CN113340299B - 一种基于水下稀疏测线的重力灯塔潜器定位方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于水下稀疏测线的重力灯塔潜器定位方法及装置，方法包括：获取潜器沿预设稀疏测线水平运动时测得的重力灯塔的水下观测重力数据；将水下观测重力数据向上延拓，得到重力灯塔的第一水面观测重力数据；利用反距离加权法对第一水面观测重力数据进行插值处理，得到第二水面观测重力数据；根据第一水面观测重力数据和第二水面观测重力数据确定重力灯塔的观测轮廓坐标位置矩阵；根据观测轮廓坐标位置矩阵和惯性导航系统中的先验轮廓坐标位置矩阵，确定位置转换矩阵；根据位置转换矩阵校正惯性导航系统。本发明提供的方法及装置能够在保证惯导系统导航精度的同时，减少灯塔观测数据的采集量，保证了潜器的隐蔽性。

Description

一种基于水下稀疏测线的重力灯塔潜器定位方法及装置

技术领域

本发明涉及导航技术领域，特别是涉及一种基于水下稀疏测线的重力灯塔潜器定位方法及装置。

背景技术

惯性导航系统(简称惯导系统)是一种不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航系统，产生的导航信息连续性好而且噪声低，不受外界电磁干扰的影响。惯性导航系统可全天候、全时间地工作于空中、地球表面乃至水下，具有隐蔽性好、数据更新率高、短期精度和稳定性好的优点。但是惯导有固定的漂移率，这样会造成物体运动的误差，因此需要对惯导进行定时修正，以获取持续准确的位置参数。水下重力匹配辅助导航技术通过测高卫星数据获取全球海洋重力异常图，从全球海洋重力异常图中筛选出特征明显的数据，构建重力灯塔数据库，预先装入潜艇惯性导航终端作为导航基准，艇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海洋重力异常图进行匹配，从而获得潜艇自身坐标以校正惯导系统。

观测重力灯塔一般通过潜器在灯塔上方做往复式航迹测得，重力灯塔的观测数据越详实，提取出的特征越精确，匹配结果越准确。但是，灯塔数据的采集量越大，潜器的往复航迹就越密，机动动作就越多，这增大了潜器暴露的风险，降低了潜器的隐蔽性、安全性。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于水下稀疏测线的重力灯塔潜器定位方法及装置，能够在保证惯导系统导航精度的同时，减少灯塔观测数据的采集量，保证了潜器的隐蔽性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于水下稀疏测线的重力灯塔潜器定位方法，包括：

获取潜器沿预设稀疏测线水平运动时测得的重力灯塔的水下观测重力数据；所述潜器上安装有惯性导航系统；

将所述水下观测重力数据向上延拓，得到所述重力灯塔的第一水面观测重力数据；

利用反距离加权法对所述第一水面观测重力数据进行插值处理，得到第二水面观测重力数据；

根据所述第一水面观测重力数据和所述第二水面观测重力数据确定所述重力灯塔的观测轮廓坐标位置矩阵；

根据所述观测轮廓坐标位置矩阵和所述惯性导航系统中的先验轮廓坐标位置矩阵，确定位置转换矩阵；

根据所述位置转换矩阵校正所述惯性导航系统。

可选的，在所述获取潜器沿预设稀疏测线水平运动时测得的重力灯塔的水下观测重力数据之前，还包括：

获取重力灯塔的形态参数；所述重力灯塔的形态参数包括形态走向角以及重力灯塔外切椭圆的长轴和短轴；所述形态走向角为所述重力灯塔外切椭圆的长轴与正北方向的夹角；

以所述重力灯塔外切椭圆的圆心为中心，建立矩形的初始稀疏测区；所述初始稀疏测区的长为所述形态走向角的余弦与所述重力灯塔外切椭圆的长轴的乘积；所述初始稀疏测区的宽为所述形态走向角的余弦与所述重力灯塔外切椭圆的短轴的乘积；

