CN113514059B - 一种重力辅助惯性导航系统仿真平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种重力辅助惯性导航系统仿真平台。本发明仿真平台包括重力场背景图模块、适配区选取模块、航迹规划模块、惯性导航模块、重力匹配模块、修正模块、界面显示模块和接口定义文档；本发明定义各程序之间接口，只要将数据调整成接口格式，即可使用整个平台进行仿真或半实物仿真，保证仿真数据、实际测试数据的有效衔接。仿真平台各个模块可以串联顺序使用，也可以单独使用，根据输入输出及接口格式编写所需测试的新算法，加入相应模块中进行测试，方便各部分进行理论和方法的验证，减少了实际试验的时间和成本。此外，本发明能够仿真多种误差因素，使仿真评估结果更逼近真实结果，提高了重力辅助惯性导航系统研究的有效性。
Description
技术领域
本发明涉及导航、制导与控制技术领域，具体涉及一种重力辅助惯性导航系统仿真平台。
背景技术
惯性导航系统由于能够实时地为载体提供位置、速度、姿态等导航定位信息，在陆、海、空、天各类载体中广泛应用。对于水下航行器等长航时载体，惯性导航系统的误差随时间发散，不能满足导航需求。而海洋重力测量具有无源性且重力信息稳定，重力辅助惯性导航成为水下自主导航的研究热点。随着对重力辅助惯性导航系统研究的深入，需要进行大量的研究测试工作。实际测试存在周期长、成本高、不能分离各类误差源进行单项测试等问题。为了解决这一问题，设计基于重力辅助的仿真平台是一种有效途径。现有对重力辅助惯性导航的研究是分别对惯性导航系统与重力辅助系统两部分进行研究，然而重力辅助系统的主要目的是修正惯性导航误差，目前两者没有有效结合在一起。并且，各程序模块间接口无法匹配，缺乏系统性，仿真条件过于理想，也无统一评价标准，导致效率低下。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种重力辅助惯性导航系统仿真平台，能够将惯性导航系统与重力辅助系统有效结合，并克服了现有技术各程序模块间接口无法匹配，系统性差的问题，减少研究测试中所耗费的时间和成本，提高重力辅助惯性导航系统的研究效率。
本发明的重力辅助惯性导航系统仿真平台，包括：重力场背景图模块、适配区选取模块、航迹规划模块、惯性导航模块、重力匹配模块、修正模块、界面显示模块和接口定义文档；
其中，重力场背景图模块根据重力异常测量值对当前区域的重力场背景图进行插值重构；
适配区选取模块根据重力场背景图中重力异常值的变化程度，对重力场背景图进行区域划分，选取出适合水下载体航行的适配区；
航迹规划模块对水下载体的航迹进行规划，使水下载体的航迹经过所有适配区；同时，在各适配区内，航迹经过适配区内重力异常值变化剧烈的点；
惯性导航模块根据规划的轨迹，生成水下载体的惯性导航系统数据，并进行定位解算；
重力匹配模块对惯性导航模块输出的定位结果与重力场背景图模块输出的重力场背景图进行匹配，确定重力匹配点；
修正模块根据重力匹配点对惯性导航系统的定位结果进行修正，输出修正后的位置；
界面显示模块用于显示各模块的输出结果；
接口定义文档用于定义并统一各模块的输入、输出的格式。
较优的，重力匹配模块包括匹配范围子模块和相关计算子模块；
其中，匹配范围子模块根据重力测量数据绘制等值线带范围，根据惯性导航模块的定位位置绘制圆概率半径范围，等值线带范围与圆概率半径范围的交集即为匹配范围；匹配范围内的重力背景图中的网格交点即为候选匹配点；
相关计算子模块一方面对候选匹配点的重力值进行相关计算，另一方面利用惯性导航系统定位结果的轨迹对候选匹配点进行轨迹形状相关计算；根据重力值相关计算结果和轨迹形状相关计算结果确定最终的重力值匹配点。
较优的，轨迹形状相关计算时，以惯性导航系统定位结果的轨迹的斜率作为轨迹形状模板进行轨迹形状相关计算。
较优的，在进行相关计算时，对相关计算进行快速傅里叶变换。
较优的，重力匹配模块还包括误匹配检测子模块，误匹配检测子模块对惯性导航系统3个连续定位结果组成的三角形和对应的3个连续的重力值匹配点位置组成的三角形进行三角形相似性判断；若判断两个三角形相似，则认为当前重力值匹配点可行；否则，认为当前重力值匹配点为误匹配点，剔除该误匹配点，由三角形相似性构建出一个虚拟的匹配点进行下一次误匹配检测。
有益效果：
