CN111896002B - 地形辅助导航匹配区在线规划与适配性分析方法及系统 - Google Patents

地形辅助导航匹配区在线规划与适配性分析方法及系统 Download PDF

Info

Publication number
CN111896002B
CN111896002B CN202010711090.0A CN202010711090A CN111896002B CN 111896002 B CN111896002 B CN 111896002B CN 202010711090 A CN202010711090 A CN 202010711090A CN 111896002 B CN111896002 B CN 111896002B
Authority
CN
China
Prior art keywords
matching
matched
area
region
analysis
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202010711090.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111896002A (zh
Inventor
赵龙
陈瑞
张且且
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beihang University
Original Assignee
Beihang University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beihang University filed Critical Beihang University
Priority to CN202010711090.0A priority Critical patent/CN111896002B/zh
Publication of CN111896002A publication Critical patent/CN111896002A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111896002B publication Critical patent/CN111896002B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C21/00—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00
    • G01C21/20—Instruments for performing navigational calculations
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F16/00—Information retrieval; Database structures therefor; File system structures therefor
    • G06F16/20—Information retrieval; Database structures therefor; File system structures therefor of structured data, e.g. relational data
    • G06F16/29—Geographical information databases
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F17/00—Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
    • G06F17/10—Complex mathematical operations
    • G06F17/11—Complex mathematical operations for solving equations, e.g. nonlinear equations, general mathematical optimization problems
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F18/00—Pattern recognition
    • G06F18/20—Analysing
    • G06F18/22—Matching criteria, e.g. proximity measures

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Data Mining & Analysis (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Databases & Information Systems (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Bioinformatics & Computational Biology (AREA)
  • Artificial Intelligence (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Operations Research (AREA)
