基准子图确定单元，用于根据所述搜索区域确定该搜索区域对应的重力基准子图，所述重力基准图包括多个重力基准子图；

数据序列构建单元，用于根据所述航迹重力异常值与所述航迹坐标构建航迹重力异常数据序列；

第一序列分析单元，用于将所述航迹重力异常数据序列与所述重力基准子图进行分析，得到J_NPC分析结果；

第二序列分析单元，用于将所述航迹重力异常数据序列与所述重力基准子图进行分析，得到J_MAD分析结果；

第三序列分析单元，用于将所述航迹重力异常数据序列与所述重力基准子图进行分析，得到J_MSD分析结果；

分析结果获取单元，用于若所述J_NPC分析结果、所述J_MAD分析结果、所述J_MSD分析结果同时满足J_NPC最大，J_MAD和J_MSD最小，则所述航迹重力异常数据序列在所述重力基准子图上的对应位置为所述匹配路径；若均不满足，则将所述搜索区域四边扩大一个分辨率网格，更新搜索区域。

其中，所述位置调整模块具体包括：

粗差剔除单元，用于对所述航迹重力异常值进行粗差剔除；所述航迹重力异常值与所述航迹重力异常值平均值之差的绝对值大于3倍标准差的所述航迹重力异常值均视为粗差；

搜索器坐标读取单元，用于读取所述搜索区域的坐标信息；

重力剖面提取单元，用于从所述重力基准图中提取与所述绝对重力值同点位的重力剖面；

位置关系计算单元，用于根据所述搜索区域的坐标信息及所述重力剖面计算各个所述绝对重力值对应的采样点相对位置关系；

重力匹配路径计算单元，用于根据所述相对位置关系计算重力匹配路径；

位置修正单元，用于根据所述匹配路径修正所述惯导系统的航迹位置，将所述惯导系统挪移到所述匹配路径处。

图3为本发明实施例水下潜艇匹配导航系统结构图。参见图3，一种长基线水下潜艇匹配导航系统，包括：北斗/GPS接收机301、惯导系统302、测深仪303、重力仪304、交换机305、控制器306、图形显示器307；

所述北斗/GPS接收机301用于确定起始点锚固位置；

所述惯导系统302用于实时测量潜艇在所述起始点锚固位置的航迹坐标；

所述测深仪303用于实时测量潜艇在所述起始点锚固位置的航迹深度；

所述重力仪304用于实时测量潜艇航迹上的绝对重力值；

所述交换机305用于将所述航迹坐标、所述航迹深度、所述绝对重力值传输至所述控制器；

所述控制器306用于对所述航迹坐标、所述航迹深度、所述绝对重力值进行数据处理，得到匹配路径，根据所述匹配路径将所述惯导系统的所述航迹坐标对应的当前位置挪移到所述匹配路径处；

所述图形显示器307用于可视化显示潜艇的位置。

采用上述系统消除了由于起始点不精确带来的匹配误差，易于匹配，降低了搜索时间，匹配速度快。

本发明提供了一种起端锚固、长基线、全程、实时海洋重力匹配导航算法，即使用一端锚固提供了精准初始位置，避免了初始位置误差，水下潜器在航行过程中不间断进行重力、惯性测量，采用惯导和重力辅助的组合导航方式实时解算位置。传统的导航方式起点不固定，且采用的是分段重力匹配解算，而本文研究的方法是起端锚固的，无需考虑初始位置误差，且随潜器航行时间延长，用于匹配的重力数据样本增多，数据特征更为明显，这提升了搜索效率。该方法对初始位置误差要求较小，突破单一匹配导航算法的局限性，实现了长基线、实时的高精度重力匹配导航。

潜艇起航时，通过北斗/GPS接收机获得起端坐标，在航行过程中，实时测量航迹重力和惯导数据，通过交换机传输到控制器，应用惯导和重力配合的方式计算出潜器的位置，最后在图形显示器上进行可视化显示。

本发明中的匹配方法的匹配原理如下：

重力场基准图是二维的，从二维重力图中提取一维重力剖面，已知航线的方向和采样的点数，求各个所述绝对重力值对应的采样点的相对位置关系，然后确定在基准图中与实时图位置形状对应的一系列相互平行的剖面。

