CN113340302A - 一种基于惯性导航与重力梯度灯塔的潜器导航方法及系统 - Google Patents
一种基于惯性导航与重力梯度灯塔的潜器导航方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种基于惯性导航与重力梯度灯塔的潜器导航方法及系统。该方法包括：根据惯性导航系统输出结果确定当前时刻水下潜器的初步位置信息；根据初步位置信息和重力灯塔的参数，确定重力梯度背景场的搜索区域；获取搜索区域内每个格网点的重力梯度值信息；获取水下潜器的实测重力梯度值；采用归一化积相关函数计算实测重力梯度值与每个格网点的重力梯度值信息之间的相似度；根据搜索区域内相似度的总体标准差确定相似度阈值；筛选相似度值大于相似度阈值的多个格网点，得到备选格网点集合；将备选格网点集合中与下一时刻水下潜器的位置坐标平面距离最近的格网点的位置确定为当前时刻水下潜器的最终位置。本发明可以提高潜器导航的准确度。
Description
技术领域
本发明涉及水下潜器重力导航领域，特别是涉及一种基于惯性导航与重力梯度灯塔的潜器导航方法及系统。
背景技术
目前关于水下潜器的重力导航包括以下方式：
水下重力梯度匹配辅助导航：通过测高卫星数据获取重力梯度数据从而生成全球海洋重力梯度图，预先装入水下潜器导航终端。通过艇载重力梯度仪实时测量航迹上的对应重力梯度值，根据惯性导航系统提供的位置信息，搜索附近范围内的重力梯度值并与舰载重力梯度仪实时测量值进行匹配，寻找相似度最高的重力梯度值对应坐标点信息，进而更新潜艇自身坐标，用以校正惯导系统。
水下重力灯塔导航方法：从全球海洋重力梯度图中筛选出特征明显的数据，构建重力灯塔数据库。通过艇载重力梯度仪测量结果与重力灯塔进行相关分析，从而获取自身坐标并校正惯导系统。
惯性导航系统：根据加速度计和陀螺仪可以提供平面导航，但是系统误差随时间积累而不断累积，导致导航准确度低。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于惯性导航与重力梯度灯塔的潜器导航方法及系统，以提高水下潜器重力导航的准确度。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于惯性导航与重力梯度灯塔的潜器导航方法，包括：
根据惯性导航系统的输出结果确定当前时刻水下潜器的初步位置信息；
根据所述初步位置信息和所述重力灯塔的参数，确定重力梯度背景场的搜索区域；
获取所述搜索区域内每个格网点的重力梯度值信息；
获取所述水下潜器的实测重力梯度值；
采用归一化积相关函数计算所述实测重力梯度值与每个格网点的重力梯度值信息之间的相似度；
根据所述搜索区域内相似度的总体标准差确定相似度阈值；
筛选相似度值大于所述相似度阈值的多个格网点，得到备选格网点集合；
根据所述惯性导航系统预测下一时刻所述水下潜器的位置坐标；
将所述备选格网点集合中与所述下一时刻所述水下潜器的位置坐标平面距离最近的格网点的位置确定为当前时刻所述水下潜器的最终位置。
可选的，所述根据所述初步位置信息和所述重力灯塔的参数，确定重力梯度背景场的搜索区域，具体包括：
获取所述重力灯塔的形态参数；所述形态参数包括重力灯塔外切椭圆的长轴长度、短轴长度和形态走向角度；
获取所述惯性导航系统中惯导的漂移率；
根据所述惯导的漂移率，利用公式PC＝t×ε计算所述惯导的位置偏差PC；其中，t表示惯导上一次校准后到此刻的航行时间，ε表示惯导的漂移率；
根据所述惯导的位置偏差和所述重力灯塔的形态参数，确定所述重力灯塔上方的搜索范围；所述重力灯塔上方的搜索范围为以所述初步位置信息为中心、宽为bcosα+2PC且高为acosα+2PC的矩形区域；其中，a为重力灯塔外切椭圆的长轴长度，b为短轴长度，α为形态走向角度；
根据所述重力灯塔上方的搜索范围，确定所述重力梯度背景场对应的搜索区域。
可选的，所述采用归一化积相关函数计算所述实测重力梯度值与每个格网点的重力梯度值信息之间的相似度，具体包括：
根据所述实测重力梯度值各个分量的均值和标准差，利用公式
对所述实测重力梯度值的各个分量进行归一化；其中，gi表示实测重力梯度值的第i个分量，i＝1,2,…,N，N表示实测重力梯度值的数据维度，
表示实测重力梯度值的第i个分量的归一化值，μ(g)表示实测重力梯度值所有分量的均值，δ(g)表示实测重力梯度值所有分量的标准差；
根据每个格网点的重力梯度值信息各个分量的均值和标准差，利用公式
对每个格网点的重力梯度值信息的各个分量进行归一化；其中，Gji表示第j个格网点的重力梯度值信息的第i个分量，i＝1,2,…,N，N表示实测重力梯度值的数据维度，