  • Evolutionary Biology (AREA)
  • Algebra (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Navigation (AREA)
  • Position Fixing By Use Of Radio Waves (AREA)

Abstract

本发明公开了一种地形辅助导航匹配区在线规划与适配性分析方法包括以下步骤：载体的实时地形高度信息和载体在数字地图上的位置、航向和误差导航信息；根据导航信息在线实时规划待匹配区域；对预加载的数字地图进行全图适配性分析，对规划待匹配区域进行适配性分析；根据待匹配区域的适配分析结果决定是否进行后续的匹配计算；若待匹配区域的适配分析结果满足条件且进入匹配跟踪模式，则根据滤波发散判定准则决定是否切换匹配模式；根据匹配计算结果对导航信息进行校正，完成地形辅助导航。本发明通过在线实时规划待匹配区域及适配性分析、跟踪滤波判定，即可避免冗余计算，有效降低了地形辅助导航的时间消耗，并提高系统定位准确性。

Description

地形辅助导航匹配区在线规划与适配性分析方法及系统
技术领域
本发明涉及导航和定位技术领域，更具体的说是涉及一种地形辅助导航匹配区在线规划与适配性分析方法及系统。
背景技术
地形辅助导航(Terrain Aided Navigation，TAN)作为广泛使用的组合导航系统之一，具有抗干扰能力强、普适度高、便于操作实施等优点，已被应用于飞机、巡航导弹、潜水探测器等多领域。目前地形辅助导航系统主要采用的算法有TERCOM算法和SITAN算法，由于TERCOM算法需要测量一串地形高程序列，因此实时性能不如SITAN算法。
SITAN算法下的地形辅助导航的基本原理是测量载体飞行路径正下方的地形高度，和提前存储的参考高程数据进行比较，采用匹配滤波算法得到载体导航信息误差修正量，对主惯导提供的导航信息进行校正，进而实现辅助导航定位。但是，地形辅助导航系统受地形特征的影响较大，当载体处于地形斜率较大的山区、丘陵等地区时，辅助定位结果较准确；当载体处于地形斜率较小的平原、海面等地区时，辅助定位结果的准确性较低。
因此，为了提高地形辅助导航的准确性，如何提供一种能够在线实时规划待匹配区域，并对带匹配区域进行适配性分析的分析方法及系统是本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种地形辅助导航匹配区在线规划与适配性分析方法及系统，通过在线实时规划待匹配区域及适配性分析、跟踪滤波判定，即可避免冗余计算，有效降低了地形辅助导航的时间消耗，也可以解决系统长时间位于跟踪模式所导致的误差积累滤波发散问题，提高系统定位准确性。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种地形辅助导航匹配区在线规划与适配性分析方法，包括以下步骤：
步骤S1：利用传感器测量载体的实时地形高度信息；
步骤S2：利用主惯导获取载体在数字地图上的位置、航向和误差导航信息；
步骤S3：根据导航信息，以航向垂线方向为基准线在线实时规划待匹配区域；
步骤S4：对预加载的数字地图进行全图适配性分析，根据适配性分析结果，对规划待匹配区域进行适配性分析；
步骤S5：根据待匹配区域的适配分析结果决定是否进行后续的匹配计算；
步骤S6：若待匹配区域的适配分析结果满足条件且进入匹配跟踪模式，则根据滤波发散判定准则决定是否切换匹配模式；根据步骤S1提供的载体的地形高度信息选择相应的匹配模式进行匹配计算；
步骤S7：根据匹配计算结果对步骤S2获取的导航信息进行校正，完成地形辅助导航。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明在载体飞行前，预加载数字地图全图适配性分析结果，在飞行中在线实时规划待匹配区域，并进行匹配区适配性分析，利用分析结果完成后续匹配计算，根据跟踪发散判定，筛选匹配结果，进行匹配计算模式切换，最终根据匹配计算结果对导航信息进行校正。本发明一方面避免了因地形不符合导致的无法定位以及定位结果较差的冗余计算，有效降低了地形辅助导航的时间消耗；另一方面也可以解决系统长时间位于跟踪模式所导致的误差积累滤波发散问题，提高了系统定位准确性。
优选的，在上述一种地形辅助导航匹配区在线规划与适配性分析方法中，步骤S3包括：
步骤S31、根据载体在数字地图上的实时位置，以载体为原点，以北向为Y轴，东向为X轴建立载体匹配区坐标系；依据航向将载体匹配区坐标系划分为四个区域，在每个区域内以载体航向的垂线方向为基准线，建立原始待匹配区；取原始待匹配区的最大包络，并加入位置误差，规划初始待匹配区；
步骤S32、将初始待匹配区的边界扩展至预加载的数字地图全图适配性分析结果对应的网格线上，形成最终的规划待匹配区域。
优选的，在上述一种地形辅助导航匹配区在线规划与适配性分析方法中，步骤S31中载体匹配区坐标系的四个区域分别为区域I、区域II、区域III和区域IV；其中，区域I的航向角ψ满足：0°≤ψ≤90°；区域II的航向角ψ满足：90°＜ψ≤180°；区域III的航向角ψ满足：180°＜ψ≤270°；区域IV的航向角ψ满足：270°＜ψ≤360°；区域I、区域II、区域III和区域IV的规划方法分别为：
区域I：
Figure BDA0002596566980000031