由航行方向可以求出航线的斜率k：

y_i+1＝kx_i+1+B＝y_i+kΔx

其中，x、y为航迹坐标，k为航迹线段斜率，B为航迹线段公式常数项，Δx为x方向点距。取Δx＝1，有y_i+1＝y_i+k，所述绝对重力值对应的采样点的坐标为(x，round(y+0.5))。上面的情况只适用于|k|≤1的情况；对于|k|>1的情况，只需交换x、y即可，公式类似。

相关分析用以检验从重力图中提取的各重力剖面与实测重力剖面的相关程度。使用三种算法作为相关性的检验指标，即归一化积相关算法(NPC)、平均绝对差算法(MAD)和均方差算法(MSD)，它们的离散形式定义为：

式中，g_r为实测重力数据；g_m为重力基准图存储数据；N为实测航迹重力序列长度；Δe，Δn为e，n方向的偏移量。

最优的匹配路径就是同时要使J_NPC最大，J_MAD和J_MSD最小。

起端锚固的长基线匹配导航算法消除了起始点精确度影响，增加了航迹重力场特征，便于搜索和匹配。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种长基线水下潜艇匹配导航方法，其特征在于，所述导航方法包括：

通过北斗/GPS接收机确定潜艇的起始点锚固位置；

根据所述起始点锚固位置，确定潜艇的航迹坐标、航迹深度及绝对重力值；其中，惯导系统用于实时测量潜艇在所述起始点锚固位置的航迹坐标，测深仪用于实时测量潜艇在所述起始点锚固位置的航迹深度，重力仪用于实时测量潜艇航迹上的绝对重力值；

使用所述航迹深度校正所述绝对重力值，获得航迹重力异常值；

根据所述航迹坐标和设备误差幅度在重力基准图上确定搜索区域；所述设备误差幅度由惯导系统决定；

将所述航迹重力异常值和所述搜索区域进行分析，得到匹配路径；

所述将所述航迹重力异常值和所述搜索区域进行分析，得到匹配路径具体包括：

根据所述搜索区域确定该搜索区域对应的重力基准子图，所述重力基准图包括多个重力基准子图；

根据所述航迹重力异常值与所述航迹坐标构建航迹重力异常数据序列；

将所述航迹重力异常数据序列与所述重力基准子图进行归一化积相关分析，得到归一化积相关分析结果J_NPC；

将所述航迹重力异常数据序列与所述重力基准子图进行平均绝对差分析，得到平均绝对差分析结果J_MAD；

将所述航迹重力异常数据序列与所述重力基准子图进行均方差分析，得到均方差分析结果J_MSD；

若所述归一化积相关分析结果、所述平均绝对差分析结果、所述均方差分析结果同时满足J_NPC最大，J_MAD和J_MSD最小，则所述航迹重力异常数据序列在所述重力基准子图上的对应位置为所述匹配路径；若均不满足，则将所述搜索区域四边扩大一个分辨率网格，更新搜索区域；