获取所述惯性导航系统的漂移率和校正时间；所述校正时间为上一次校正所述惯性导航系统的时间；

根据当前时刻与所述校正时间的时间差，以及所述漂移率计算所述惯性导航系统的位置偏差；

以所述重力灯塔外切椭圆的圆心为中心，以所述位置偏差的2倍为扩展量，对所述初始稀疏测区的长和宽均进行扩展，得到扩展后的稀疏测区；

在所述扩展后的稀疏测区内确定多条预设稀疏测线。

可选的，所述位置偏差的计算公式为：

PC＝t×ε

式中，PC为位置偏差；ε为惯性导航系统的漂移率；t为当前时刻与校正时间的时间差。

可选的，多条所述预设稀疏测线均与所述重力灯塔外切椭圆的长轴平行。

可选的，所述利用反距离加权法对所述第一水面观测重力数据进行插值处理，得到第二水面观测重力数据，具体包括：

插入多条虚拟测线；

根据所述第一水面观测重力数据，利用公式

计算所述重力灯塔的第二水面观测重力数据；所述第二水面观测重力数据为潜器沿所述虚拟测线水平运动时测得的重力灯塔的水面观测重力数据；

其中，

式中，(L_i,B_i)为预设稀疏测线上第i点的惯导指示坐标，L_i为预设稀疏测线上第i点的惯导指示经度，B_i为预设稀疏测线上第i点的惯导指示纬度；(L,B)为虚拟稀疏测线上任一点的惯导指示坐标，L为虚拟测线上任一点的惯导指示经度，B为虚拟测线上任一点的惯导指示纬度；s_i为预设稀疏测线上第i点(L_i,B_i)到虚拟测线上任一点(L,B)的距离；λ_i为反距离加权因子；Δg₀(L_i,B_i)为预设稀疏测线第i点(L_i,B_i)的第一水面观测重力数据；δg(L,B)为虚拟测线上任一点(L,B)的第二水面观测重力数据；n为预设稀疏测线上的测点个数。

可选的，所述虚拟测线比所述预设稀疏测线多1条；所述虚拟测线与所述预设稀疏测线交替平行设置。

可选的，所述预设稀疏测线的条数为3条。

一种基于水下稀疏测线的重力灯塔潜器定位装置，包括：

水下观测重力数据获取模块，用于获取潜器沿预设稀疏测线水平运动时测得的重力灯塔的水下观测重力数据；所述潜器上安装有惯性导航系统；

数据延拓模块，用于将所述水下观测重力数据向上延拓，得到所述重力灯塔的第一水面观测重力数据；

第二水面观测重力数据计算模块，用于利用反距离加权法对所述第一水面观测重力数据进行插值处理，得到第二水面观测重力数据；

观测轮廓坐标位置矩阵确定模块，用于根据所述第一水面观测重力数据和所述第二水面观测重力数据确定所述重力灯塔的观测轮廓坐标位置矩阵；

位置转换矩阵确定模块，用于根据所述观测轮廓坐标位置矩阵和所述惯性导航系统中的先验轮廓坐标位置矩阵，确定位置转换矩阵；

校正模块，用于根据所述位置转换矩阵校正所述惯性导航系统。

可选的，所述装置，还包括：

形态参数获取模块，用于获取重力灯塔的形态参数；所述重力灯塔的形态参数包括形态走向角以及重力灯塔外切椭圆的长轴和短轴；所述形态走向角为所述重力灯塔外切椭圆的长轴与正北方向的夹角；

初始稀疏测区建立模块，用于以所述重力灯塔外切椭圆的圆心为中心，建立矩形的初始稀疏测区；所述初始稀疏测区的长为所述形态走向角的余弦与所述重力灯塔外切椭圆的长轴的乘积；所述初始稀疏测区的宽为所述形态走向角的余弦与所述重力灯塔外切椭圆的短轴的乘积；