区域II：
Figure BDA0002596566980000032
区域III：
Figure BDA0002596566980000041
区域IV：
Figure BDA0002596566980000042
式中，ψ为航向角，Sr、Er、Sc和Ec分别为载体匹配区坐标系下的初始待匹配区在数字地图上的起始及终止行列值；L和W为原始待匹配区的长度和宽度，由数字地图的网格缩放比例参数确定；σE、σN分别为东向位置误差值和北向位置误差值。
优选的，在上述一种地形辅助导航匹配区在线规划与适配性分析方法中，步骤S32中初始待匹配区边界的扩展方法如下：
Figure BDA0002596566980000043
上式中，C为转化后的初始待匹配区域的边界行列值；N为数字地图的网格缩放比例；G为扩展至预加载数字地图上的边界坐标值；D1,D2为阈值。
优选的，在上述一种地形辅助导航匹配区在线规划与适配性分析方法中，步骤S4包括：
步骤S41、根据设定的网格缩放比例，对预加载的数字地图网格化，并计算每个网格区域的地形特征，并根据地形特征获取网格适配分析结果；
步骤S42、存储预加载的数字地图上每个网格对应的网格适配性分析结果；
步骤S43、根据规划的待匹配区域在数字地图上的位置，调用存储的网格适配性分析结果，统计待匹配区域内所有网格的网格适配性分析结果，并根据匹配区适配分析判别式对待匹配区域的适配性进行判断；匹配区适配分析判别式如下：
Figure BDA0002596566980000051
式中，
Figure BDA0002596566980000052
为载体匹配区内网格适配性分析结果符合的网格数占总网格数的比例，m为规划待匹配区域对应的网格列数，n为规划待匹配区域对应的网格行数；Rule(i,j)为规划待匹配区域中第i行，第j列的网格适配性分析结果；result为载体匹配区适配分析判别结果；0代表规划待匹配区域的适配性分析结果不满足区域适配分析判别，1代表规划待匹配区域的适配分析结果满足区域适配分析判别；D6和D7为阈值。
优选的，在上述一种地形辅助导航匹配区在线规划与适配性分析方法中，步骤S41中以网格适配分析判别式作为衡量该网格适配性分析的准则，网格适配分析判别式如下：
Figure BDA0002596566980000053
式中，r1＝σh/SNR，r2＝Tr/σh，r3＝Tr/SNR，σh为高度标准差，SNR为测高信噪比，Tr为地形粗糙度；&代表逻辑代数中的与逻辑，|代表逻辑代数中的或逻辑；Rule为网格适配分析判别结果，0代表不满足网格适配分析判定，1代表满足网格适配分析判定；D3～D5为阈值。
优选的，在上述一种地形辅助导航匹配区在线规划与适配性分析方法中，步骤S5包括：
步骤S51：如果待匹配区域的适配分析结果满足条件，初始化搜索滤波器，进入匹配搜索计算；当待匹配区域的适配分析结果不满足条件，则不进行后续匹配计算，并在下一时刻重新规划待匹配区域；
步骤S52：根据模式切换判定准则，当满足判定准则时，则初始化跟踪滤波器，进入匹配跟踪计算；当不满足判定准则时，则继续进行匹配搜索计算；其模式切换判定准则为：
Figure BDA0002596566980000061
式中，
Figure BDA0002596566980000062
swrsmin为加权标准化残差中的最小值，swrsmin1为加权标准化残差中的次最小值；0代表可以由搜索模式切换至跟踪模式，1代表继续执行搜索滤波，2代表搜索滤波失败需要重新初始化滤波器；&代表逻辑代数中的与逻辑；n1为标准化残差过大的次数；n2表示连续地形起伏较小的次数；n3为连续执行搜索滤波的次数；D8～D12为阈值。
步骤S53：判定飞行位置是否超出待匹配区域，如果超出范围，则重新规划待匹配区域；如果不超出范围，则继续执行匹配计算。
优选的，在上述一种地形辅助导航匹配区在线规划与适配性分析方法中，步骤S6中滤波发散判定准则分别根据局部可观测性条件数、加权标准化残差以及滤波位置方差形成；
其中，根据局部可观测性条件数行成的判定准则如下：
Figure BDA0002596566980000063
式中，
Figure BDA0002596566980000064
为局部可观测条件数，M为局部可观测矩阵，σmax、σmin分别为局部可观测矩阵的最大奇异值和最小奇异值，D13为阈值；
根据加权标准化残差行成的判定准则如下：
Figure BDA0002596566980000071
式中，SWRS＝α·WRS+(1-α),SWRS为加权标准化残差，WRS为标准化残差，α为加权系数；times(*)表示统计连续满足不等式*的次数的运算，D14和D15为阈值；
滤波位置方差行成的判定准则如下：
Figure BDA0002596566980000072
式中，sigma＝max(σx,σy),sigma为位置方差，max(*)表示最大值运算，σx为X方向的位置方差，σy为Y方向的位置方差；D16和D17为阈值。
优选的，在上述一种地形辅助导航匹配区在线规划与适配性分析方法中，当待匹配区域的适配分析结果在一段时间内均满足滤波发散判定准则时，则判定跟踪滤波发散，需重新转入搜索模式；否则，继续执行跟踪匹配计算。
本发明还公开一种地形辅助导航匹配区在线规划与适配性分析系统，其适用于一种地形辅助导航匹配区在线规划与适配性分析方法，包括：
传感器模块，所述传感器模块用于测量载体的实时地形高度信息；