表示第j个格网点的重力梯度值信息的第i个分量的归一化值，μ(Gj)表示第j个格网点的重力梯度值信息所有分量的均值，δ(Gj)表示第j个格网点的重力梯度值信息所有分量的标准差；
采用归一化积相关函数
计算所述实测重力梯度值与每个格网点的重力梯度值信息之间的相似度；其中，NPj为实测重力梯度值g与第j个格网点的重力梯度值信息Gj之间的相似度；Gji为第j个格网点的重力梯度值的第i个分量。
可选的，所述根据所述搜索区域内相似度的总体标准差确定相似度阈值，具体包括：
获取初始阈值；
利用公式
计算搜索区域内相似度的总体标准差σ；其中，n为所述搜索区域内格网点的数量，NPj为实测重力梯度值与第j个格网点的重力梯度值信息之间的相似度，
为实测重力梯度值与所有格网点的重力梯度值信息之间相似度的均值；
利用公式m＝1+［n·e-σ］确定个数阈值m；
将所述实测重力梯度值与每个格网点的重力梯度值信息之间的相似度按照降序排序，得到相似度序列；
比较所述相似度序列中第m个相似度数值与初始阈值的大小；
若所述相似度序列中第m个相似度数值大于初始阈值，则将所述相似度序列中第m个相似度数值确定为相似度阈值；
若所述相似度序列中第m个相似度数值不大于初始阈值，则将
确定为相似度阈值；其中，NPm为相似度序列中第m个相似度数值，μ为初始阈值。
可选的，所述根据所述惯性导航系统预测下一时刻所述水下潜器的位置坐标，具体包括：
根据所述惯性导航系统，获取当前时刻至下一时刻水下潜器的航向和航距；
利用公式
预测下一时刻所述水下潜器的位置坐标；其中，
为当前时刻水下潜器的位置坐标，
为下一时刻水下潜器的位置坐标，S为航距，θ为航向。
本发明还提供一种基于惯性导航与重力梯度灯塔的潜器导航系统，包括：
初步位置信息确定模块，用于根据惯性导航系统的输出结果确定当前时刻水下潜器的初步位置信息；
搜索区域确定模块，用于根据所述初步位置信息和所述重力灯塔的参数，确定重力梯度背景场的搜索区域；
格网点的重力梯度值信息获取模块，用于获取所述搜索区域内每个格网点的重力梯度值信息；
实测重力梯度值获取模块，用于获取所述水下潜器的实测重力梯度值；
相似度计算模块，用于采用归一化积相关函数计算所述实测重力梯度值与每个格网点的重力梯度值信息之间的相似度；
相似度阈值确定模块，用于根据所述搜索区域内相似度的总体标准差确定相似度阈值；
格网点筛选模块，用于筛选相似度值大于所述相似度阈值的多个格网点，得到备选格网点集合；
水下潜器位置预测模块，用于根据所述惯性导航系统预测下一时刻所述水下潜器的位置坐标；
水下潜器最终位置确定模块，用于将所述备选格网点集合中与所述下一时刻所述水下潜器的位置坐标平面距离最近的格网点的位置确定为当前时刻所述水下潜器的最终位置。
可选的，所述搜索区域确定模块，具体包括：
形态参数获取单元，用于获取所述重力灯塔的形态参数；所述形态参数包括重力灯塔外切椭圆的长轴长度、短轴长度和形态走向角度；
惯导漂移率获取单元，用于获取所述惯性导航系统中惯导的漂移率；
惯导位置偏差计算单元，用于根据所述惯导的漂移率，利用公式PC＝t×ε计算所述惯导的位置偏差PC；其中，t表示惯导上一次校准后到此刻的航行时间，ε表示惯导的漂移率；
重力灯塔搜索范围确定单元，用于根据所述惯导的位置偏差和所述重力灯塔的形态参数，确定所述重力灯塔上方的搜索范围；所述重力灯塔上方的搜索范围为以所述初步位置信息为中心、宽为bcosα+2PC且高为acosα+2PC的矩形区域；其中，a为重力灯塔外切椭圆的长轴长度，b为短轴长度，α为形态走向角度；
重力梯度背景场搜索区域确定单元，用于根据所述重力灯塔上方的搜索范围，确定所述重力梯度背景场对应的搜索区域。
可选的，所述相似度计算模块，具体包括：
实测重力梯度值归一化单元，用于根据所述实测重力梯度值各个分量的均值和标准差，利用公式
对所述实测重力梯度值的各个分量进行归一化；其中，gi表示实测重力梯度值的第i个分量，i＝1,2,…,N，N表示实测重力梯度值的数据维度，
表示实测重力梯度值的第i个分量的归一化值，μ(g)表示实测重力梯度值所有分量的均值，δ(g)表示实测重力梯度值所有分量的标准差；
格网点的重力梯度值信息归一化单元，用于根据每个格网点的重力梯度值信息各个分量的均值和标准差，利用公式
对每个格网点的重力梯度值信息的各个分量进行归一化；其中，Gji表示第j个格网点的重力梯度值信息的第i个分量，i＝1,2,…,N，N表示实测重力梯度值的数据维度，
表示第j个格网点的重力梯度值信息的第i个分量的归一化值，μ(Gj)表示第j个格网点的重力梯度值信息所有分量的均值，δ(Gj)表示第j个格网点的重力梯度值信息所有分量的标准差；
相似度计算单元，用于采用归一化积相关函数