(1)本发明将惯性导航系统与重力辅助系统进行有效结合，并克服了现有技术各程序模块间接口无法匹配，系统性差的问题；本发明定义各程序之间接口，只要将数据调整成接口格式，即可使用整个平台进行仿真或半实物仿真，保证仿真数据、实际测试数据的有效衔接。仿真平台各个模块可以串联顺序使用，也可以单独使用，根据输入输出及接口格式编写所需测试的新算法，加入相应模块中进行测试，方便各部分进行理论和方法的验证，减少了实际试验的时间和成本。此外，本发明能够仿真多种误差因素，使仿真评估结果更逼近真实结果，提高了重力辅助惯性导航系统研究的有效性。
(2)重力辅助匹配模块首先综合考虑重力误差与惯导误差特点，通过两者进行匹配范围的确定，使搜索范围更精确；其次，重力匹配时，在利用重力值相关滤波的同时，将惯导解算轨迹与候选匹配点位置组成的轨迹的相关性也作为评价准则之一进行匹配，提高匹配准确度。
(3)本发明在重力值相关计算以及轨迹形状相关计算的过程使用快速傅里叶变换，加快运算速度，减少匹配算法耗时。
(4)通过误匹配子模块，不仅可以检测出异常匹配点，还可根据几何关系对异常匹配点进行估计，减小误匹配点的影响。
附图说明
图1为本发明一种重力辅助惯性导航系统仿真平台的结构图。
图2为本发明仿真平台仿真流程图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种重力辅助惯性导航系统仿真平台，用于测试重力辅助惯性导航系统；所述仿真平台结构示意如图1所示，包括：重力场背景图模块、适配区选取模块、航迹规划模块、惯性导航模块、重力匹配模块、修正模块、界面显示模块和接口定义文档；
其中，(1)重力场背景图模块
重力传感器所采集的点不连续，分辨率较低。重力场背景图模块根据重力异常观测量对重力场背景图进行插值重构。插值的作用是构建高分辨率重力场背景图，提高精度，为重力辅助惯性导航系统高精度定位建立基础。精确的重力场背景图能消除部分重力扰动误差。重力场背景图模块的输入为所需区域的经纬度范围、分辨率和采用的插值方法，输出为重力场背景图。
(2)适配区选取模块
重力场背景图构建完成后，需要对重力场背景图进行分析，划分出适配区。适配区指的是适合水下载体航行的区域，该区域的重力异常值变化程度剧烈，在适配区内进行匹配，精度明显高于其他区域。通过对重力场背景图不同角度的分析能划分出不同的适配区。此模块输入为重力场背景图，通过适配区选取方法，输出为重力场背景图对应的适配值文件，通过阈值设定即可得到适配区。
(3)航迹规划模块
航迹规划分为2个方面：适配区间和适配区内。适配区间的航迹规划计算从起点到终点需要经过的所有适配区。在每个适配区内，需要根据重力异常值的变化程度进行航迹规划，使规划出的航迹经过适配区内重力异常值变化剧烈的点。通过航迹规划算法能够引导水下载体经过适配区，从而提高匹配定位精度。此模块输入为重力场背景图及所对应的适配值文件，载体的起点与终点，通过航迹规划算法，输出为航迹规划后的轨迹。
(4)惯性导航模块
惯性导航包括惯性数据生成及惯导解算两部分。数据生成部分可设置惯性器件、DVL等传感器误差，根据人工设计轨迹或者航迹规划轨迹，可生成捷联惯性导航系统数据或双轴旋转调制惯性导航系统陀螺仪加速度计等数据。惯导解算部分输入为惯性数据生成部分数据，输出为惯导解算结果。
(5)重力匹配模块
重力匹配算法是重力辅助惯性导航的核心技术。匹配算法通过综合分析惯导信息、重力实时测量信息和重力场背景图提供的信息，确定最佳匹配序列或匹配点，从而得到对载体位置信息的估计。此模块输入为重力场背景图，惯导解算结果，输出为通过匹配算法估计的匹配结果。
具体的，本实施例中，重力匹配模块包括匹配范围子模块和相关计算子模块；
其中，匹配范围子模块根据重力测量数据绘制等值线带范围，根据惯性导航模块的定位位置绘制圆概率半径范围，等值线带范围与圆概率半径范围的交集即为匹配范围；匹配范围内的重力背景图中的网格交点即为候选匹配点；
相关计算时，若直接使用候选匹配点位置重力值与重力值相关计算模板进行匹配得到的相关值作为判断准则，容易出现重力值相同但位置错误的现象，这是因为重力值相关计算模板只有重力值的原因，并未考虑各点之间位置的相对关系。因此，本实施例还将惯导系统解算轨迹与候选匹配点位置组成的轨迹的相关性也作为评价准则之一进行匹配。这里考虑惯导轨迹时只需考虑形状是否相似即可，因此可将惯导轨迹各个点之间的斜率作为一个序列，称其为轨迹形状模板。候选匹配点位置与轨迹形状模板进行匹配，得到轨迹形状相关性。
因此，相关计算子模块一方面对候选匹配点的重力值进行相关计算，另一方面利用惯性导航系统定位结果的轨迹对候选匹配点进行轨迹形状相关计算；根据重力值相关计算结果和轨迹形状相关计算结果确定最终的重力值匹配点。此外，考虑到相关计算的计算量大，耗时长，本实施例对相关计算进行快速傅里叶变换，这样卷积变成点乘，可极大减小运算量。