主惯导模块，所述主惯导模块用于获取载体在数字地图上的位置、航向和误差导航信息；
规划待匹配区域模块，所述规划待匹配区域模块用于根据导航信息，以航向垂线方向为基准线在线实时规划待匹配区域；
适配性分析模块，所述适配性分析模块用于对预加载的数字地图进行全图适配性分析，根据适配性分析结果，对规划待匹配区域进行适配性分析；
适配性分析结果判定模块，所述适配性分析结果判定模块用于根据待匹配区域的适配分析结果决定是否进行后续的匹配计算；
匹配计算模块，所述匹配计算模块用于对待匹配区域的适配分析结果满足条件且进入匹配跟踪模式时，根据滤波发散判定准则决定是否切换匹配模式；并根据载体的地形高度信息选择相应的匹配模式进行匹配计算；
导航信息矫正模块，所述导航信息校正模块用于根据匹配计算结果对导航信息进行校正，完成地形辅助导航。
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，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的一种地形辅助导航匹配区在线规划与适配性分析系统的结构示意图；
图2附图为匹配计算模块的匹配计算流程图；
图3附图为本发明提供的一种地形辅助导航匹配区在线规划与适配性分析方法流程图；
图4附图为本发明提供的载体匹配区坐标区域划分及各区域初始匹配区示意图；
图5附图为本发明提供的规划初始待匹配区域示意图；
图6附图为本发明提供的适配性分析示意图；
图7附图为本发明提供的跟踪模式滤波发散判定流程图。
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。
如图2-7所示，本发明实施例公开了一种地形辅助导航匹配区在线规划与适配性分析方法，包括以下步骤：
步骤S1：利用传感器测量载体的实时地形高度信息。
步骤S2：利用主惯导获取载体在数字地图上的位置、航向和误差导航信息。
步骤S3：根据导航信息，以航向垂线方向为基准线在线实时规划待匹配区域。
步骤S31、根据载体在数字地图上的实时位置，以载体为原点，以北向为Y轴，东向为X轴建立载体匹配区坐标系；如图4所示，依据航向将载体匹配区坐标系划分为四个区域，在每个区域内以载体航向的垂线方向为基准线，建立原始待匹配区；取原始待匹配区的最大包络，并加入位置误差，规划初始待匹配区。
载体匹配区坐标系的四个区域分别为区域I、区域II、区域III和区域IV；其中，区域I的航向角ψ满足：0°≤ψ≤90°；区域II的航向角ψ满足：90°＜ψ≤180°；区域III的航向角ψ满足：180°＜ψ≤270°；区域IV的航向角ψ满足：270°＜ψ≤360°；如图5所示，区域I、区域II、区域III和区域IV的规划方法分别为：
区域I：
Figure BDA0002596566980000091
区域II：
Figure BDA0002596566980000101
区域III：
Figure BDA0002596566980000102
区域IV：
Figure BDA0002596566980000103
式中，ψ为航向角，Sr、Er、Sc和Ec分别为载体匹配区坐标系下的初始待匹配区在数字地图上的起始及终止行列值；L和W为原始待匹配区的长度和宽度，由数字地图的网格缩放比例参数确定；σE、σN分别为东向位置误差值和北向位置误差值。
步骤S32、将初始待匹配区的边界扩展至预加载的数字地图全图适配性分析结果对应的网格线上，形成最终的规划待匹配区域。
初始待匹配区边界的扩展方法如下：
Figure BDA0002596566980000104
上式中，C为转化后的初始待匹配区域的边界行列值；N为数字地图的网格缩放比例；G为扩展至预加载数字地图上的边界坐标值；D1,D2均取1。
步骤S4：对预加载的数字地图进行全图适配性分析，根据适配性分析结果，对规划待匹配区域进行适配性分析。
步骤S41、根据设定的网格缩放比例，对预加载的数字地图网格化，并计算每个网格区域的地形特征，并根据地形特征获取网格适配分析结果；以网格适配分析判别式作为衡量该网格适配性分析的准则，网格适配分析判别式如下：
Figure BDA0002596566980000111
式中，r1＝σh/SNR，r2＝Tr/σh，r3＝Tr/SNR，σh为高度标准差，SNR为测高信噪比，Tr为地形粗糙度，&代表逻辑代数中的与逻辑，|代表逻辑代数中的或逻辑；Rule为网格适配分析判别结果，0代表不满足网格适配分析判定，1代表满足网格适配分析判定；D3取5，D4取0.05，D5取1。其中，地形粗糙度用于衡量一个网格中地形的起伏程度，其计算公式为：
Figure BDA0002596566980000112
Figure BDA0002596566980000113
Figure BDA0002596566980000114
式中，Qx为X方向相邻位置的地形粗糙度，Qy为Y方向相邻位置的地形粗差度，M，N为一个网格对应的行数和列数。
步骤S42、存储预加载的数字地图上每个网格对应的网格适配性分析结果；
步骤S43、根据规划的待匹配区域在数字地图上的位置，调用存储的网格适配性分析结果，统计待匹配区域内所有网格的网格适配性分析结果，并根据匹配区适配分析判别式对待匹配区域的适配性进行判断；匹配区适配分析判别式如下：
Figure BDA0002596566980000121
式中，
Figure BDA0002596566980000122