漂移率和校正时间获取模块，用于获取所述惯性导航系统的漂移率和校正时间；所述校正时间为上一次校正所述惯性导航系统的时间；

位置偏差计算模块，用于根据当前时刻与所述校正时间的时间差，以及所述漂移率计算所述惯性导航系统的位置偏差；

扩展后的稀疏测区确定模块，用于以所述重力灯塔外切椭圆的圆心为中心，以所述位置偏差的2倍为扩展量，对所述初始稀疏测区的长和宽均进行扩展，得到扩展后的稀疏测区；

预设稀疏测线确定模块，用于在所述扩展后的稀疏测区内确定多条预设稀疏测线。

可选的，所述第二水面观测重力数据计算模块，具体包括：

虚拟测线插入单元，用于插入多条虚拟测线；

第二水面观测重力数据计算单元，用于根据所述第一水面观测重力数据，利用公式

计算所述重力灯塔的第二水面观测重力数据；所述第二水面观测重力数据为潜器沿所述虚拟测线水平运动时测得的重力灯塔的水面观测重力数据；

其中，

式中，(L_i,B_i)为预设稀疏测线上第i点的惯导指示坐标，L_i为预设稀疏测线上第i点的惯导指示经度，B_i为预设稀疏测线上第i点的惯导指示纬度；(L,B)为虚拟稀疏测线上任一点的惯导指示坐标，L为虚拟测线上任一点的惯导指示经度，B为虚拟测线上任一点的惯导指示纬度；s_i为预设稀疏测线上第i点(L_i,B_i)到虚拟测线上任一点(L,B)的距离；λ_i为反距离加权因子；Δg₀(L_i,B_i)为预设稀疏测线第i点(L_i,B_i)的第一水面观测重力数据；δg(L,B)为虚拟测线上任一点(L,B)的第二水面观测重力数据；n为预设稀疏测线上的测点个数。

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：

本发明提出了一种基于水下稀疏测线的重力灯塔潜器定位方法及装置，方法包括：获取潜器沿预设稀疏测线水平运动时测得的重力灯塔的水下观测重力数据；潜器上安装有惯性导航系统；将水下观测重力数据向上延拓，得到重力灯塔的第一水面观测重力数据；利用反距离加权法对第一水面观测重力数据进行插值处理，得到第二水面观测重力数据；根据第一水面观测重力数据和第二水面观测重力数据确定重力灯塔的观测轮廓坐标位置矩阵；根据观测轮廓坐标位置矩阵和惯性导航系统中的先验轮廓坐标位置矩阵，确定位置转换矩阵；根据位置转换矩阵校正惯性导航系统。本发明提供的基于水下稀疏测线的重力灯塔潜器定位方法及装置，对直接获取的水下观测重力数据进行插值处理，根据插值后数据对惯导系统进行校正，能够在保证惯导系统导航精度的同时，减少灯塔观测数据的采集量，保证了潜器的隐蔽性。

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为本发明实施例所提供的基于水下稀疏测线的重力灯塔潜器定位方法流程图；

图2为本发明实施例所提供的先验重力灯塔图；

图3为本发明实施例所提供的重力灯塔先验轮廓图；

图4为本发明实施例所提供的重力灯塔外切椭圆示意图；

图5为本发明实施例所提供的扩展后的稀疏测区示意图；

图6为本发明实施例所提供的预设稀疏测线示意图；

图7为本发明实施例所提供的预设稀疏测线的测点示意图；

图8为本发明实施例所提供的虚拟测线示意图；

图9为本发明实施例所提供的插值示意图；

图10为本发明实施例所提供重力灯塔的观测图；

图11为本发明实施例所提供的重力灯塔观测轮廓图；

图12为本发明实施例所提供的灯塔2先验轮廓图；

图13为本发明实施例所提供的灯塔2先验轮廓矩阵图；

图14为本发明实施例所提供的灯塔2观测轮廓矩阵图；

图15为本发明实施例所提供的重力数据向上延拓流程图；

图16为本发明实施例所提供的基于水下稀疏测线的重力灯塔潜器定位装置结构示意图。

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水下稀疏测线的重力灯塔潜器定位方法及装置，能够在保证惯导系统导航精度的同时，减少灯塔观测数据的采集量，保证了潜器的隐蔽性。

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为本发明实施例所提供的基于水下稀疏测线的重力灯塔潜器定位方法流程图，如图1所示，本发明提供了一种基于水下稀疏测线的重力灯塔潜器定位方法，包括：

