CN111561922B - 一种基于重力灯塔特征描述与分类的潜艇导航方法及系统 - Google Patents

一种基于重力灯塔特征描述与分类的潜艇导航方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于重力灯塔特征描述与分类的潜艇导航方法及系统。通过利用重力灯塔的特征确定潜艇所在的当前海域内的重力灯塔对潜艇影响最大的目标重力灯塔，即利用灯塔的特征对潜艇所在的当前海域内的重力灯塔进行分类，加快检索速度，又增强搜索到的重力灯塔的可用性，明确了目标重力灯塔，进而实现精准的匹配定位。能快速缩小候选区重力灯塔数量，降低了导航定位耗时有效的校正惯性导航系统，提高潜艇导航的准确性。

Description

一种基于重力灯塔特征描述与分类的潜艇导航方法及系统
技术领域
本发明涉及水下潜器重力导航领域领域，特别是涉及一种基于重力灯塔特征描述与分类的潜艇导航方法及系统。
背景技术
现有的潜艇导航是利用重力匹配校正惯性导航系统，将重力灯塔数据库预先装入潜艇导航终端。通过舰载重力仪实时测量航迹上的重力异常值，将一段时间的航迹重力异常测量结果与预装重力灯塔数据库进行匹配，从而获得潜艇自身坐标，用以校正惯性导航系统。当与预装重力灯塔数据库进行匹配时，常规搜索方式就是找最近的，以距离作为搜索灯塔的唯一属性。这样存在的问题是，搜索到的灯塔过小或特征不够明确，无法进行精准匹配定位。进而不能有效的校正惯性导航系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于重力灯塔特征描述与分类的潜艇导航方法及系统，有效的校正惯性导航系统，提高潜艇导航的准确性。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于重力灯塔特征描述与分类的潜艇导航方法，包括：
获取潜艇的当前海域的位置；所述位置包括经度和纬度；
根据所述潜艇的当前海域的位置确定当前海域的重力灯塔；
判断所述当前海域的重力灯塔的面积是否大于面积阈值；
若所述当前海域的重力灯塔的面积不大于面积阈值，则剔除重力灯塔；
若所述当前海域的重力灯塔的面积大于面积阈值，则保留重力灯塔；
判断保留后的重力灯塔的幅值是否大于幅值阈值；
若保留后的重力灯塔的幅值不大于幅值阈值，则剔除重力灯塔；
若保留后的重力灯塔的幅值大于幅值阈值，则保留重力灯塔；
判断再次保留的重力灯塔是否符合设定条件；所述设定条件包括粗糙度大于粗糙度阈值、相关系数小于相关系数阈值和局部熵小于局部熵阈值；
若再次保留的重力灯塔不符合设定条件，则剔除重力灯塔；
再次保留的重力灯塔符合设定条件，则保留重力灯塔，得到优选重力灯塔；
将距所述潜艇的位置最近的所述优选重力灯塔预确定为当前目标重力灯塔；
根据对所述当前目标重力灯塔进行匹配，并用以校正惯性导航系统。
可选的，所述根据所述潜艇的当前海域的位置确定当前海域的重力灯塔，之后还包括：
获取所述潜艇与所述当前海域的重力灯塔的几何中心的距离；
将所述潜艇与所述当前海域的重力灯塔的几何中心的距离小于距离阈值且位于航向前方的重力灯塔进行保留。
可选的，所述根据对所述当前目标重力灯塔进行匹配，并用以校正惯性导航系统，具体包括：
利用舰载重力仪在所述当前目标重力灯塔上进行数据采集；
将采集的数据与当前分辨率下的当前目标重力灯塔进行匹配；
若匹配成功，则用以校正惯性导航系统；
若匹配失败，则将采集的数据与下一分辨率下的当前目标重力灯塔进行匹配；所述下一分辨率高于所述当前分辨率；
直至匹配成功。
可选的，所述若匹配失败，则将采集的数据与下一分辨率下的当前目标重力灯塔进行匹配，之后还包括：
采集的数据与任何分辨率下的当前目标重力灯塔都匹配不成功，则所述当前目标重力灯塔剔除；
将距所述潜艇的位置最近的剔除当前目标重力灯塔后的优选重力灯塔预确定为下一目标重力灯塔。
一种基于重力灯塔特征描述与分类的潜艇导航系统，包括：
位置获取模块，用于获取潜艇的当前海域的位置；所述位置包括经度和纬度；
当前海域的重力灯塔确定模块，用于根据所述潜艇的当前海域的位置确定当前海域的重力灯塔；