计算所述实测重力梯度值与每个格网点的重力梯度值信息之间的相似度；其中，NPj为实测重力梯度值g与第j个格网点的重力梯度值信息Gj之间的相似度；Gji为第j个格网点的重力梯度值的第i个分量。
可选的，所述相似度阈值确定模块，具体包括：
初始阈值获取单元，用于获取初始阈值；
相似度总体标准差计算单元，用于利用公式
计算搜索区域内相似度的总体标准差σ；其中，n为所述搜索区域内格网点的数量，NPj为实测重力梯度值与第j个格网点的重力梯度值信息之间的相似度，
为实测重力梯度值与所有格网点的重力梯度值信息之间相似度的均值；
个数阈值确定单元，用于利用公式m＝1+［n·e-σ］确定个数阈值m；
相似度排序单元，用于将所述实测重力梯度值与每个格网点的重力梯度值信息之间的相似度按照降序排序，得到相似度序列；
比较单元，用于比较所述相似度序列中第m个相似度数值与初始阈值的大小；
相似度阈值确定单元，用于当所述相似度序列中第m个相似度数值大于初始阈值时，将所述相似度序列中第m个相似度数值确定为相似度阈值；当若所述相似度序列中第m个相似度数值不大于初始阈值时，将
确定为相似度阈值；其中，NPm为相似度序列中第m个相似度数值，μ为初始阈值。
可选的，所述水下潜器位置预测模块，具体包括：
航向和航距获取单元，用于根据所述惯性导航系统，获取当前时刻至下一时刻水下潜器的航向和航距；
位置预测单元，用于利用公式
预测下一时刻所述水下潜器的位置坐标；其中，
为当前时刻水下潜器的位置坐标，
为下一时刻水下潜器的位置坐标，S为航距，θ为航向。
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：
本发明通过惯导输出坐标点进行粗搜索，再通过修正推算出的坐标进行精搜索，可增加惯导短时间内高精度特点对重力梯度辅助惯导匹配的约束，既实现了重力梯度值的高相似度，也避免了一味追求梯度相似度而导致的定位轨迹与实际航迹明显不一致的情况出现，进而提高潜器导航的准确度。而且本发明的相似度阈值选择方式，可有效避免出现在固定阈值情况下出现无匹配点的情况。
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为本发明基于惯性导航与重力梯度灯塔的潜器导航方法的流程示意图；
图2为重力灯塔的形态示意图；
图3为重力灯塔上方的搜索范围示意图；
图4为本发明基于惯性导航与重力梯度灯塔的潜器导航系统的结构示意图。
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。
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。
本发明利用惯导系统的短时高精度特点，首先根据惯导输出结果确定潜器大致位置范围，并搜索重力梯度背景图对应范围内的梯度信息，设置阈值选择与舰载实时重力梯度仪数据相似的对应点，进而获得对应点的坐标信息，根据上一时刻修正后的位置坐标以及惯导提供的下一时刻航向，航距信息从而推算潜器坐标点位，最后计算相似度阈值范围内所有对应点与推算点的距离，选择距离最近点作为重力梯度辅助惯性导航输出结果，即潜器的最终位置。
本发明对潜器进行导航时，水下潜器位于重力灯塔范围背景下，减少误匹配情况的出现。图1为本发明基于惯性导航与重力梯度灯塔的潜器导航方法的流程示意图。如图1所示，本发明基于惯性导航与重力梯度灯塔的潜器导航方法包括以下步骤：
步骤100：根据惯性导航系统的输出结果确定当前时刻水下潜器的初步位置信息。利用惯性导航系统短时高精度的特点，初步确定水下潜器大致位置信息。
步骤200：根据初步位置信息和重力灯塔的参数，确定重力梯度背景场的搜索区域。本发明搜索背景场为重力灯塔区域范围内，搜索范围的大小可根据所处灯塔区的形态判定搜索范围，具体搜索范围步骤如下：
①获取先验重力灯塔形态参数：量取先验重力灯塔外切椭圆长轴长度a，短轴长度b，形态走向角度α，具体如图2所示。
②确定所述重力灯塔上方的搜索范围：
1)查看惯导漂移率(来自于惯导铭牌)：εnmi/h(惯导每小时累积的位置定位偏差)。
2)计算惯导此刻的位置偏差PC：PC＝t×ε(t：惯导上一次校准后到此刻的航行时间)。
3)重力灯塔上方的搜索范围以初步位置信息为中心，宽为bcosα+2PC，高为acosα+2PC的矩形区域，如图3所示。
③按照重力灯塔上方的搜索范围，可以确定重力梯度背景场对应的搜索区域。
步骤300：获取搜索区域内每个格网点的重力梯度值信息。按照搜索范围对重力梯度背景场对应区域进行遍历搜索，获取各对应格网点的重力梯度值信息。格网点的重力梯度值包括多个分量，以向量形式保存。
步骤400：获取水下潜器的实测重力梯度值。本发明通过重力梯度仪得到水下潜器的实测重力梯度值，实测重力梯度值也包括多个分量，以向量形式保存。
