CN113252072B - 一种基于圆环窗口的数字水深模型可导航能力评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于圆环窗口的数字水深模型可导航能力评估方法，属于海洋测绘和导航定位技术领域。根据海面任意点O，得到其铅垂线方向下对应的海底表面点C；将以OC为轴、夹角为α的射线旋转360°，构成圆锥Δ；以Δ切割数字水深模型面获得局部数字水深模型面；在局部数字水深模型面中选取水深最浅点O′，过O′作水平面与圆锥相交构成圆环Θ；将圆环Θ离散化得到水平位置点序列POS，构成水深值序列H；将POS平移得到水平位置点序列POS_i，构成新的水深值序列H′_i；计算H与H′_i的最小均方差作为O点的地形可导航能力。本发明能够精准评估该区域内数字水深模型在水下地形匹配方面的可导航能力，有利于科学合理选取水下地形匹配导航的海区，有利于提高水下地形匹配定位的精度和鲁棒性。

Description

一种基于圆环窗口的数字水深模型可导航能力评估方法

技术领域

本发明属于海洋测绘和导航定位技术领域，涉及一种选取数字水深模型可导航能力丰富的区域进行水下地形匹配定位的方法。

背景技术

数字水深模型可导航能力，表达的是局部地形的起伏特征在其邻近范围内存在特殊性，从而可以根据局部地形特征推算其所在位置的能力。局部地形的起伏越明显、特殊性越强，根据局部地形获取其位置信息就越容易，则其数字水深模型可导航能力越强。选取数字水深模型可导航能力强的区域作为水下地形匹配区，对于进一步提高水下地形匹配定位的精度和鲁棒性具有重要的意义。

然而，现有的数字水深模型可导航能力大多简单采用地形标准差、地形信息熵、地形粗糙度和地形自相关系数等统计指标来表示，没有考虑到各次匹配定位过程中所需具体局部地形可能并不相同这一问题：如图1所示，为两次匹配定位实验的航迹对比图，图中黑色网格表示数字水深模型，曲线T₁和曲线T₂分别表示潜航器两次匹配定位中的实验航迹，A为两航迹的交点，

和

分别表示潜航器在A点的速度。由图1可知，航迹T₁所需的局部地形(图1中左斜剖面线区域所示)与航迹T₂所用的局部地形(图1中右斜剖面线区域所示)并不一致。此时，单纯以地形标准差、地形信息熵、地形粗糙度和地形自相关系数等统计指标来表示地形可导航能力是并不准确的。

发明内容

为了克服现有数字水深模型可导航能力评价方法缺乏对匹配定位算法所需具体局部地形的考虑这一问题，本发明提供了一种基于圆环窗口的数字水深模型可导航能力评估方法。

本发明的技术方案为：

一种基于圆环窗口的数字水深模型可导航能力评估方法，包括以下步骤：

步骤S1：选取研究区域Φ，并在研究区域Φ中选取理论深度基准面上的任意位置为O；过O点作垂线，与数字水深模型面相交于点C；

步骤S2：根据给定的锐角α和线段OC构建三角形OCB；

步骤S3：将以线段OC为轴，将三角形OCB旋转360°得到圆锥Δ，圆锥Δ与数字水深模型面相交，得到局部数字水深模型面Γ；

步骤S4：在局部数字水深模型面Γ中选取水深最浅点O′，过O′作水平面F，水平面F与局部数字水深模型Γ相交构成圆环Θ；

步骤S5：将圆环Θ离散化，获得n个水平位置点(x₁,y₁),(x₂,y₂),...,(x_n,y_n)，构成水平位置点序列POS；

步骤S6：记录位置点序列POS中各水平位置点(x_j,y_j)处的水深值h_j，构成水深值序列H；其中，j＝{1,2,3,…,n}；

步骤S7：以O点为中心，以给定的半径r为范围，将水平位置点序列POS进行平移，得到m组水平位置点序列POS_i＝{(x_i,1,y_i,1),(x_i,2,y_i,2),...,(x_i,n,y_i,n)}，并记录POS_i对应各水平位置点(x_i,j,y_i,j)处的水深值h_i,j′，构成m组水深值序列H′_i；其中，i＝{1,2,3,…,m}；

步骤S8：计算水深值序列H与其他水深值序列H′_i的最小均方差σ_min，并将σ_min作为O点的地形可导航能力。

所述步骤S1中，设O点的水平位置坐标为(x_O,y_O)，研究区域Φ的数字水深模型为z＝f(x,y)，则C点的坐标(x_C,y_C,z_C)为：

所述步骤S2中，给定锐角α，根据线段OC和锐角α得到三角形OCB，其计算方法如下：

设已知O点和C点的坐标分别为(x_O,y_O,z_O)和(x_C,y_C,z_C)，线段OC和线段OB的夹角为α，则点B坐标(x_B,y_B,z_B)的计算公式为：