以所述匹配路径为准，将所述惯导系统的所述航迹坐标对应的当前位置挪移到所述匹配路径处。

2.根据权利要求1所述的导航方法，其特征在于，所述使用所述航迹深度校正所述绝对重力值，获得航迹重力异常值具体包括：

将所述绝对重力值归算到大地水准面上，得到水准面绝对重力值；

所述水准面绝对重力值减去正常重力得到重力差值，所述重力差值为所述航迹重力异常值。

3.根据权利要求1所述的导航方法，其特征在于，所述根据所述航迹坐标和设备误差幅度在重力基准图上确定搜索区域具体包括：

读取潜艇惯导系统数据；

对所述惯导系统数据进行卡尔曼滤波；

根据滤波结果计算潜艇的概略位置；

以惯导误差幅度为参考，计算出概略位置范围；

以所述概略位置为中心，以所述概略位置范围为大小，选定搜索区域。

4.根据权利要求3所述的导航方法，其特征在于，所述以所述匹配路径为准，将所述惯导系统的所述航迹坐标对应的当前位置挪移到所述匹配路径处具体包括：

对所述航迹重力异常值进行粗差剔除；所述航迹重力异常值与所述航迹重力异常值平均值之差的绝对值大于3倍标准差的所述航迹重力异常值均视为粗差；

读取所述搜索区域的坐标信息；

从所述重力基准图中提取与所述绝对重力值同点位的重力剖面；

根据所述搜索区域的坐标信息及所述重力剖面计算各个所述绝对重力值对应的采样点相对位置关系；

根据所述相对位置关系计算匹配路径；

根据所述匹配路径修正所述惯导系统的航迹位置，将所述惯导系统挪移到所述匹配路径处。

5.一种长基线水下潜艇匹配导航系统，其特征在于，所述导航系统包括：

锚固位置确定模块，用于通过北斗/GPS接收机确定潜艇的起始点锚固位置；

数据确定模块，用于根据所述起始点锚固位置，确定潜艇的航迹坐标、航迹深度及绝对重力值；其中，惯导系统用于实时测量潜艇在所述起始点锚固位置的航迹坐标，测深仪用于实时测量潜艇在所述起始点锚固位置的航迹深度，重力仪用于实时测量潜艇航迹上的绝对重力值；

重力异常值计算模块，用于使用所述航迹深度校正所述绝对重力值，获得航迹重力异常值；

搜索区域确定模块，用于根据所述航迹坐标和设备误差幅度在重力基准图上确定搜索区域；所述设备误差幅度由惯导系统决定；

匹配路径确定模块，用于将所述航迹重力异常值和所述搜索区域进行分析，得到匹配路径；

所述匹配路径确定模块具体包括：

重力基准子图确定单元，用于根据所述搜索区域确定该搜索区域对应的重力基准子图，所述重力基准图包括多个重力基准子图；

数据序列构建单元，用于根据所述航迹重力异常值与所述航迹坐标构建航迹重力异常数据序列；

第一序列分析单元，用于将所述航迹重力异常数据序列与所述重力基准子图进行归一化积相关分析，得到归一化积相关分析结果J_NPC；

第二序列分析单元，用于将所述航迹重力异常数据序列与所述重力基准子图进行平均绝对差分析，得到平均绝对差分析结果J_MAD；

第三序列分析单元，用于将所述航迹重力异常数据序列与所述重力基准子图进行均方差分析，得到均方差分析结果J_MSD；

分析结果获取单元，用于若所述归一化积相关分析结果、所述平均绝对差分析结果、所述均方差分析结果同时满足J_NPC最大，J_MAD和J_MSD最小，则所述航迹重力异常数据序列在所述重力基准子图上的对应位置为所述匹配路径；若均不满足，则将所述搜索区域四边扩大一个分辨率网格，更新搜索区域；

位置调整模块，用于以所述匹配路径为准，将所述惯导系统的所述航迹坐标对应的当前位置挪移到所述匹配路径处。

6.根据权利要求5所述的导航系统，其特征在于，所述搜索区域确定模块具体包括：

惯导数据读取单元，用于读取潜艇惯导系统数据；

滤波单元，用于对所述惯导系统数据进行卡尔曼滤波；

概略位置计算单元，用于根据滤波结果计算潜艇的概略位置；

概略位置范围计算单元，用于以惯导误差幅度为参考，计算出概略位置范围；

搜索区选定单元，用于以所述概略位置为中心，以所述概略位置范围为大小，选定搜索区域。

7.根据权利要求5所述的导航系统，其特征在于，所述位置调整模块具体包括：

粗差剔除单元，用于对所述航迹重力异常值进行粗差剔除；所述航迹重力异常值与所述航迹重力异常值平均值之差的绝对值大于3倍标准差的所述航迹重力异常值均视为粗差；

搜索器坐标读取单元，用于读取所述搜索区域的坐标信息；

重力剖面提取单元，用于从所述重力基准图中提取与所述绝对重力值同点位的重力剖面；

位置关系计算单元，用于根据所述搜索区域的坐标信息及所述重力剖面计算各个所述绝对重力值对应的采样点相对位置关系；

重力匹配路径计算单元，用于根据所述相对位置关系计算重力匹配路径；

位置修正单元，用于根据所述匹配路径修正所述惯导系统的航迹位置，将所述惯导系统挪移到所述匹配路径处。

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