步骤500：采用归一化积相关函数计算实测重力梯度值与每个格网点的重力梯度值信息之间的相似度。具体过程如下：
(1)本发明采用特征归一化参量，设实测重力梯度值g＝{g1,g2,...gN}，gi表示实测重力梯度值的第i个分量，则计算实测重力梯度值所有分量的均值μ(g)和标准差δ(g)。
然后利用公式
对实测重力梯度值的各个分量进行归一化，得到实测重力梯度值的归一化值
其中，
表示实测重力梯度值的第i个分量的归一化值；
同理，利用公式
对每个格网点的重力梯度值信息的各个分量进行归一化，得到格网点的重力梯度值信息归一化值，第j个格网点的重力梯度值信息归一化值为
表示第j个格网点的重力梯度值信息的第i个分量的归一化值。
(2)计算相似度。因为实测重力梯度值与真实重力梯度值以及重力梯度基准背景图均存在误差，所以比较两条轨迹的相似程度通常采用相关度量。本发明的适应度函数选择归一化积相关函数，公式如下：
其中，NPj为实测重力梯度值g与第j个格网点的重力梯度值信息Gj之间的相似度；NPROD(X,G')是由最大度量值给出最佳匹配，NPROD算法实际上是按矢量g和Gj的夹角的余弦定义的，通过计算两点之间的相关函数可以得到两点相似度。
步骤600：根据搜索区域内相似度的总体标准差确定相似度阈值。鉴于背景图环境复杂程度不一以及格网分辨率大小易对相似度计算产生较大影响等，本发明以相似度值的大小确定相似度阈值，具体过程如下：
(1)设定初始阈值μ；
(2)计算搜索范围内相似度值的总体标准差σ，公式如下：
式中，n为所述搜索区域内格网点的数量，NPj为实测重力梯度值与第j个格网点的重力梯度值信息之间的相似度，
为实测重力梯度值与所有格网点的重力梯度值信息之间相似度的均值。
(3)根据相似度值大小分散情况，利用下式求出从大到小排序后的个数阈值m：
m＝1+［n·e-σ］
(4)将实测重力梯度值与每个格网点的重力梯度值信息之间的相似度按照降序排序，得到相似度序列，将前m个视为符合条件的重力梯度特征相似点。
(5)比较所述相似度序列中第m个相似度数值NPm与初始阈值的大小。若所述相似度序列中第m个相似度数值大于初始阈值，则将所述相似度序列中第m个相似度数值确定为相似度阈值；若所述相似度序列中第m个相似度数值不大于初始阈值，则将
确定为相似度阈值。
步骤700：筛选相似度值大于相似度阈值的多个格网点，得到备选格网点集合。
步骤800：根据惯性导航系统预测下一时刻水下潜器的位置坐标。根据惯导设备提供的信息，可获得当前时刻t1至下一时刻t2潜器的航向θ以及航距S。同时，t1时刻潜器位置信息经重力梯度辅助惯导匹配进行位置修正，已拥有较高的位置精度，因此，借助惯导在短时间内可提供高精度航距S和航向θ特点，可推算出潜器运动至t2时刻的位置坐标：
式中，
为当前时刻水下潜器的位置坐标，
为下一时刻水下潜器的位置坐标。
步骤900：将备选格网点集合中与下一时刻水下潜器的位置坐标平面距离最近的格网点的位置确定为当前时刻水下潜器的最终位置。
通过步骤700可筛选出搜索范围内符合阈值条件的重力梯度点，即备选格网点集合，并借助重力梯度图获取各点的坐标信息。通过计算备选格网点集合中各点与步骤800预测的下一时刻潜器位置之间距离，选择距离最短的格网点作为最终匹配结果点。鉴于惯性导航系统在Z轴方向所提供的信息存在较大误差，因此计算距离时仅考虑平面距离，即X,Y坐标。距离计算公式为：
式中，(Xi,Yi)为备选格网点集合中第i个点的坐标，i取值范围1～m。
本发明利用归一化积相关函数作为计算梯度相似度的标准，该方法从向量余弦的角度进行分析，可提高相似度判断的准确性；通过惯导输出坐标点进行粗搜索，再通过修正推算出的坐标进行精搜索，可增加惯导短时间内高精度特点对重力梯度辅助惯导匹配的约束，既实现了重力梯度值的高相似度，也避免了一味追求梯度相似度而导致的定位轨迹与实际航迹明显不一致的情况出现。而且本发明提出一种新的阈值选择方式，可有效避免出现在固定阈值情况下出现无匹配点的情况。
基于上述方案，本发明还提供一种基于惯性导航与重力梯度灯塔的潜器导航系统，图4为本发明基于惯性导航与重力梯度灯塔的潜器导航系统的结构示意图。如图4所示，本发明基于惯性导航与重力梯度灯塔的潜器导航系统包括：
初步位置信息确定模块401，用于根据惯性导航系统的输出结果确定当前时刻水下潜器的初步位置信息。
搜索区域确定模块402，用于根据所述初步位置信息和所述重力灯塔的参数，确定重力梯度背景场的搜索区域。
格网点的重力梯度值信息获取模块403，用于获取所述搜索区域内每个格网点的重力梯度值信息。
实测重力梯度值获取模块404，用于获取所述水下潜器的实测重力梯度值。
相似度计算模块405，用于采用归一化积相关函数计算所述实测重力梯度值与每个格网点的重力梯度值信息之间的相似度。