所述步骤S3的计算方法如下：

设O点、C点和B点的坐标分别为(x_O,y_O,z_O)、(x_C,y_C,z_C)和(x_B,y_B,z_B)，线段OC和线段OB的夹角为α，研究区域Φ的数字水深模型为z＝f(x,y)，则圆锥Δ的顶点即为O点，其底面可以通过底面的边界线L(R,θ)来表示，其中θ表示线段CM _k与线段CB的夹角，其取值范围为0～360°，R表示边界线与C点的距离：

L(R,θ)上任意点M_k的直角坐标(x_k,y_k)为：

x_k＝x_C+R×cos(θ)

y_k＝y_C+R×sin(θ)

此时，可求得局部数字水深模型面Γ：

所述步骤S4的计算方法如下：

设O点、C点和O′点的坐标分别为(x_O,y_O,z_O)、(x_C,y_C,z_C)和(x′_O,y′_O,z′_O)，线段OC和线段OB的夹角为α，则圆环Θ上任意点(x_Θ,y_Θ,z_Θ)的坐标为：

x_Θ＝x_C+R″cos(θ)

y_Θ＝y_C+R″sin(θ)

z_Θ＝z′_O

其中，R″表示圆环半径，即圆环Θ上任一点(x_Θ,y_Θ,z_Θ)与线段OC的距离：

R″＝|z′_O-z_O|tan(α)。

所述步骤S8的具体方法为：

设已知水深值序列H＝{h₁,h₂,...,h_n}和其他m个水深值序列H′_i＝{h′_i,1,h′_i,2,...,h′_i,n}，则σ_min的计算公式：

本发明的有益效果：本发明提出一种基于圆环窗口的数字水深模型可导航能力评估方法，克服了现有数字水深模型可导航能力评价方法缺乏对匹配定位算法所需具体局部地形的考虑的不足。已有实验结果表明：本发明所述方法能够根据水下局部地形的起伏特征在其邻近范围内存在特殊性，精准评估该区域内数字水深模型在水下地形匹配方面的可导航能力，有利于科学、合理选取水下地形匹配导航的海区，对于进一步提高水下地形匹配定位的精度和鲁棒性具有重要的意义。

附图说明

图1是两次匹配定位所需地形剖面的对比图。

图2是本发明中所需圆环Θ的剖面示意图。

图3是本发明中所需圆环Θ的俯视图。

图4是本发明中评估数字水深模型可导航能力的主流程框图。

具体实施方式

下面将结合具体实例和附图对本发明的技术方案进行进一步的说明。

本发明实施的实现过程是采用计算机实现数字水深模型的可导航能力评估。设确定地形可导航能力分析区域的数字水深模型z＝f(x,y)，并在研究区域Φ中选取理论深度基准面上的任意位置O(x_O,y_O,z_O)为例进行数字水深模型可导航能力分析，包括以下步骤(如图2和图3所示)：

步骤S1：过O点作垂线，与数字水深模型面相交于点C，可得C点的坐标(x_C,y_C,z_C)分别为x_C＝x_O、y_C＝y_O、z_C＝f(x_C,y_C)；

步骤S2：根据给定的锐角α和线段OC构建三角形OCB，其中B点的坐标(x_B,y_B,z_B)分别为x_B＝x_C+|z_C-z_O|×tan(α)、y_B＝y_C、z_B＝z_C；

步骤S3：以线段OC为轴，将三角形OCB旋转360°得到圆锥Δ，圆锥Δ与数字水深模型面相交，得到局部数字水深模型面Γ。此时，圆锥Δ可以根据顶点O和底边L(R,θ)表示：

表示边界线与C点的距离；底边上任意一点M_k的坐标为x_k＝x_C+R×cos(θ)、y_k＝y_C+R×sin(θ)，然后联立公式z＝f(x,y)，可得局部数字水深模型面Γ为：

步骤S4：根据公式

在局部数字水深模型面Γ中选取水深最浅点O′(x′_O,y′_O,z′_O)，过O′作水平面F，水平面F与局部数字水深模型面Γ相交构成圆环Θ，圆环半径R″＝|z′_O-z_O|tan(α)，圆环上各点坐标为x_Θ＝x_C+R″cos(θ)、y_Θ＝y_C+R″sin(θ)、z_Θ＝z′_O；