第一判断模块，用于判断所述当前海域的重力灯塔的面积是否大于面积阈值；
第一剔除模块，用于若所述当前海域的重力灯塔的面积不大于面积阈值，则剔除重力灯塔；
第一保留模块，用于若所述当前海域的重力灯塔的面积大于面积阈值，则保留重力灯塔；
第二判断模块，用于判断保留后的重力灯塔的幅值是否大于幅值阈值；
第二剔除模块，用于若保留后的重力灯塔的幅值不大于幅值阈值，则剔除重力灯塔；
第二保留模块，用于若保留后的重力灯塔的幅值大于幅值阈值，则保留重力灯塔；
第三判断模块，用于判断再次保留的重力灯塔是否符合设定条件；所述设定条件包括粗糙度大于粗糙度阈值、相关系数小于相关系数阈值和局部熵小于局部熵阈值；
第三剔除模块，用于若再次保留的重力灯塔不符合设定条件，则剔除重力灯塔；
第三保留模块，用于再次保留的重力灯塔符合设定条件，则保留重力灯塔，得到优选重力灯塔；
当前目标重力灯塔确定模块，用于将距所述潜艇的位置最近的所述优选重力灯塔预确定为当前目标重力灯塔；
惯性导航系统校正模块，用于根据对所述当前目标重力灯塔进行匹配，并用以校正惯性导航系统。
可选的，还包括：
距离获取模块，用于获取所述潜艇与所述当前海域的重力灯塔的几何中心的距离；
第四保留模块，用于将所述潜艇与所述当前海域的重力灯塔的几何中心的距离小于距离阈值且位于航向前方的重力灯塔进行保留。
可选的，所述惯性导航系统校正模块具体包括：
数据采集单元，用于利用舰载重力仪在所述当前目标重力灯塔上进行数据采集；
匹配单元，用于将采集的数据与当前分辨率下的当前目标重力灯塔进行匹配；
惯性导航系统校正单元，用于若匹配成功，则用以校正惯性导航系统；
第二匹配单元，用于若匹配失败，则将采集的数据与下一分辨率下的当前目标重力灯塔进行匹配；所述下一分辨率高于所述当前分辨率；直至匹配成功。
可选的，所述惯性导航系统校正模块还包括：
剔除单元，用于采集的数据与任何分辨率下的当前目标重力灯塔都匹配不成功，则所述当前目标重力灯塔剔除；
下一目标重力灯塔确定单元，用于将距所述潜艇的位置最近的剔除当前目标重力灯塔后的优选重力灯塔预确定为下一目标重力灯塔。
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：
本发明所提供的一种基于重力灯塔特征描述与分类的潜艇导航方法及系统，通过利用重力灯塔的特征确定潜艇所在的当前海域内的重力灯塔对潜艇影响最大的目标重力灯塔，即利用灯塔的特征对潜艇所在的当前海域内的重力灯塔进行分类，加快检索速度，又增强搜索到的重力灯塔的可用性，明确了目标重力灯塔，进而实现精准的匹配定位。能快速缩小候选区重力灯塔数量，降低了导航定位耗时有效的校正惯性导航系统，提高潜艇导航的准确性。
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为本发明所提供的一种基于重力灯塔特征描述与分类的潜艇导航方法流程示意图；
图2为重力灯塔几何中心示意图；
图3为重力灯塔面积示意图；
图4为重力灯塔幅值示意图；
图5为重力灯塔形状示意图；
图6为重力灯塔走向示意图；
图7为本发明所提供的一种基于重力灯塔特征描述与分类的潜艇导航系统结构示意图。
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基于重力灯塔特征描述与分类的潜艇导航方法及系统，有效的校正惯性导航系统，提高潜艇导航的准确性。
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为本发明所提供的一种基于重力灯塔特征描述与分类的潜艇导航方法流程示意图，如图1所示，本发明所提供的一种基于重力灯塔特征描述与分类的潜艇导航方法，包括：
S101，获取潜艇的当前海域的位置；所述位置包括经度和纬度。
S102，根据所述潜艇的当前海域的位置确定当前海域的重力灯塔。
获取所述潜艇与所述当前海域的重力灯塔的几何中心的距离。
重力灯塔的几何中心指重力灯塔形状的几何中心坐标(L,B：经度、纬度)，表征了灯塔的中心位置，用于计算潜艇跟灯塔的距离，如图2所示。
几何中心计算原理：设组成重力灯塔轮廓线的离散点坐标为(Li,Bi，i＝1,2,3,...,p)，p为离散点个数，其几何中心(L,B)为
Figure BDA0002467530620000061
和
Figure BDA0002467530620000062
将所述潜艇与所述当前海域的重力灯塔的几何中心的距离小于距离阈值且位于航向前方的重力灯塔进行保留。
S103，判断所述当前海域的重力灯塔的面积是否大于面积阈值。面积指重力灯塔平面投影面积，面积越大越有利于匹配。面积的计算方式跟灯塔数据分辨率有关(同一灯塔不同分辨率数据，仅使用最高分辨率数据计算该灯塔面积)，首先计算单个分辨率网格面积(如1′×1′分辨率，网格间距约等于1.8km，则网格面积为3.24km2)，再次统计格网个数(面积大于等于1/2格网的个数+1，面积小于1/2格网的个数+0)，累加在一起即为该灯塔面积，如图3所示。
S104，若所述当前海域的重力灯塔的面积不大于面积阈值，则剔除重力灯塔。
S105，若所述当前海域的重力灯塔的面积大于面积阈值，则保留重力灯塔。
S106，判断保留后的重力灯塔的幅值是否大于幅值阈值。幅值指灯塔重力异常最大最小值差的绝对值(|Δgmax-Δgmin|)，幅值越大越有利于匹配，如图4所示。
S107，若保留后的重力灯塔的幅值不大于幅值阈值，则剔除重力灯塔。
S108，若保留后的重力灯塔的幅值大于幅值阈值，则保留重力灯塔。
S109，判断再次保留的重力灯塔是否符合设定条件；所述设定条件包括粗糙度大于粗糙度阈值、相关系数小于相关系数阈值和局部熵小于局部熵阈值。
利用公式
Figure BDA0002467530620000071
计算23个网格化后的重力数据点的绝对粗糙度；rλ为经度方向的绝对粗糙度，
Figure BDA0002467530620000072
Figure BDA0002467530620000073
为纬度方向的绝对粗糙度
Figure BDA0002467530620000074
则灯塔粗糙度(sumr)为：
Figure BDA0002467530620000075
利用公式
Figure BDA0002467530620000076
确定23个网格化后的重力数据点的局部熵。灯塔局部熵(sumH)为：
Figure BDA0002467530620000077
利用公式
Figure BDA0002467530620000078
计算23个网格化后的重力数据点的相关系数；Rλ为经度方向相关系数，
Figure BDA0002467530620000079
Figure BDA00024675306200000710
为纬度方向相关系数，
Figure BDA00024675306200000711
其中，
Figure BDA00024675306200000712
灯塔相关系数(sumR)为：
Figure BDA00024675306200000713
S110，若再次保留的重力灯塔不符合设定条件，则剔除重力灯塔。
S111，再次保留的重力灯塔符合设定条件，则保留重力灯塔，得到优选重力灯塔。
S112，将距所述潜艇的位置最近的所述优选重力灯塔预确定为当前目标重力灯塔。
S113，根据对所述当前目标重力灯塔进行匹配，并用以校正惯性导航系统。
利用舰载重力仪在所述当前目标重力灯塔上进行数据采集。图5为重力灯塔形状示意图，如图5所示，沿长轴方向采集数据有利于匹配。
将采集的数据与当前分辨率下的当前目标重力灯塔进行匹配。图6为重力灯塔走向示意图，重力灯塔走向的外切椭圆的长轴与正北方向的夹角(α)，用来表征灯塔的整体形状方向。可以帮助导航系统迅速获得最佳的航迹走向。
若匹配成功，则用以校正惯性导航系统。
若匹配失败，则将采集的数据与下一分辨率下的当前目标重力灯塔进行匹配；所述下一分辨率高于所述当前分辨率。
采集的数据与任何分辨率下的当前目标重力灯塔都匹配不成功，则所述当前目标重力灯塔剔除。
将距所述潜艇的位置最近的剔除当前目标重力灯塔后的优选重力灯塔预确定为下一目标重力灯塔；直至匹配成功。
图7为本发明所提供的一种基于重力灯塔特征描述与分类的潜艇导航系统结构示意图，如图7所示，本发明所提供的一种基于重力灯塔特征描述与分类的潜艇导航系统，包括：位置获取模块701、当前海域的重力灯塔确定模块702、第一判断模块703、第一剔除模块704、第一保留模块705、第二判断模块706、第二剔除模块707、第二保留模块708、第三判断模块709、第三剔除模块710、第三保留模块711、当前目标重力灯塔确定模块712和惯性导航系统校正模块713。
位置获取模块701用于获取潜艇的当前海域的位置；所述位置包括经度和纬度。
当前海域的重力灯塔确定模块702用于根据所述潜艇的当前海域的位置确定当前海域的重力灯塔。
第一判断模块703用于判断所述当前海域的重力灯塔的面积是否大于面积阈值。
第一剔除模块704用于若所述当前海域的重力灯塔的面积不大于面积阈值，则剔除重力灯塔。
第一保留模块705用于若所述当前海域的重力灯塔的面积大于面积阈值，则保留重力灯塔。
第二判断模块706用于判断保留后的重力灯塔的幅值是否大于幅值阈值。
第二剔除模块707用于若保留后的重力灯塔的幅值不大于幅值阈值，则剔除重力灯塔。
第二保留模块708用于若保留后的重力灯塔的幅值大于幅值阈值，则保留重力灯塔。
第三判断模块709用于判断再次保留的重力灯塔是否符合设定条件；所述设定条件包括粗糙度大于粗糙度阈值、相关系数小于相关系数阈值和局部熵小于局部熵阈值。
第三剔除模块710用于若再次保留的重力灯塔不符合设定条件，则剔除重力灯塔。
第三保留模块711用于再次保留的重力灯塔符合设定条件，则保留重力灯塔，得到优选重力灯塔。
当前目标重力灯塔确定模块712用于将距所述潜艇的位置最近的所述优选重力灯塔预确定为当前目标重力灯塔。
惯性导航系统校正模块713用于根据对所述当前目标重力灯塔进行匹配，并用以校正惯性导航系统。
本发明所提供的一种基于重力灯塔特征描述与分类的潜艇导航方法系统，还包括：距离获取模块和第四保留模块。
距离获取模块用于获取所述潜艇与所述当前海域的重力灯塔的几何中心的距离。
第四保留模块用于将所述潜艇与所述当前海域的重力灯塔的几何中心的距离小于距离阈值且位于航向前方的重力灯塔进行保留。
惯性导航系统校正模块713具体包括：数据采集单元、匹配单元、惯性导航系统校正单元、第二匹配单元、剔除单元和下一目标重力灯塔确定单元。
数据采集单元用于利用舰载重力仪在所述当前目标重力灯塔上进行数据采集。
匹配单元用于将采集的数据与当前分辨率下的当前目标重力灯塔进行匹配。
惯性导航系统校正单元用于若匹配成功，则用以校正惯性导航系统。
第二匹配单元用于若匹配失败，则将采集的数据与下一分辨率下的当前目标重力灯塔进行匹配；所述下一分辨率高于所述当前分辨率；直至匹配成功。
剔除单元用于采集的数据与任何分辨率下的当前目标重力灯塔都匹配不成功，则所述当前目标重力灯塔剔除。
下一目标重力灯塔确定单元用于将距所述潜艇的位置最近的剔除当前目标重力灯塔后的优选重力灯塔预确定为下一目标重力灯塔。
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。
本发明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 (6)

1.一种基于重力灯塔特征描述与分类的潜艇导航方法，其特征在于，包括：
获取潜艇的当前海域的位置；所述位置包括经度和纬度；
根据所述潜艇的当前海域的位置确定当前海域的重力灯塔；
判断所述当前海域的重力灯塔的面积是否大于面积阈值；
若所述当前海域的重力灯塔的面积不大于面积阈值，则剔除重力灯塔；
若所述当前海域的重力灯塔的面积大于面积阈值，则保留重力灯塔；
判断保留后的重力灯塔的幅值是否大于幅值阈值；
若保留后的重力灯塔的幅值不大于幅值阈值，则剔除重力灯塔；
若保留后的重力灯塔的幅值大于幅值阈值，则保留重力灯塔；
判断再次保留的重力灯塔是否符合设定条件；所述设定条件包括粗糙度大于粗糙度阈值、相关系数小于相关系数阈值和局部熵小于局部熵阈值；
若再次保留的重力灯塔不符合设定条件，则剔除重力灯塔；
再次保留的重力灯塔符合设定条件，则保留重力灯塔，得到优选重力灯塔；
将距所述潜艇的位置最近的所述优选重力灯塔预确定为当前目标重力灯塔；
根据对所述当前目标重力灯塔进行匹配，并用以校正惯性导航系统；
所述根据对所述当前目标重力灯塔进行匹配，并用以校正惯性导航系统，具体包括：
利用舰载重力仪在所述当前目标重力灯塔上进行数据采集；
将采集的数据与当前分辨率下的当前目标重力灯塔进行匹配；
若匹配成功，则用以校正惯性导航系统；
若匹配失败，则将采集的数据与下一分辨率下的当前目标重力灯塔进行匹配；所述下一分辨率高于所述当前分辨率；
直至匹配成功。
2.根据权利要求1所述的一种基于重力灯塔特征描述与分类的潜艇导航方法，其特征在于，所述根据所述潜艇的当前海域的位置确定当前海域的重力灯塔，之后还包括：
获取所述潜艇与所述当前海域的重力灯塔的几何中心的距离；
将所述潜艇与所述当前海域的重力灯塔的几何中心的距离小于距离阈值且位于航向前方的重力灯塔进行保留。
3.根据权利要求1所述的一种基于重力灯塔特征描述与分类的潜艇导航方法，其特征在于，所述若匹配失败，则将采集的数据与下一分辨率下的当前目标重力灯塔进行匹配，之后还包括：
采集的数据与任何分辨率下的当前目标重力灯塔都匹配不成功，则所述当前目标重力灯塔剔除；
将距所述潜艇的位置最近的剔除当前目标重力灯塔后的优选重力灯塔预确定为下一目标重力灯塔。
4.一种基于重力灯塔特征描述与分类的潜艇导航系统，其特征在于，包括：
位置获取模块，用于获取潜艇的当前海域的位置；所述位置包括经度和纬度；
当前海域的重力灯塔确定模块，用于根据所述潜艇的当前海域的位置确定当前海域的重力灯塔；
第一判断模块，用于判断所述当前海域的重力灯塔的面积是否大于面积阈值；
第一剔除模块，用于若所述当前海域的重力灯塔的面积不大于面积阈值，则剔除重力灯塔；
第一保留模块，用于若所述当前海域的重力灯塔的面积大于面积阈值，则保留重力灯塔；
第二判断模块，用于判断保留后的重力灯塔的幅值是否大于幅值阈值；
第二剔除模块，用于若保留后的重力灯塔的幅值不大于幅值阈值，则剔除重力灯塔；
第二保留模块，用于若保留后的重力灯塔的幅值大于幅值阈值，则保留重力灯塔；
第三判断模块，用于判断再次保留的重力灯塔是否符合设定条件；所述设定条件包括粗糙度大于粗糙度阈值、相关系数小于相关系数阈值和局部熵小于局部熵阈值；
第三剔除模块，用于若再次保留的重力灯塔不符合设定条件，则剔除重力灯塔；
第三保留模块，用于再次保留的重力灯塔符合设定条件，则保留重力灯塔，得到优选重力灯塔；
当前目标重力灯塔确定模块，用于将距所述潜艇的位置最近的所述优选重力灯塔预确定为当前目标重力灯塔；
惯性导航系统校正模块，用于根据对所述当前目标重力灯塔进行匹配，并用以校正惯性导航系统；
所述惯性导航系统校正模块具体包括：
数据采集单元，用于利用舰载重力仪在所述当前目标重力灯塔上进行数据采集；
匹配单元，用于将采集的数据与当前分辨率下的当前目标重力灯塔进行匹配；
惯性导航系统校正单元，用于若匹配成功，则用以校正惯性导航系统；
第二匹配单元，用于若匹配失败，则将采集的数据与下一分辨率下的当前目标重力灯塔进行匹配；所述下一分辨率高于所述当前分辨率；直至匹配成功。
5.根据权利要求4所述的一种基于重力灯塔特征描述与分类的潜艇导航系统，其特征在于，还包括：
距离获取模块，用于获取所述潜艇与所述当前海域的重力灯塔的几何中心的距离；
第四保留模块，用于将所述潜艇与所述当前海域的重力灯塔的几何中心的距离小于距离阈值且位于航向前方的重力灯塔进行保留。
6.根据权利要求4所述的一种基于重力灯塔特征描述与分类的潜艇导航系统，其特征在于，所述惯性导航系统校正模块还包括：
剔除单元，用于采集的数据与任何分辨率下的当前目标重力灯塔都匹配不成功，则所述当前目标重力灯塔剔除；
下一目标重力灯塔确定单元，用于将距所述潜艇的位置最近的剔除当前目标重力灯塔后的优选重力灯塔预确定为下一目标重力灯塔。
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