相似度阈值确定模块406，用于根据所述搜索区域内相似度的总体标准差确定相似度阈值。
格网点筛选模块407，用于筛选相似度值大于所述相似度阈值的多个格网点，得到备选格网点集合。
水下潜器位置预测模块408，用于根据所述惯性导航系统预测下一时刻所述水下潜器的位置坐标。
水下潜器最终位置确定模块409，用于将所述备选格网点集合中与所述下一时刻所述水下潜器的位置坐标平面距离最近的格网点的位置确定为当前时刻所述水下潜器的最终位置。
作为具体实施例，本发明基于惯性导航与重力梯度灯塔的潜器导航系统中，所述搜索区域确定模块402，具体包括：
形态参数获取单元，用于获取所述重力灯塔的形态参数；所述形态参数包括重力灯塔外切椭圆的长轴长度、短轴长度和形态走向角度。
惯导漂移率获取单元，用于获取所述惯性导航系统中惯导的漂移率。
惯导位置偏差计算单元，用于根据所述惯导的漂移率，利用公式PC＝t×ε计算所述惯导的位置偏差PC；其中，t表示惯导上一次校准后到此刻的航行时间，ε表示惯导的漂移率。
重力灯塔搜索范围确定单元，用于根据所述惯导的位置偏差和所述重力灯塔的形态参数，确定所述重力灯塔上方的搜索范围；所述重力灯塔上方的搜索范围为以所述初步位置信息为中心、宽为bcosα+2PC且高为acosα+2PC的矩形区域；其中，a为重力灯塔外切椭圆的长轴长度，b为短轴长度，α为形态走向角度。
重力梯度背景场搜索区域确定单元，用于根据所述重力灯塔上方的搜索范围，确定所述重力梯度背景场对应的搜索区域。
作为具体实施例，本发明基于惯性导航与重力梯度灯塔的潜器导航系统中，所述相似度计算模块405，具体包括：
实测重力梯度值归一化单元，用于根据所述实测重力梯度值各个分量的均值和标准差，利用公式
对所述实测重力梯度值的各个分量进行归一化；其中，gi表示实测重力梯度值的第i个分量，i＝1,2,…,N，N表示实测重力梯度值的数据维度，
表示实测重力梯度值的第i个分量的归一化值，μ(g)表示实测重力梯度值所有分量的均值，δ(g)表示实测重力梯度值所有分量的标准差。
格网点的重力梯度值信息归一化单元，用于根据每个格网点的重力梯度值信息各个分量的均值和标准差，利用公式
对每个格网点的重力梯度值信息的各个分量进行归一化；其中，Gji表示第j个格网点的重力梯度值信息的第i个分量，i＝1,2,…,N，N表示实测重力梯度值的数据维度，
表示第j个格网点的重力梯度值信息的第i个分量的归一化值，μ(Gj)表示第j个格网点的重力梯度值信息所有分量的均值，δ(Gj)表示第j个格网点的重力梯度值信息所有分量的标准差；
相似度计算单元，用于采用归一化积相关函数
计算所述实测重力梯度值与每个格网点的重力梯度值信息之间的相似度；其中，NPj为实测重力梯度值g与第j个格网点的重力梯度值信息Gj之间的相似度；Gji为第j个格网点的重力梯度值的第i个分量。
作为具体实施例，本发明基于惯性导航与重力梯度灯塔的潜器导航系统中，所述相似度阈值确定模块406，具体包括：
初始阈值获取单元，用于获取初始阈值。
相似度总体标准差计算单元，用于利用公式
计算搜索区域内相似度的总体标准差σ；其中，n为所述搜索区域内格网点的数量，NPj为实测重力梯度值与第j个格网点的重力梯度值信息之间的相似度，
为实测重力梯度值与所有格网点的重力梯度值信息之间相似度的均值。
个数阈值确定单元，用于利用公式m＝1+［n·e-σ］确定个数阈值m。
相似度排序单元，用于将所述实测重力梯度值与每个格网点的重力梯度值信息之间的相似度按照降序排序，得到相似度序列。
比较单元，用于比较所述相似度序列中第m个相似度数值与初始阈值的大小。
相似度阈值确定单元，用于当所述相似度序列中第m个相似度数值大于初始阈值时，将所述相似度序列中第m个相似度数值确定为相似度阈值；当若所述相似度序列中第m个相似度数值不大于初始阈值时，将
确定为相似度阈值；其中，NPm为相似度序列中第m个相似度数值，μ为初始阈值。
作为具体实施例，本发明基于惯性导航与重力梯度灯塔的潜器导航系统中，所述水下潜器位置预测模块408，具体包括：
航向和航距获取单元，用于根据所述惯性导航系统，获取当前时刻至下一时刻水下潜器的航向和航距。
位置预测单元，用于利用公式
预测下一时刻所述水下潜器的位置坐标；其中，
为当前时刻水下潜器的位置坐标，
为下一时刻水下潜器的位置坐标，S为航距，θ为航向。
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 (10)
1.一种基于惯性导航与重力梯度灯塔的潜器导航方法，其特征在于，包括：
根据惯性导航系统的输出结果确定当前时刻水下潜器的初步位置信息；
根据所述初步位置信息和所述重力灯塔的参数，确定重力梯度背景场的搜索区域；