为载体匹配区内网格适配性分析结果符合的网格数占总网格数的比例，m为规划待匹配区域对应的网格列数，n为规划待匹配区域对应的网格行数；Rule(i,j)为规划待匹配区域中第i行，第j列的网格适配性分析结果；result为载体匹配区适配分析判别结果；0代表规划待匹配区域的适配性分析结果不满足区域适配分析判别，1代表规划待匹配区域的适配分析结果满足区域适配分析判别；D6和D7均取0.5。。
如图6所示为适配分析示意图，载体沿着飞行轨迹飞行，如果第p时刻的规划待匹配区域适配分析满足判别result＝1，则判定规划待匹配区域的适配性分析符合；反之，如果第q时刻规划待匹配区域适配分析不满足判别result＝0，则判定规划待匹配区域的适配性分析不符合。
步骤S5：根据待匹配区域的适配分析结果决定是否进行后续的匹配计算。
步骤S51：如果待匹配区域的适配分析结果满足条件，初始化搜索滤波器，进入匹配搜索计算；当待匹配区域的适配分析结果不满足条件，则不进行后续匹配计算，并在下一时刻重新规划待匹配区域；
步骤S52：根据模式切换判定准则，当满足判定准则时，则初始化跟踪滤波器，进入匹配跟踪计算；当不满足判定准则时，则继续进行匹配搜索计算；其模式切换判定准则为：
Figure BDA0002596566980000123
式中，
Figure BDA0002596566980000131
swrsmin为加权标准化残差中的最小值，swrsmin1为加权标准化残差中的次最小值；0代表可以由搜索模式切换至跟踪模式，1代表继续执行搜索滤波，2代表搜索滤波失败需要重新初始化滤波器；&代表逻辑代数中的与逻辑；n1为标准化残差过大的次数；n2表示连续地形起伏较小的次数；n3为连续执行搜索滤波的次数；D8取15，D9取10，D10取128，D11取0.35，D12取30。
由于搜索模式采用并行滤波器，对设定的搜索范围进行搜索滤波，可以快速的将导航信息缩小到一个较小的误差范围。因此，获得每个滤波器的加权标准化残差，就可找出所有加权标准化残差中的最小值SWRSmin、次最小值SWRSmin1。
步骤S53：判定飞行位置是否超出待匹配区域，如果超出范围，则重新规划待匹配区域；如果不超出范围，则继续执行匹配计算。
步骤S6：若待匹配区域的适配分析结果满足条件且进入匹配跟踪模式，则根据滤波发散判定准则决定是否切换匹配模式；具体实现过程：
跟踪模式下的滤波发散判定准则主要用于判定一段时间内定位结果是否发散，判定流程图如图7所示，其中设定的三条判定准则为：
判定准则1：
Figure BDA0002596566980000132
式中，cond(M)为局部可观测条件数，σMAX，σMIN分别为局部可观测矩阵的最大奇异值和最小奇异值，局部可观测矩阵具体形式如下：
Figure BDA0002596566980000133
式中，T为采样周期；k为时间序列；hx为X方向上的地形斜率；hy为Y方向上的地形斜率。
判定准则2：SWRS＝α·WRS+(1-α)SWRS
式中，SWRS为加权标准化残差；WRS为标准化残差；α为加权系数。
判定准则3：sigma＝max(σx,σy)
式中，σx为X方向的位置方差；σy为Y方向的位置方差。
根据滤波发散判定准则，对跟踪模式滤波值进行判定，如果符合滤波发散判定，则将由跟踪模式重新切换为搜索模式；如何不符合滤波发散判定，则继续执行跟踪匹配算法，并利用跟踪匹配计算结果对主惯导的位置、速度、姿态等导航信息进行校正。
步骤S7：根据匹配计算结果对步骤S2获取的导航信息进行校正，完成地形辅助导航。
如图1所示，本发明还提供一种地形辅助导航匹配区在线规划与适配性分析系统，适用于一种地形辅助导航匹配区在线规划与适配性分析方法，包括：传感器模块1、主惯导模块2、规划待匹配区域模块3、适配性分析模块4、数字地图模块5、适配性分析结果判定模块6、匹配计算模块7和导航信息矫正模块8。
传感器模块1包括气压高度表11和无线电高度表12，提供实时测量的载体的地形高度信息，作用于后续的匹配计算模块。
主惯导模块2用于提供载体的导航信息，并转化为载体在数字地图上的位置、航向和误差导航信息；作用于规划待匹配区域模块和适配性分析模块。
规划待匹配区域模块3用于根据导航信息，以航向垂线方向为基准线在线实时规划待匹配区域；
适配性分析模块4用于对预加载的数字地图进行全图适配性分析，根据适配性分析结果，对规划待匹配区域进行适配性分析，由适配分析结果决定是否进入匹配计算模块7。
数字地图模块5主要包括预加载数字地图全图适配分析结果模块51和地形高程数据库52。预加载数字地图全图适配分析结果模块51主要作用于适配性分析模块4，提供全图适配分析基础，地形高程数据库52主要作用于匹配计算模块7，提供参考地形高度，实现匹配计算。
适配性分析结果判定模块6用于根据待匹配区域的适配分析结果决定是否进行后续的匹配计算；
匹配计算模块7用于对待匹配区域的适配分析结果满足条件且进入匹配跟踪模式时，根据滤波发散判定准则决定是否切换匹配模式；并根据载体的地形高度信息选择相应的匹配模式进行匹配计算；
导航信息校正模块8用于根据匹配计算模块提供的误差校正信息对导航信息进行校正，完成地形辅助导航。