步骤101：获取潜器沿预设稀疏测线水平运动时测得的重力灯塔的水下观测重力数据；潜器上安装有惯性导航系统。

本发明提供的基于水下稀疏测线的重力灯塔潜器定位方法，在步骤101之前，还包括：

获取重力灯塔的形态参数；重力灯塔的形态参数包括形态走向角以及重力灯塔外切椭圆的长轴和短轴；形态走向角为重力灯塔外切椭圆的长轴与正北方向的夹角。

以重力灯塔外切椭圆的圆心为中心，建立矩形的初始稀疏测区；初始稀疏测区的长为形态走向角的余弦与重力灯塔外切椭圆的长轴的乘积；初始稀疏测区的宽为形态走向角的余弦与重力灯塔外切椭圆的短轴的乘积。

获取惯性导航系统的漂移率和校正时间；校正时间为上一次校正惯性导航系统的时间。

根据当前时刻与校正时间的时间差，以及漂移率计算惯性导航系统的位置偏差。

以重力灯塔外切椭圆的圆心为中心，以位置偏差的2倍为扩展量，对初始稀疏测区的长和宽均进行扩展，得到扩展后的稀疏测区。

在扩展后的稀疏测区内确定多条预设稀疏测线。多条预设稀疏测线均与重力灯塔外切椭圆的长轴平行。

具体的，位置偏差的计算公式为：

PC＝t×ε

式中，PC为位置偏差；ε为惯性导航系统的漂移率；t为当前时刻与校正时间的时间差。

步骤102：将水下观测重力数据向上延拓，得到重力灯塔的第一水面观测重力数据。

步骤103：利用反距离加权法对第一水面观测重力数据进行插值处理，得到第二水面观测重力数据。

步骤103，具体包括：插入多条虚拟测线；根据第一水面观测重力数据，利用公式

计算重力灯塔的第二水面观测重力数据；第二水面观测重力数据为潜器沿虚拟测线水平运动时测得的重力灯塔的水面观测重力数据。

其中，

式中，(L_i,B_i)为预设稀疏测线上第i点的惯导指示坐标，L_i为预设稀疏测线上第i点的惯导指示经度，B_i为预设稀疏测线上第i点的惯导指示纬度；(L,B)为虚拟稀疏测线上任一点的惯导指示坐标，L为虚拟测线上任一点的惯导指示经度，B为虚拟测线上任一点的惯导指示纬度；s_i为预设稀疏测线上第i点(L_i,B_i)到虚拟测线上任一点(L,B)的距离；λ_i为反距离加权因子；Δg₀(L_i,B_i)为预设稀疏测线第i点(L_i,B_i)的第一水面观测重力数据；δg(L,B)为虚拟测线上任一点(L,B)的第二水面观测重力数据；n为预设稀疏测线上的测点个数。

其中，虚拟测线比预设稀疏测线多1条；虚拟测线与预设稀疏测线交替平行设置。预设稀疏测线的条数为3条。

步骤104：根据第一水面观测重力数据和第二水面观测重力数据确定重力灯塔的观测轮廓坐标位置矩阵。

步骤105：根据观测轮廓坐标位置矩阵和惯性导航系统中的先验轮廓坐标位置矩阵，确定位置转换矩阵。

步骤106：根据位置转换矩阵校正惯性导航系统。

具体的，图2为本发明实施例所提供的先验重力灯塔图；图3为本发明实施例所提供的重力灯塔先验轮廓图；以图2-3中的灯塔2为例，本发明提供的基于水下稀疏测线的重力灯塔潜器定位方法，具体包括：

第一步：稀疏测线设计。

①获取先验重力灯塔(灯塔2)形态参数，包括先验重力灯塔外切椭圆长轴长度a，短轴长度b，形态走向角α，重力灯塔外切椭圆的示意图如图4所示，其中，N表示正北方向。

②确定稀疏测区。

1)从惯导的铭牌处查看惯导的漂移率(惯导每小时累积的位置定位偏差)ε，单位为nmi/h(海里每小时)。

2)根据如下公式计算惯导的位置偏差PC：PC＝t×ε。

3)定义的稀疏测区。稀疏测区是以惯导目前指示位置(重力灯塔外切椭圆)为中心，宽为bcosα+2PC，高为acosα+2PC的矩形区域。稀疏测区的示意图如图5所示。