获取所述搜索区域内每个格网点的重力梯度值信息；
获取所述水下潜器的实测重力梯度值；
采用归一化积相关函数计算所述实测重力梯度值与每个格网点的重力梯度值信息之间的相似度；
根据所述搜索区域内相似度的总体标准差确定相似度阈值；
筛选相似度值大于所述相似度阈值的多个格网点，得到备选格网点集合；
根据所述惯性导航系统预测下一时刻所述水下潜器的位置坐标；
将所述备选格网点集合中与所述下一时刻所述水下潜器的位置坐标平面距离最近的格网点的位置确定为当前时刻所述水下潜器的最终位置。
2.根据权利要求1所述的基于惯性导航与重力梯度灯塔的潜器导航方法，其特征在于，所述根据所述初步位置信息和所述重力灯塔的参数，确定重力梯度背景场的搜索区域，具体包括：
获取所述重力灯塔的形态参数；所述形态参数包括重力灯塔外切椭圆的长轴长度、短轴长度和形态走向角度；
获取所述惯性导航系统中惯导的漂移率；
根据所述惯导的漂移率，利用公式PC＝t×ε计算所述惯导的位置偏差PC；其中，t表示惯导上一次校准后到此刻的航行时间，ε表示惯导的漂移率；
根据所述惯导的位置偏差和所述重力灯塔的形态参数，确定所述重力灯塔上方的搜索范围；所述重力灯塔上方的搜索范围为以所述初步位置信息为中心、宽为bcosα+2PC且高为acosα+2PC的矩形区域；其中，a为重力灯塔外切椭圆的长轴长度，b为短轴长度，α为形态走向角度；
根据所述重力灯塔上方的搜索范围，确定所述重力梯度背景场对应的搜索区域。
3.根据权利要求1所述的基于惯性导航与重力梯度灯塔的潜器导航方法，其特征在于，所述采用归一化积相关函数计算所述实测重力梯度值与每个格网点的重力梯度值信息之间的相似度，具体包括：
根据所述实测重力梯度值各个分量的均值和标准差，利用公式
对所述实测重力梯度值的各个分量进行归一化；其中，gi表示实测重力梯度值的第i个分量，i＝1,2,…,N，N表示实测重力梯度值的数据维度，
表示实测重力梯度值的第i个分量的归一化值，μ(g)表示实测重力梯度值所有分量的均值，δ(g)表示实测重力梯度值所有分量的标准差；
根据每个格网点的重力梯度值信息各个分量的均值和标准差，利用公式
对每个格网点的重力梯度值信息的各个分量进行归一化；其中，Gji表示第j个格网点的重力梯度值信息的第i个分量，i＝1,2,…,N，N表示实测重力梯度值的数据维度，
表示第j个格网点的重力梯度值信息的第i个分量的归一化值，μ(Gj)表示第j个格网点的重力梯度值信息所有分量的均值，δ(Gj)表示第j个格网点的重力梯度值信息所有分量的标准差；
采用归一化积相关函数
计算所述实测重力梯度值与每个格网点的重力梯度值信息之间的相似度；其中，NPj为实测重力梯度值g与第j个格网点的重力梯度值信息Gj之间的相似度；Gji为第j个格网点的重力梯度值的第i个分量。
4.根据权利要求1所述的基于惯性导航与重力梯度灯塔的潜器导航方法，其特征在于，所述根据所述搜索区域内相似度的总体标准差确定相似度阈值，具体包括：
获取初始阈值；
利用公式
计算搜索区域内相似度的总体标准差σ；其中，n为所述搜索区域内格网点的数量，NPj为实测重力梯度值与第j个格网点的重力梯度值信息之间的相似度，
为实测重力梯度值与所有格网点的重力梯度值信息之间相似度的均值；
利用公式m＝1+[n·e-σ]确定个数阈值m；
将所述实测重力梯度值与每个格网点的重力梯度值信息之间的相似度按照降序排序，得到相似度序列；
比较所述相似度序列中第m个相似度数值与初始阈值的大小；
若所述相似度序列中第m个相似度数值大于初始阈值，则将所述相似度序列中第m个相似度数值确定为相似度阈值；
若所述相似度序列中第m个相似度数值不大于初始阈值，则将
确定为相似度阈值；其中，NPm为相似度序列中第m个相似度数值，μ为初始阈值。
5.根据权利要求1所述的基于惯性导航与重力梯度灯塔的潜器导航方法，其特征在于，所述根据所述惯性导航系统预测下一时刻所述水下潜器的位置坐标，具体包括：
根据所述惯性导航系统，获取当前时刻至下一时刻水下潜器的航向和航距；
利用公式
预测下一时刻所述水下潜器的位置坐标；其中，
为当前时刻水下潜器的位置坐标，
为下一时刻水下潜器的位置坐标，S为航距，θ为航向。
6.一种基于惯性导航与重力梯度灯塔的潜器导航系统，其特征在于，包括：
初步位置信息确定模块，用于根据惯性导航系统的输出结果确定当前时刻水下潜器的初步位置信息；
搜索区域确定模块，用于根据所述初步位置信息和所述重力灯塔的参数，确定重力梯度背景场的搜索区域；
格网点的重力梯度值信息获取模块，用于获取所述搜索区域内每个格网点的重力梯度值信息；
实测重力梯度值获取模块，用于获取所述水下潜器的实测重力梯度值；
相似度计算模块，用于采用归一化积相关函数计算所述实测重力梯度值与每个格网点的重力梯度值信息之间的相似度；