本发明对于现有的地形辅助惯性导航系统不需要增加额外的硬件开销，只需要对算法进行升级，在载体飞行前，通过数字地图模块导入数字地图进行全图适配性分析并存储；引入规划待匹配区域模块，即可实现在线实时规划待匹配区域；引入区域适配性分析模块，通过调用预加载的数字地图适配分析结果，快速高效的完成待匹配区域的适配性分析，并根据分析结果决定是否进行匹配计算，避免了地形不符合导致的无法定位以及定位结果较差的冗余计算，有效降低了地形辅助导航的时间消耗；将跟踪滤波发散判定引入跟踪模式中，可即时发现跟踪模式滤波发散现象，切换匹配计算模式，有效提高了系统定位的准确性。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：移动存储设备、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
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。对于实施例公开的装置而言，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。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种地形辅助导航匹配区在线规划与适配性分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：利用传感器测量载体的实时地形高度信息；
步骤S2：利用主惯导获取载体在数字地图上的位置、航向和误差导航信息；
步骤S3：根据导航信息，以航向垂线方向为基准线在线实时规划待匹配区域；
步骤S4：对预加载的数字地图进行全图适配性分析，根据适配性分析结果，对规划待匹配区域进行适配性分析；
步骤S5：根据待匹配区域的适配分析结果决定是否进行后续的匹配计算；
步骤S6：若待匹配区域的适配分析结果满足条件且进入匹配跟踪模式，则根据滤波发散判定准则决定是否切换匹配模式；并根据步骤S1提供的载体的地形高度信息选择相应的匹配模式进行匹配计算；
滤波发散判定准则分别根据局部可观测性条件数、加权标准化残差以及滤波位置方差形成；
其中，根据局部可观测性条件数行成的判定准则如下：
式中，为局部可观测条件数，M为局部可观测矩阵，σmax、σmin分别为局部可观测矩阵的最大奇异值和最小奇异值，D13为阈值；
根据加权标准化残差行成的判定准则如下：
式中，SWRS＝α·WRS+(1-α),SWRS为加权标准化残差，WRS为标准化残差，α为加权系数；times(*)表示统计连续满足不等式*的次数的运算，D14和D15为阈值；
滤波位置方差行成的判定准则如下：
式中，sigma＝max(σx,σy),sigma为位置方差，max(*)表示最大值运算，σx为X方向的位置方差，σy为Y方向的位置方差；D16和D17为阈值；
当待匹配区域的适配分析结果在一段时间内均满足滤波发散判定准则时，则判定跟踪滤波发散，需重新转入搜索模式；否则，继续执行跟踪匹配计算；
步骤S7：根据匹配计算结果对步骤S2获取的导航信息进行校正，完成地形辅助导航。
2.根据权利要求1所述的一种地形辅助导航匹配区在线规划与适配性分析方法，其特征在于，步骤S3包括：
步骤S31、根据载体在数字地图上的实时位置，以载体为原点，以北向为Y轴，东向为X轴建立载体匹配区坐标系；依据航向将载体匹配区坐标系划分为四个区域，在每个区域内以载体航向的垂线方向为基准线，建立原始待匹配区；取原始待匹配区的最大包络，并加入位置误差，规划初始待匹配区；
步骤S32、将初始待匹配区的边界扩展至预加载的数字地图全图适配性分析结果对应的网格线上，形成最终的规划待匹配区域。
3.根据权利要求2所述的一种地形辅助导航匹配区在线规划与适配性分析方法，其特征在于，步骤S31中载体匹配区坐标系的四个区域分别为区域I、区域II、区域III和区域IV；其中，区域I的航向角ψ满足：0°≤ψ≤90°；区域II的航向角ψ满足：90°＜ψ≤180°；区域III的航向角ψ满足：180°＜ψ≤270°；区域IV的航向角ψ满足：270°＜ψ≤360°；区域I、区域II、区域III和区域IV的规划方法分别为：
区域I：
区域II：
区域III：
区域IV：
式中，ψ为航向角，Sr、Er、Sc和Ec分别为载体匹配区坐标系下的初始待匹配区在数字地图上的起始及终止行列值；L和W为原始待匹配区的长度和宽度，由数字地图的网格缩放比例参数确定；σE、σN分别为东向位置误差值和北向位置误差值。
4.根据权利要求2所述的一种地形辅助导航匹配区在线规划与适配性分析方法，其特征在于，步骤S32中初始待匹配区边界的扩展方法如下：
上式中，C为转化后的初始待匹配区域的边界行列值；N为数字地图的网格缩放比例；G为扩展至预加载数字地图上的边界坐标值；D1,D2为阈值。
5.根据权利要求1所述的一种地形辅助导航匹配区在线规划与适配性分析方法，其特征在于，步骤S4包括：
步骤S41、根据设定的网格缩放比例，对预加载的数字地图网格化，并计算每个网格区域的地形特征，并根据地形特征获取网格适配分析结果；
步骤S42、存储预加载的数字地图上每个网格对应的网格适配性分析结果；
步骤S43、根据规划的待匹配区域在数字地图上的位置，调用存储的网格适配性分析结果，统计待匹配区域内所有网格的网格适配性分析结果，并根据匹配区适配分析判别式对待匹配区域的适配性进行判断；匹配区适配分析判别式如下：
式中，为载体匹配区内网格适配性分析结果符合的网格数占总网格数的比例，m为规划待匹配区域对应的网格列数，n为规划待匹配区域对应的网格行数；Rule(i,j)为规划待匹配区域中第i行，第j列的网格适配性分析结果；result为载体匹配区适配分析判别结果；0代表规划待匹配区域的适配性分析结果不满足区域适配分析判别，1代表规划待匹配区域的适配分析结果满足区域适配分析判别；D6和D7为阈值。