③稀疏测线设计：

在测区内，设计3条平行于重力灯塔外切椭圆长轴的预设稀疏测线，测线间距为

长度为

预设稀疏测线示意图如图6所示。

第二步：向上延拓。

预设稀疏测线的测点示意图如图7所示，获取潜器沿预设稀疏测线水平运动时在各测点处测得的重力灯塔的水下观测重力数据，将水下观测重力数据换算到海洋表面，得到第一水面观测重力数据。延拓前设定一个延拓迭代阈值YZ(单位：mGal，毫伽)，设定的YZ越小，迭代时间越长，收敛越慢，延拓精度越高，重力数据向上延拓流程如图15所示。

①潜器在水深h处沿预设稀疏测线测量力数据Δg_h(L_i,B_i,h)。其中(L_i,B_i,h)为预设稀疏测线上第n点的惯导指示坐标，L_i为预设稀疏测线上第n点的惯导指示经度，B_i为预设稀疏测线上第i点的惯导指示纬度；n为预设稀疏测线上的测点个数。

②利用如下公式将Δg_h(L_i,B_i,h)向上延拓，得到点(L_i,B_i)对应的水面重力数据Δg₀(L_i,B_i,0)(即第一水面观测数据)。

具体的：

1)从惯导系统预装的重力灯塔数据库中提取点(L_i,B_i)的先验水面重力数据Δg(L_i,B_i,0)作为点(L_i,B_i)第一水面观测数据Δg₀(L_i,B_i,0)的初值，即令Δg₀(L_i,B_i,0)＝Δg(L_i,B_i,0)。

2)根据如下公式计算预延拓初值P：

3)根据如下公式计算点(L_i,B_i)的水下重力数据与P的偏差Q：Q＝Δg_h(L_i,B_i,h)-P。

4)根据如下公式计算延拓迭代重力异常初值Δg'：Δg'＝Δg(L_i,B_i,0)+Q。

5)根据如下公式计算延拓迭代初值P'：

6)根据如下公式计算迭代偏差Q'：

7)判断Q'和YZ的关系，若Q'≤YZ，则Δg₀(L_i,B_i,0)的取值为Δg'；若Q'>YZ，则将Δg'+Q'作为Δg'的值并跳转到步骤5)。

经过以上循环迭代计算，得到点(L_i,B_i)的第一水面观测数据Δg₀(L_i,B_i,0)。

第三步：面状重力灯塔恢复。

根据已知的三条预设稀疏测线，使用反距离加权算法外推出四条虚拟测线，使得测区内的已知测线数达到七条。虚拟测线的分布如图8所示。其中，分布有实点的为预设稀疏测线，分布有空心点的为虚拟测线。

图9为本发明实施例所提供的插值示意图，图9中的s表示点Δg₀到点δ_g的距离。如图9所示，根据公式

计算重力灯塔的第二水面观测重力数据；第二水面观测重力数据相当于潜器沿虚拟测线水平运动时测得的重力灯塔的水面观测重力数据。

其中，

式中，(L_i,B_i)为预设稀疏测线上第i点的惯导指示坐标，L_i为预设稀疏测线上第i点的惯导指示经度，B_i为预设稀疏测线上第i点的惯导指示纬度；(L,B)为虚拟稀疏测线上任一点的惯导指示坐标，L为虚拟测线上任一点的惯导指示经度，B为虚拟测线上任一点的惯导指示纬度；s_i为预设稀疏测线上第i点(L_i,B_i)到虚拟测线上任一点(L,B)的距离；λ_i为反距离加权因子；Δg₀(L_i,B_i)为预设稀疏测线第i点(L_i,B_i)的第一水面观测重力数据；δg(L,B)为虚拟测线上任一点(L,B)的第二水面观测重力数据；n为预设稀疏测线上的测点个数。根据第一水面数据和第二水面观测重力数据生成惯导系统指示的重力灯塔的观测图如图10所示。

第四步：位置校准。

①根据第一水面数据和第二水面观测重力数据，提取观测重力灯塔轮廓特征，其中，重力灯塔观测轮廓图如图11所示；灯塔2先验轮廓图如图12所示；灯塔2先验轮廓矩阵图如图13所示；灯塔2观测轮廓矩阵图如图14所示。