此外，本实施例中，重力匹配模块还包括误匹配检测子模块，防止出现匹配位置误差过大的情况。误匹配检测子模块对惯性导航系统3个连续定位结果组成的三角形和对应的3个连续的重力值匹配点位置组成的三角形进行三角形相似性判断；若判断两个三角形相似，则认为当前重力值匹配点可行；否则，认为当前重力值匹配点为误匹配点，剔除该误匹配点，由三角形相似性构建出一个虚拟的匹配点进行下一次误匹配检测。
具体的匹配算法可参见同日申请的“基于相关滤波的重力匹配方法”。
(6)修正模块
修正模块连接惯性导航模块与重力匹配模块两部分，通过组合导航或综合校正技术实现对惯性导航系统误差的修正，提高导航精度。此部分输入为惯导解算结果与重力匹配结果，通过修正算法对惯导进行修正，输出修正后的位置。
(7)界面显示模块
采用MATLB作为搭建界面显示模块的软件，使用GUI完成各个功能。本发明所有功能均可在界面显示模块找到相应部分，并将各部分结果进行显示。界面显示模块主要功能是对非技术人员进行展示，使用户在不需要了解具体算法步骤的情况下，完成双向交互功能。
(8)接口定义文档
各个模块中存在诸多不同算法，其结果格式不尽相同。通过定义接口，使重力场背景图模块、适配区选取模块、航迹规划模块、惯性导航模块、重力匹配模块、修正模块中个算法输入和输出具有统一格式，实现仿真平台各部分之间的衔接，实现各模块单独测试功能。
本发明仿真平台的具体使用步骤为：
步骤1，认真阅读接口定义文档，了解各模块输入输出及接口格式；
步骤2，按照各模块输入输出要求，生成所需数据。
本发明的仿真平台，各模块可以串联顺序使用，也可以单独使用，根据输入输出及接口格式编写所需测试的新算法，加入相应模块中进行测试。
由于各模块定义了标准的数据格式转换程序，可保证仿真数据、实际测试数据的有效衔接。
此外，本发明仿真平台，可运行已有程序与新算法进行对比，也可以运行界面显示模块给他人进行展示。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种重力辅助惯性导航系统仿真平台，其特征在于，包括：重力场背景图模块、适配区选取模块、航迹规划模块、惯性导航模块、重力匹配模块、修正模块、界面显示模块和接口定义文档；
其中，重力场背景图模块根据重力异常测量值对当前区域的重力场背景图进行插值重构；
适配区选取模块根据重力场背景图中重力异常值的变化程度，对重力场背景图进行区域划分，选取出适合水下载体航行的适配区；
航迹规划模块对水下载体的航迹进行规划，使水下载体的航迹经过所有适配区；同时，在各适配区内，航迹经过适配区内重力异常值变化剧烈的点；
惯性导航模块根据规划的轨迹，生成水下载体的惯性导航系统数据，并进行定位解算；
重力匹配模块对惯性导航模块输出的定位结果与重力场背景图模块输出的重力场背景图进行匹配，确定重力匹配点；
修正模块根据重力匹配点对惯性导航系统的定位结果进行修正，输出修正后的位置；
界面显示模块用于显示各模块的输出结果；
接口定义文档用于定义并统一各模块的输入、输出的格式；
重力匹配模块包括匹配范围子模块和相关计算子模块；
其中，匹配范围子模块根据重力测量数据绘制等值线带范围，根据惯性导航模块的定位位置绘制圆概率半径范围，等值线带范围与圆概率半径范围的交集即为匹配范围；匹配范围内的重力背景图中的网格交点即为候选匹配点；
相关计算子模块一方面对候选匹配点的重力值进行相关计算，另一方面利用惯性导航系统定位结果的轨迹对候选匹配点进行轨迹形状相关计算；根据重力值相关计算结果和轨迹形状相关计算结果确定最终的重力值匹配点；
重力匹配模块还包括误匹配检测子模块，误匹配检测子模块对惯性导航系统3个连续定位结果组成的三角形和对应的3个连续的重力值匹配点位置组成的三角形进行三角形相似性判断；若判断两个三角形相似，则认为当前重力值匹配点可行；否则，认为当前重力值匹配点为误匹配点，剔除该误匹配点，由三角形相似性构建出一个虚拟的匹配点进行下一次误匹配检测。
2.如权利要求1所述的重力辅助惯性导航系统仿真平台，其特征在于，轨迹形状相关计算时，以惯性导航系统定位结果的轨迹的斜率作为轨迹形状模板进行轨迹形状相关计算。
3.如权利要求1或2所述的重力辅助惯性导航系统仿真平台，其特征在于，在进行相关计算时，对相关计算进行快速傅里叶变换。
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