相似度阈值确定模块，用于根据所述搜索区域内相似度的总体标准差确定相似度阈值；
格网点筛选模块，用于筛选相似度值大于所述相似度阈值的多个格网点，得到备选格网点集合；
水下潜器位置预测模块，用于根据所述惯性导航系统预测下一时刻所述水下潜器的位置坐标；
水下潜器最终位置确定模块，用于将所述备选格网点集合中与所述下一时刻所述水下潜器的位置坐标平面距离最近的格网点的位置确定为当前时刻所述水下潜器的最终位置。
7.根据权利要求6所述的基于惯性导航与重力梯度灯塔的潜器导航系统，其特征在于，所述搜索区域确定模块，具体包括：
形态参数获取单元，用于获取所述重力灯塔的形态参数；所述形态参数包括重力灯塔外切椭圆的长轴长度、短轴长度和形态走向角度；
惯导漂移率获取单元，用于获取所述惯性导航系统中惯导的漂移率；
惯导位置偏差计算单元，用于根据所述惯导的漂移率，利用公式PC＝t×ε计算所述惯导的位置偏差PC；其中，t表示惯导上一次校准后到此刻的航行时间，ε表示惯导的漂移率；
重力灯塔搜索范围确定单元，用于根据所述惯导的位置偏差和所述重力灯塔的形态参数，确定所述重力灯塔上方的搜索范围；所述重力灯塔上方的搜索范围为以所述初步位置信息为中心、宽为bcosα+2PC且高为acosα+2PC的矩形区域；其中，a为重力灯塔外切椭圆的长轴长度，b为短轴长度，α为形态走向角度；
重力梯度背景场搜索区域确定单元，用于根据所述重力灯塔上方的搜索范围，确定所述重力梯度背景场对应的搜索区域。
8.根据权利要求6所述的基于惯性导航与重力梯度灯塔的潜器导航系统，其特征在于，所述相似度计算模块，具体包括：
实测重力梯度值归一化单元，用于根据所述实测重力梯度值各个分量的均值和标准差，利用公式
对所述实测重力梯度值的各个分量进行归一化；其中，gi表示实测重力梯度值的第i个分量，i＝1,2,…,N，N表示实测重力梯度值的数据维度，
表示实测重力梯度值的第i个分量的归一化值，μ(g)表示实测重力梯度值所有分量的均值，δ(g)表示实测重力梯度值所有分量的标准差；
格网点的重力梯度值信息归一化单元，用于根据每个格网点的重力梯度值信息各个分量的均值和标准差，利用公式
对每个格网点的重力梯度值信息的各个分量进行归一化；其中，Gji表示第j个格网点的重力梯度值信息的第i个分量，i＝1,2,…,N，N表示实测重力梯度值的数据维度，
表示第j个格网点的重力梯度值信息的第i个分量的归一化值，μ(Gj)表示第j个格网点的重力梯度值信息所有分量的均值，δ(Gj)表示第j个格网点的重力梯度值信息所有分量的标准差；
相似度计算单元，用于采用归一化积相关函数
计算所述实测重力梯度值与每个格网点的重力梯度值信息之间的相似度；其中，NPj为实测重力梯度值g与第j个格网点的重力梯度值信息Gj之间的相似度；Gji为第j个格网点的重力梯度值的第i个分量。
9.根据权利要求6所述的基于惯性导航与重力梯度灯塔的潜器导航系统，其特征在于，所述相似度阈值确定模块，具体包括：
初始阈值获取单元，用于获取初始阈值；
相似度总体标准差计算单元，用于利用公式
计算搜索区域内相似度的总体标准差σ；其中，n为所述搜索区域内格网点的数量，NPj为实测重力梯度值与第j个格网点的重力梯度值信息之间的相似度，
为实测重力梯度值与所有格网点的重力梯度值信息之间相似度的均值；
个数阈值确定单元，用于利用公式
确定个数阈值m；
相似度排序单元，用于将所述实测重力梯度值与每个格网点的重力梯度值信息之间的相似度按照降序排序，得到相似度序列；
比较单元，用于比较所述相似度序列中第m个相似度数值与初始阈值的大小；
相似度阈值确定单元，用于当所述相似度序列中第m个相似度数值大于初始阈值时，将所述相似度序列中第m个相似度数值确定为相似度阈值；当若所述相似度序列中第m个相似度数值不大于初始阈值时，将
确定为相似度阈值；其中，NPm为相似度序列中第m个相似度数值，μ为初始阈值。
10.根据权利要求6所述的基于惯性导航与重力梯度灯塔的潜器导航系统，其特征在于，所述水下潜器位置预测模块，具体包括：
航向和航距获取单元，用于根据所述惯性导航系统，获取当前时刻至下一时刻水下潜器的航向和航距；
位置预测单元，用于利用公式
预测下一时刻所述水下潜器的位置坐标；其中，
为当前时刻水下潜器的位置坐标，