②根据重力灯塔轮廓特征，计算潜器准确位置。

根据如下公式计算位置转换矩阵：

Loc_先验＝A·Loc_观测

其中，A为位置转换矩阵；Loc_观测为观测轮廓坐标位置矩阵Loc_先验为先验轮廓坐标位置矩阵。

根据如下公式校正惯导系统：

(L,B)_真实＝A·(L,B)_观测

式中，(L,B)_观测为惯导指示的潜艇当前位置；(L,B)_真实为解算的潜艇真实位置。

第五步：重置惯导系统，并使用重置后惯导系统继续工作。

本发明提出的基于水下稀疏测线的重力灯塔潜器定位方法，给出了基于稀疏测线的面状重力场的恢复策略，在有限采集数据的情况下，为特征的充分获取提供了数据保障，减少了潜器过多的机动动作，提高了潜器惯导系统的观测效率，增加了潜器的隐蔽性。

图16为本发明实施例所提供的基于水下稀疏测线的重力灯塔潜器定位装置结构示意图，如图16所示，本发明还提供了一种基于水下稀疏测线的重力灯塔潜器定位装置，包括：

水下观测重力数据获取模块201，用于获取潜器沿预设稀疏测线水平运动时测得的重力灯塔的水下观测重力数据；潜器上安装有惯性导航系统。

数据延拓模块202，用于将水下观测重力数据向上延拓，得到重力灯塔的第一水面观测重力数据。

第二水面观测重力数据计算模块203，用于利用反距离加权法对第一水面观测重力数据进行插值处理，得到第二水面观测重力数据。

第二水面观测重力数据计算模块203，具体包括：

虚拟测线插入单元，用于插入多条虚拟测线。

第二水面观测重力数据计算单元，用于根据第一水面观测重力数据，利用公式

计算重力灯塔的第二水面观测重力数据；第二水面观测重力数据为潜器沿虚拟测线水平运动时测得的重力灯塔的水面观测重力数据。

其中，

式中，(L_i,B_i)为预设稀疏测线上第i点的惯导指示坐标，L_i为预设稀疏测线上第i点的惯导指示经度，B_i为预设稀疏测线上第i点的惯导指示纬度；(L,B)为虚拟稀疏测线上任一点的惯导指示坐标，L为虚拟测线上任一点的惯导指示经度，B为虚拟测线上任一点的惯导指示纬度；s_i为预设稀疏测线上第i点(L_i,B_i)到虚拟测线上任一点(L,B)的距离；λ_i为反距离加权因子；Δg₀(L_i,B_i)为预设稀疏测线第i点(L_i,B_i)的第一水面观测重力数据；δg(L,B)为虚拟测线上任一点(L,B)的第二水面观测重力数据；n为预设稀疏测线上的测点个数。

观测轮廓坐标位置矩阵确定模块204，用于根据第一水面观测重力数据和第二水面观测重力数据确定重力灯塔的观测轮廓坐标位置矩阵。

位置转换矩阵确定模块205，用于根据观测轮廓坐标位置矩阵和惯性导航系统中的先验轮廓坐标位置矩阵，确定位置转换矩阵。

校正模块206，用于根据位置转换矩阵校正惯性导航系统。

本发明提供的基于水下稀疏测线的重力灯塔潜器定位装置，还包括：

形态参数获取模块，用于获取重力灯塔的形态参数；重力灯塔的形态参数包括形态走向角以及重力灯塔外切椭圆的长轴和短轴；形态走向角为重力灯塔外切椭圆的长轴与正北方向的夹角。

初始稀疏测区建立模块，用于以重力灯塔外切椭圆的圆心为中心，建立矩形的初始稀疏测区；初始稀疏测区的长为形态走向角的余弦与重力灯塔外切椭圆的长轴的乘积；初始稀疏测区的宽为形态走向角的余弦与重力灯塔外切椭圆的短轴的乘积。

漂移率和校正时间获取模块，用于获取惯性导航系统的漂移率和校正时间；校正时间为上一次校正惯性导航系统的时间。

位置偏差计算模块，用于根据当前时刻与校正时间的时间差，以及漂移率计算惯性导航系统的位置偏差。

位置偏差的计算公式为：

PC＝t×ε

式中，PC为位置偏差；ε为惯性导航系统的漂移率；t为当前时刻与校正时间的时间差。

扩展后的稀疏测区确定模块，用于以重力灯塔外切椭圆的圆心为中心，以位置偏差的2倍为扩展量，对初始稀疏测区的长和宽均进行扩展，得到扩展后的稀疏测区。

预设稀疏测线确定模块，用于在扩展后的稀疏测区内确定多条预设稀疏测线。

具体的，多条预设稀疏测线均与重力灯塔外切椭圆的长轴平行。虚拟测线比预设稀疏测线多1条；虚拟测线与预设稀疏测线交替平行设置。预设稀疏测线的条数为3条。

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 (6)

1.一种基于水下稀疏测线的重力灯塔潜器定位方法，其特征在于，所述方法，包括：

获取潜器沿预设稀疏测线水平运动时测得的重力灯塔的水下观测重力数据；所述潜器上安装有惯性导航系统；

将所述水下观测重力数据向上延拓，得到所述重力灯塔的第一水面观测重力数据；

利用反距离加权法对所述第一水面观测重力数据进行插值处理，得到第二水面观测重力数据；

根据所述第一水面观测重力数据和所述第二水面观测重力数据确定所述重力灯塔的观测轮廓坐标位置矩阵；

根据所述观测轮廓坐标位置矩阵和所述惯性导航系统中的先验轮廓坐标位置矩阵，确定位置转换矩阵；

根据所述位置转换矩阵校正所述惯性导航系统；

在所述获取潜器沿预设稀疏测线水平运动时测得的重力灯塔的水下观测重力数据之前，还包括：

获取重力灯塔的形态参数；所述重力灯塔的形态参数包括形态走向角以及重力灯塔外切椭圆的长轴和短轴；所述形态走向角为所述重力灯塔外切椭圆的长轴与正北方向的夹角；

以所述重力灯塔外切椭圆的圆心为中心，建立矩形的初始稀疏测区；所述初始稀疏测区的长为所述形态走向角的余弦与所述重力灯塔外切椭圆的长轴的乘积；所述初始稀疏测区的宽为所述形态走向角的余弦与所述重力灯塔外切椭圆的短轴的乘积；

获取所述惯性导航系统的漂移率和校正时间；所述校正时间为上一次校正所述惯性导航系统的时间；

根据当前时刻与所述校正时间的时间差，以及所述漂移率计算所述惯性导航系统的位置偏差；

以所述重力灯塔外切椭圆的圆心为中心，以所述位置偏差的2倍为扩展量，对所述初始稀疏测区的长和宽均进行扩展，得到扩展后的稀疏测区；

在所述扩展后的稀疏测区内确定多条预设稀疏测线；

所述利用反距离加权法对所述第一水面观测重力数据进行插值处理，得到第二水面观测重力数据，具体包括：

插入多条虚拟测线；

根据所述第一水面观测重力数据，利用公式

计算所述重力灯塔的第二水面观测重力数据；所述第二水面观测重力数据为潜器沿所述虚拟测线水平运动时测得的重力灯塔的水面观测重力数据；

其中，

式中，(L_i,B_i)为预设稀疏测线上第i点的惯导指示坐标，L_i为预设稀疏测线上第i点的惯导指示经度，B_i为预设稀疏测线上第i点的惯导指示纬度；(L,B)为虚拟稀疏测线上任一点的惯导指示坐标，L为虚拟测线上任一点的惯导指示经度，B为虚拟测线上任一点的惯导指示纬度；s_i为预设稀疏测线上第i点(L_i,B_i)到虚拟测线上任一点(L,B)的距离；λ_i为反距离加权因子；Δg₀(L_i,B_i)为预设稀疏测线第i点(L_i,B_i)的第一水面观测重力数据；δg(L,B)为虚拟测线上任一点(L,B)的第二水面观测重力数据；n为预设稀疏测线上的测点个数。