步骤S5：将圆环Θ离散化，获得n个水平位置点(x₁,y₁),(x₂,y₂),...,(x_n,y_n)，构成水平位置点序列POS；

步骤S6：记录位置点序列POS中各水平位置点(x_j,y_j)处的水深值h_j，构成水深值序列H；其中，j＝{1,2,3,…,n}；

步骤S7：以O点为中心，以给定的半径r为范围，将水平位置点序列POS进行平移，得到m组水平位置点序列POS_i＝{(x_i,1,y_i,1),(x_i,2,y_i,2),...,(x_i,n,y_i,n)}，并记录POS_i对应各水平位置点(x_i,j,y_i,j)处的水深值h_i,j′，构成m组水深值序列H′_i；其中，i＝{1,2,3,…,m}；

步骤S8：计算水深值序列H＝{h₁,h₂,...,h_n}与其他m个水深值序列H′_i＝{h′_i,1,h′_i,2,...,h′_i,n}的最小均方差σ_min，并将σ_min作为O点的地形可导航能力；σ_min的计算公式为：

本发明是通过实施例进行描述的，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于圆环窗口的数字水深模型可导航能力评估方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤S1：选取研究区域Φ，并在研究区域Φ中选取理论深度基准面上的任意位置为O；过O点作垂线，与数字水深模型面相交于点C；

设O点的水平位置坐标为(x_O,y_O)，研究区域Φ的数字水深模型为z＝f(x,y)，则C点的坐标(x_C,y_C,z_C)为：

步骤S2：根据给定的锐角α和线段OC构建三角形OCB；其中，由O点、C点的坐标及线段OC和线段OB的夹角α，得到B点的坐标(x_B,y_B,z_B)为：

x_B＝x_C+|z_C-z_O|×tan(α)

y_B＝y_C

z_B＝z_C

步骤S3：将以线段OC为轴，将三角形OCB旋转360°得到圆锥Δ，圆锥Δ与数字水深模型面相交，得到局部数字水深模型面Γ；

步骤S4：在局部数字水深模型面Γ中选取水深最浅点O′，过O′作水平面F，水平面F与局部数字水深模型Γ相交构成圆环Θ；

步骤S5：将圆环Θ离散化，获得n个水平位置点(x₁,y₁),(x₂,y₂),…,(x_n,y_n)，构成水平位置点序列POS；

步骤S6：记录位置点序列POS中各水平位置点(x_j,y_j)处的水深值h_j，构成水深值序列H＝{h₁,h₂,...,h_n}；其中，j＝{1,2,3,…,n}；

步骤S7：以O点为中心，以给定的半径r为范围，将水平位置点序列POS进行平移，得到m组水平位置点序列POS_i＝{(x_i,1,y_i,1),(x_i,2,y_i,2),...,(x_i,n,y_i,n)}，并记录POS_i对应各水平位置点(x_i,j,y_i,j)处的水深值h_i,j′，构成m组水深值序列H′_i＝{h′_i,1,h′_i,2,...,h′_i,n}；其中，i＝{1,2,3,…,m}；

步骤S8：计算水深值序列H与水深值序列H′_i的最小均方差σ_min，并将σ_min作为O点的地形可导航能力；所述σ_min的计算公式为：

2.根据权利要求1所述的一种基于圆环窗口的数字水深模型可导航能力评估方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：

以线段OC为轴，将三角形OCB旋转360°得到圆锥Δ；圆锥Δ的顶点即为O点，其底面通过底面的边界线L(R,θ)来表示，其中θ表示线段CM_k与线段CB的夹角，其取值范围为0～360°；R表示边界线与C点的距离：

L(R,θ)上任意点M_k的直角坐标(x_k,y_k)为：

x_k＝x_C+R×cos(θ)

y_k＝y_C+R×sin(θ)

此时，求得局部数字水深模型面Γ为：

3.根据权利要求2所述的一种基于圆环窗口的数字水深模型可导航能力评估方法，其特征在于，所述步骤S4具体为：

根据公式

在局部数字水深模型面Γ中选取水深最浅点O′(x′_O,y′_O,z′_O)，过O′作水平面F，水平面F与局部数字水深模型面Γ相交构成圆环Θ，圆环Θ上任一点(x_Θ,y_Θ,z_Θ)的坐标为：

x_Θ＝x_C+R″cos(θ)

y_Θ＝y_C+R″sin(θ)

z_Θ＝z′_O

其中，R″表示圆环半径，即圆环Θ上任一点(x_Θ,y_Θ,z_Θ)与线段OC的距离：R″＝|z′_O-z_O|tan(α)。

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