为下一时刻水下潜器的位置坐标，S为航距，θ为航向。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110604525.6A CN113340302B (zh) | 2021-05-31 | 2021-05-31 | 一种基于惯性导航与重力梯度灯塔的潜器导航方法及系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110604525.6A CN113340302B (zh) | 2021-05-31 | 2021-05-31 | 一种基于惯性导航与重力梯度灯塔的潜器导航方法及系统 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113340302A true CN113340302A (zh) | 2021-09-03 |
| CN113340302B CN113340302B (zh) | 2022-08-02 |
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ID=77473539
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110604525.6A Active CN113340302B (zh) | 2021-05-31 | 2021-05-31 | 一种基于惯性导航与重力梯度灯塔的潜器导航方法及系统 |
Country Status (1)
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|---|---|
| CN (1) | CN113340302B (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116182854A (zh) * | 2023-04-28 | 2023-05-30 | 中国人民解放军海军工程大学 | 自适应鲁棒惯性/重力匹配组合导航方法、系统及终端 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20160363460A1 (en) * | 2015-06-12 | 2016-12-15 | 7725965 Canada Inc. | Orientation model for inertial devices |
| CN111595345A (zh) * | 2020-06-02 | 2020-08-28 | 中国人民解放军61540部队 | 一种基于多维重力梯度灯塔的潜艇导航方法及系统 |
| CN112432642A (zh) * | 2020-11-06 | 2021-03-02 | 中国人民解放军61540部队 | 一种重力灯塔与惯性导航融合定位方法及系统 |
| CN112729288A (zh) * | 2020-12-23 | 2021-04-30 | 北京机电工程研究所 | 一种重力梯度-地形异源数据匹配的导航定位系统 |
-
2021
- 2021-05-31 CN CN202110604525.6A patent/CN113340302B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US20160363460A1 (en) * | 2015-06-12 | 2016-12-15 | 7725965 Canada Inc. | Orientation model for inertial devices |
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| CN112432642A (zh) * | 2020-11-06 | 2021-03-02 | 中国人民解放军61540部队 | 一种重力灯塔与惯性导航融合定位方法及系统 |
| CN112729288A (zh) * | 2020-12-23 | 2021-04-30 | 北京机电工程研究所 | 一种重力梯度-地形异源数据匹配的导航定位系统 |
Cited By (2)
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| CN116182854A (zh) * | 2023-04-28 | 2023-05-30 | 中国人民解放军海军工程大学 | 自适应鲁棒惯性/重力匹配组合导航方法、系统及终端 |
| CN116182854B (zh) * | 2023-04-28 | 2023-09-05 | 中国人民解放军海军工程大学 | 自适应鲁棒惯性/重力匹配组合导航方法、系统及终端 |
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| CN113340302B (zh) | 2022-08-02 |
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