2.根据权利要求1所述的基于水下稀疏测线的重力灯塔潜器定位方法，其特征在于，所述位置偏差的计算公式为：

PC＝t×ε

式中，PC为位置偏差；ε为惯性导航系统的漂移率；t为当前时刻与校正时间的时间差。

3.根据权利要求1所述的基于水下稀疏测线的重力灯塔潜器定位方法，其特征在于，多条所述预设稀疏测线均与所述重力灯塔外切椭圆的长轴平行。

4.根据权利要求1所述的基于水下稀疏测线的重力灯塔潜器定位方法，其特征在于，所述虚拟测线比所述预设稀疏测线多1条；所述虚拟测线与所述预设稀疏测线交替平行设置。

5.根据权利要求4所述的基于水下稀疏测线的重力灯塔潜器定位方法，其特征在于，所述预设稀疏测线的条数为3条。

6.一种基于水下稀疏测线的重力灯塔潜器定位装置，其特征在于，所述装置，包括：

水下观测重力数据获取模块，用于获取潜器沿预设稀疏测线水平运动时测得的重力灯塔的水下观测重力数据；所述潜器上安装有惯性导航系统；

数据延拓模块，用于将所述水下观测重力数据向上延拓，得到所述重力灯塔的第一水面观测重力数据；

第二水面观测重力数据计算模块，用于利用反距离加权法对所述第一水面观测重力数据进行插值处理，得到第二水面观测重力数据；

观测轮廓坐标位置矩阵确定模块，用于根据所述第一水面观测重力数据和所述第二水面观测重力数据确定所述重力灯塔的观测轮廓坐标位置矩阵；

位置转换矩阵确定模块，用于根据所述观测轮廓坐标位置矩阵和所述惯性导航系统中的先验轮廓坐标位置矩阵，确定位置转换矩阵；

校正模块，用于根据所述位置转换矩阵校正所述惯性导航系统；

形态参数获取模块，用于获取重力灯塔的形态参数；所述重力灯塔的形态参数包括形态走向角以及重力灯塔外切椭圆的长轴和短轴；所述形态走向角为所述重力灯塔外切椭圆的长轴与正北方向的夹角；

初始稀疏测区建立模块，用于以所述重力灯塔外切椭圆的圆心为中心，建立矩形的初始稀疏测区；所述初始稀疏测区的长为所述形态走向角的余弦与所述重力灯塔外切椭圆的长轴的乘积；所述初始稀疏测区的宽为所述形态走向角的余弦与所述重力灯塔外切椭圆的短轴的乘积；

漂移率和校正时间获取模块，用于获取所述惯性导航系统的漂移率和校正时间；所述校正时间为上一次校正所述惯性导航系统的时间；

位置偏差计算模块，用于根据当前时刻与所述校正时间的时间差，以及所述漂移率计算所述惯性导航系统的位置偏差；

扩展后的稀疏测区确定模块，用于以所述重力灯塔外切椭圆的圆心为中心，以所述位置偏差的2倍为扩展量，对所述初始稀疏测区的长和宽均进行扩展，得到扩展后的稀疏测区；

预设稀疏测线确定模块，用于在所述扩展后的稀疏测区内确定多条预设稀疏测线；

所述第二水面观测重力数据计算模块，具体包括：

虚拟测线插入单元，用于插入多条虚拟测线；

第二水面观测重力数据计算单元，用于根据所述第一水面观测重力数据，利用公式

计算所述重力灯塔的第二水面观测重力数据；所述第二水面观测重力数据为潜器沿所述虚拟测线水平运动时测得的重力灯塔的水面观测重力数据；

其中，

式中，(L_i,B_i)为预设稀疏测线上第i点的惯导指示坐标，L_i为预设稀疏测线上第i点的惯导指示经度，B_i为预设稀疏测线上第i点的惯导指示纬度；(L,B)为虚拟稀疏测线上任一点的惯导指示坐标，L为虚拟测线上任一点的惯导指示经度，B为虚拟测线上任一点的惯导指示纬度；s_i为预设稀疏测线上第i点(L_i,B_i)到虚拟测线上任一点(L,B)的距离；λ_i为反距离加权因子；Δg₀(L_i,B_i)为预设稀疏测线第i点(L_i,B_i)的第一水面观测重力数据；δg(L,B)为虚拟测线上任一点(L,B)的第二水面观测重力数据；n为预设稀疏测线上的测点个数。

Images