6.根据权利要求5所述的一种地形辅助导航匹配区在线规划与适配性分析方法，其特征在于，步骤S41中以网格适配分析判别式作为衡量该网格适配性分析的准则，网格适配分析判别式如下：
式中，r1＝σh/SNR，r2＝Tr/σh，r3＝Tr/SNR，σh为高度标准差，SNR为测高信噪比，Tr为地形粗糙度；&代表逻辑代数中的与逻辑，|代表逻辑代数中的或逻辑；Rule为网格适配分析判别结果，0代表不满足网格适配分析判定，1代表满足网格适配分析判定；D3～D5为阈值。
7.根据权利要求1所述的一种地形辅助导航匹配区在线规划与适配性分析方法，其特征在于，步骤S5包括：
步骤S51：如果待匹配区域的适配分析结果满足条件，初始化搜索滤波器，进入匹配搜索计算；当待匹配区域的适配分析结果不满足条件，则不进行后续匹配计算，并在下一时刻重新规划待匹配区域；
步骤S52：根据模式切换判定准则，当满足判定准则时，则初始化跟踪滤波器，进入匹配跟踪计算；当不满足判定准则时，则继续进行匹配搜索计算；其模式切换判定准则为：
式中，swrsmin为加权标准化残差中的最小值，swrsmin1为加权标准化残差中的次最小值；0代表可以由搜索模式切换至跟踪模式，1代表继续执行搜索滤波，2代表搜索滤波失败需要重新初始化滤波器；&代表逻辑代数中的与逻辑；n1为标准化残差过大的次数；n2表示连续地形起伏较小的次数；n3为连续执行搜索滤波的次数；D8～D12为阈值；
步骤S53：判定飞行位置是否超出待匹配区域，如果超出范围，则重新规划待匹配区域；如果不超出范围，则继续执行匹配计算。
8.一种地形辅助导航匹配区在线规划与适配性分析系统，其适用于如权利要求1-7任一项所述的一种地形辅助导航匹配区在线规划与适配性分析方法，其特征在于，包括：
传感器模块，所述传感器模块用于测量载体的实时地形高度信息；
主惯导模块，所述主惯导模块用于获取载体在数字地图上的位置、航向和误差导航信息；
规划待匹配区域模块，所述规划待匹配区域模块用于根据导航信息，以航向垂线方向为基准线在线实时规划待匹配区域；
适配性分析模块，所述适配性分析模块用于对预加载的数字地图进行全图适配性分析，根据适配性分析结果，对规划待匹配区域进行适配性分析；
适配性分析结果判定模块，所述适配性分析结果判定模块用于根据待匹配区域的适配分析结果决定是否进行后续的匹配计算；
匹配计算模块，所述匹配计算模块用于对待匹配区域的适配分析结果满足条件且进入匹配跟踪模式时，根据滤波发散判定准则决定是否切换匹配模式；并根据载体的地形高度信息选择相应的匹配模式进行匹配计算；以及导航信息校正模块，所述导航信息校正模块用于根据匹配计算结果对导航信息进行校正，完成地形辅助导航。
CN202010711090.0A 2020-07-22 2020-07-22 地形辅助导航匹配区在线规划与适配性分析方法及系统 Active CN111896002B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010711090.0A CN111896002B (zh) 2020-07-22 2020-07-22 地形辅助导航匹配区在线规划与适配性分析方法及系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010711090.0A CN111896002B (zh) 2020-07-22 2020-07-22 地形辅助导航匹配区在线规划与适配性分析方法及系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111896002A CN111896002A (zh) 2020-11-06
CN111896002B true CN111896002B (zh) 2023-05-12

Family

ID=73189838

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010711090.0A Active CN111896002B (zh) 2020-07-22 2020-07-22 地形辅助导航匹配区在线规划与适配性分析方法及系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111896002B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113280811B (zh) * 2021-05-07 2023-03-21 北京航空航天大学 支持多分辨率地形数据的自适应地形辅助惯性导航方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5331562A (en) * 1992-01-16 1994-07-19 Honeywell Inc. Terrain referenced navigation-adaptive filter distribution
CN101339036A (zh) * 2008-08-20 2009-01-07 北京航空航天大学 地形辅助导航方法和设备
CN102426018A (zh) * 2011-08-19 2012-04-25 北京航空航天大学 基于混合地形轮廓匹配tercom算法和粒子滤波的地形辅助导航方法
CN106643714A (zh) * 2017-03-15 2017-05-10 北京航空航天大学 一种自主实时机载地形辅助惯性导航方法和系统
CN110081884A (zh) * 2019-05-21 2019-08-02 北京理工大学 基于虚拟航向的重力辅助惯性导航区域适配性评价方法
CN110617819A (zh) * 2019-10-17 2019-12-27 国营芜湖机械厂 一种基于蚁群算法路径规划的无人机地形辅助导航方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5331562A (en) * 1992-01-16 1994-07-19 Honeywell Inc. Terrain referenced navigation-adaptive filter distribution
CN101339036A (zh) * 2008-08-20 2009-01-07 北京航空航天大学 地形辅助导航方法和设备
CN102426018A (zh) * 2011-08-19 2012-04-25 北京航空航天大学 基于混合地形轮廓匹配tercom算法和粒子滤波的地形辅助导航方法
CN106643714A (zh) * 2017-03-15 2017-05-10 北京航空航天大学 一种自主实时机载地形辅助惯性导航方法和系统
CN110081884A (zh) * 2019-05-21 2019-08-02 北京理工大学 基于虚拟航向的重力辅助惯性导航区域适配性评价方法
CN110617819A (zh) * 2019-10-17 2019-12-27 国营芜湖机械厂 一种基于蚁群算法路径规划的无人机地形辅助导航方法

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
TERCOM地形高程辅助导航系统发展及应用研究;李雄伟等;《中国惯性技术学报》;20060228(第01期);全文 *
基于小采样的地形匹配区适应性技术研究;杨卫平等;《信号处理》;20080625(第03期);全文 *
改进的地形熵算法在地形辅助导航中的应用;徐晓苏等;《中国惯性技术学报》;20081015(第05期);全文 *
适用航空的地形匹配导航算法研究;吴康等;《压电与声光》;20101015(第05期);全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN111896002A (zh) 2020-11-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111272165B (zh) 一种基于特征点标定的智能车定位方法
CN111780755B (zh) 一种基于因子图和可观测度分析的多源融合导航方法
CN111486845B (zh) 基于海底地形匹配的auv多策略导航方法
CN109724599B (zh) 一种抗野值的鲁棒卡尔曼滤波sins/dvl组合导航方法
CN106643714B (zh) 一种自主实时机载地形辅助惯性导航方法和系统
CN103743402B (zh) 一种基于地形信息量的水下智能自适应地形匹配方法
CN108896040B (zh) 天空海一体化水下潜器惯性/重力组合导航方法和系统
CN106885576B (zh) 一种基于多点地形匹配定位的auv航迹偏差估计方法
Han et al. A combined matching algorithm for underwater gravity-aided navigation
CN109141426B (zh) 一种水下重力匹配导航适配区的方法
CN114526745B (zh) 一种紧耦合激光雷达和惯性里程计的建图方法及系统
CN113252038B (zh) 基于粒子群算法的航迹规划地形辅助导航方法
CN112346104B (zh) 一种无人机信息融合定位方法
CN109507706B (zh) 一种gps信号丢失的预测定位方法
CN111238467A (zh) 一种仿生偏振光辅助的无人作战飞行器自主导航方法
CN111695440B (zh) 基于雷达高度计的ga-svr湖泊水位测量与预测方法
KR102119254B1 (ko) 연합형 필터 기반 관성항법, 위성항법 및 지형대조항법을 정보 융합한 통합 항법 설계 방법 및 이 방법을 저장한 컴퓨터 판독 가능 저장 매체
CN111190211B (zh) 一种gps失效位置预测定位方法
CN111896002B (zh) 地形辅助导航匹配区在线规划与适配性分析方法及系统
Wang et al. A filtered-marine map-based matching method for gravity-aided navigation of underwater vehicles
CN113900069A (zh) 一种基于干涉成像高度计的垂线偏差计算方法及其系统
CN116953744A (zh) 一种导航卫星非视距信号识别方法和导航卫星定位方法
CN116358566B (zh) 一种基于抗差自适应因子的粗差探测组合导航方法
CN113916217B (zh) 一种基于分区平流层大气折射模型的星光定位方法
CN110763234A (zh) 一种水下机器人海底地形匹配导航路径规划方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant