CN113587921B - 一种重力梯度场与重力异常场潜器融合定位方法及系统 - Google Patents

一种重力梯度场与重力异常场潜器融合定位方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种重力梯度场与重力异常场潜器融合定位方法及系统，首先确定五个独立重力梯度分量和各独立重力梯度分量对应的轨迹赋值序列；其次确定当前重力梯度场最优匹配位置、确定当前重力异常场最优匹配位置、重力梯度场匹配权重系数和重力异常场匹配权重系数；然后根据当前重力梯度场最优匹配位置、当前重力异常场最优匹配位置、重力梯度场匹配权重系数和重力异常场匹配权重系数确定水下潜器初始定位结果；最后对水下潜器初始定位结果进行校准，获得水下潜器最终定位结果。本发明对水下潜器初始定位结果进行校准，避免了局部重力测量序列由于特征较贫乏导致的匹配误差骤增现象，增强导航估计结果的连续性和鲁棒性。

Description

一种重力梯度场与重力异常场潜器融合定位方法及系统
技术领域
本发明涉及水下潜器定位技术领域，特别是涉及一种重力梯度场与重力异常场潜器融合定位方法及系统。
背景技术
传统重力辅助定位研究中，通常将重力异常场或重力梯度场单独作为基准数据进行匹配定位，存在水下潜器匹配定位误差大、匹配定位连续性差的问题，进而使得重力场的空间绝对分布及变化特性无法被导航系统充分利用。
发明内容
本发明的目的是提供一种重力梯度场与重力异常场潜器融合定位方法及系统，以提高水下潜器匹配定位的准确性和连续性。
为实现上述目的，本发明提供了一种重力梯度场与重力异常场潜器融合定位方法，所述方法包括：
步骤S1：基于重力梯度张量矩阵确定五个独立重力梯度分量；
步骤S2：根据各独立重力梯度分量对应的重力梯度匹配序列确定各独立重力梯度分量对应的轨迹赋值序列；
步骤S3：根据各独立重力梯度分量对应的轨迹赋值序列和重力梯度匹配序列确定当前重力梯度场最优匹配位置；
步骤S4：基于各条待匹配轨迹对应的重力异常匹配度确定当前重力异常场最优匹配位置；
步骤S5：基于模糊规则确定重力梯度场匹配权重系数和重力异常场匹配权重系数；
步骤S6：根据当前重力梯度场最优匹配位置、当前重力异常场最优匹配位置、重力梯度场匹配权重系数和重力异常场匹配权重系数确定水下潜器初始定位结果；
步骤S7：对水下潜器初始定位结果进行校准，获得水下潜器最终定位结果。
可选地，所述步骤S2具体包括：
步骤S21：以Δt为采样间隔，利用水下潜器测量重力梯度场，将连续N组重力梯度场作为一个重力梯度匹配序列，将N组重力梯度场对应的惯导系统指示位置构成惯导系统指示位置序列；
步骤S22：在重力梯度基准图中，以当前惯导系统指示位置为正方形对角线的中心，2·eINS为正方形的边长，构成的正方形区域作为待匹配轨迹起始点区域，其中，eINS为惯导系统指示位置的概略误差；
步骤S23：在待匹配轨迹起始点区域内，以d为网格间距进行网格划分；
步骤S24：将每个网格点作为起始点，构建待匹配起始点序列；
步骤S25：根据待匹配起始点序列，按照所述惯导系统指示位置序列内轨迹点之间的相对位置构建待匹配轨迹序列；
步骤S26：在重力梯度场基准图中，对所述待匹配轨迹序列中所有待匹配轨迹的轨迹点赋予最近网格点的基准数据，获得轨迹赋值序列。
可选地，所述步骤S3具体包括：
步骤S31：根据各独立重力梯度分量对应的轨迹赋值序列和重力梯度匹配序列计算各条待匹配轨迹对应的重力梯度匹配度；
步骤S32：将重力梯度匹配度最小的待匹配航迹对应的起始点作为水下潜器当前重力梯度场最优匹配位置。
可选地，所述步骤S4具体包括：
步骤S41：利用计算各条待匹配轨迹对应的重力异常匹配度；其中，/>为第m条待匹配轨迹对应的重力异常匹配度，N表示测量重力梯度场的总组数，为第n个轨迹点的重力异常场，/>为第m条待匹配轨迹上的第n个轨迹点的重力异常场；
步骤S42：将重力异常匹配度最小的待匹配航迹对应的起始点作为水下潜器当前重力异常场最优匹配位置。
可选地，所述步骤S5具体包括：
步骤S51：计算实测点序列上各测量点处重力梯度张量模值；
步骤S52：计算实测点序列上各测量点处重力异常值的梯度和重力梯度张量模值的梯度；
步骤S53：基于实测点序列上各测量点处重力异常值的梯度确定重力异常梯度均值；
步骤S54：基于实测点序列上各测量点处重力梯度张量模值的梯度确定重力梯度张量均值；
步骤S55：基于模糊规则，根据重力异常梯度均值和重力梯度张量均值确定重力梯度场匹配权重系数和重力异常场匹配权重系数。
本发明还提供一种重力梯度场与重力异常场潜器融合定位系统，所述系统包括：
独立重力梯度分量确定模块，用于基于重力梯度张量矩阵确定五个独立重力梯度分量；
轨迹赋值序列确定模块，用于根据各独立重力梯度分量对应的重力梯度匹配序列确定各独立重力梯度分量对应的轨迹赋值序列；
当前重力梯度场最优匹配位置确定模块，用于根据各独立重力梯度分量对应的轨迹赋值序列和重力梯度匹配序列确定当前重力梯度场最优匹配位置；
当前重力异常场最优匹配位置确定模块，用于基于各条待匹配轨迹对应的重力异常匹配度确定当前重力异常场最优匹配位置；
权重系数确定模块，用于基于模糊规则确定重力梯度场匹配权重系数和重力异常场匹配权重系数；
水下潜器初始定位结果确定模块，用于根据当前重力梯度场最优匹配位置、当前重力异常场最优匹配位置、重力梯度场匹配权重系数和重力异常场匹配权重系数确定水下潜器初始定位结果；
校准模块，用于对水下潜器初始定位结果进行校准，获得水下潜器最终定位结果。
可选地，所述轨迹赋值序列确定模块包括：
第一序列构建单元，用于以Δt为采样间隔，利用水下潜器测量重力梯度场，将连续N组重力梯度场作为一个重力梯度匹配序列，将N组重力梯度场对应的惯导系统指示位置构成惯导系统指示位置序列；
待匹配轨迹起始点区域确定单元，用于在重力梯度基准图中，以当前惯导系统指示位置为正方形对角线的中心，2·eINS为正方形的边长，构成的正方形区域作为待匹配轨迹起始点区域，其中，eINS为惯导系统指示位置的概略误差；
网格划分单元，用于在待匹配轨迹起始点区域内，以d为网格间距进行网格划分；
第二序列构建单元，用于将每个网格点作为起始点，构建待匹配起始点序列；
第三序列构建单元，用于根据待匹配起始点序列，按照所述惯导系统指示位置序列内轨迹点之间的相对位置构建待匹配轨迹序列；
第四序列构建单元，用于在重力梯度场基准图中，对所述待匹配轨迹序列中所有待匹配轨迹的轨迹点赋予最近网格点的基准数据，获得轨迹赋值序列。
可选地，所述当前重力梯度场最优匹配位置确定模块包括：
重力梯度匹配度确定单元，用于根据各独立重力梯度分量对应的轨迹赋值序列和重力梯度匹配序列计算各条待匹配轨迹对应的重力梯度匹配度；
当前重力梯度场最优匹配位置确定单元，用于将重力梯度匹配度最小的待匹配航迹对应的起始点作为水下潜器当前重力梯度场最优匹配位置。
可选地，所述当前重力异常场最优匹配位置确定模块具体包括：
重力异常匹配度确定单元，用于利用计算各条待匹配轨迹对应的重力异常匹配度；其中，/>为第m条待匹配轨迹对应的重力异常匹配度，N表示测量重力梯度场的总组数，/>为第n个轨迹点的重力异常场，/>为第m条待匹配轨迹上的第n个轨迹点的重力异常场；
当前重力异常场最优匹配位置确定单元，用于将重力异常匹配度最小的待匹配航迹对应的起始点作为水下潜器当前重力异常场最优匹配位置。
可选地，所述权重系数确定模块具体包括：
重力梯度张量模值计算单元，用于计算实测点序列上各测量点处重力梯度张量模值；
梯度计算单元，用于计算实测点序列上各测量点处重力异常值的梯度和重力梯度张量模值的梯度；
重力异常梯度均值确定单元，用于基于实测点序列上各测量点处重力异常值的梯度确定重力异常梯度均值；
重力梯度张量均值确定单元，用于基于实测点序列上各测量点处重力梯度张量模值的梯度确定重力梯度张量均值；
权重系数确定单元，用于基于模糊规则，根据重力异常梯度均值和重力梯度张量均值确定重力梯度场匹配权重系数和重力异常场匹配权重系数。
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：
本发明根据重力异常梯度均值和重力梯度张量均值，设计了匹配结果融合的模糊规则，保证了对弱特征观测量的鲁棒性和融合匹配导航的合理性，进而提高水下潜器匹配定位的准确性。另外，本发明对水下潜器初始定位结果进行校准，获得水下潜器最终定位结果，避免了局部重力测量序列由于特征较贫乏导致的匹配误差骤增现象，增强导航估计结果的连续性和鲁棒性。
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为本发明实施例重力梯度场与重力异常场潜器融合定位方法流程图；
图2为本发明实施例重力梯度场与重力异常场潜器融合定位系统结构图。
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重力梯度场与重力异常场潜器融合定位方法及系统，以提高水下潜器匹配定位的准确性和连续性。
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。
重力匹配辅助导航：通过测高卫星数据获取全球海洋重力异常图，预先装入潜艇导航终端。通过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，从而获得水下潜器自身坐标，用以校正惯导系统。
重力异常：当把地球近似看作表面光滑、内部质量分布均匀、赤道半径大于极半径的旋转椭球体时，椭球体表面上各点的重力值为正常重力值或理论重力值。在海洋区域，将每一个测量的位置归算到大地水准面上，它们的实测重力值与正常重力值之差即为重力异常。它反映着海域地壳物质质量分布的状况，通常与海底的地质构造及物质组成密切相关。
重力梯度：重力梯度则反映了重力场的空间变化特性。重力梯度张量具有九个梯度分量，其中包括五个独立分量，因此能够形成五个独立的特征序列，完整的刻画重力场的三维空间变化特性，也为重力辅助导航系统提供了更加具体全面可靠的基准数据。重力梯度对地形的变化情况比重力异常更加敏感，在机理上使得重力辅助导航能够达到更高的精度。目前国际上卫星、船载、机载重力梯度仪的测量精度已基本达到军事应用、地质勘探等领域的技术要求。近十年，我国在重力仪和重力梯度仪的研制上也取得了突破性进展，这为水下重力辅助导航系统的应用研究奠定了扎实的技术基础。
重力灯塔：海洋中存在有大量火山喷发和板块运动形成的极陡峭海山，在其顶部会产生很突出的局部重力高值，形成明显的重力特征点群。海洋重力场在局部海底地形突出和地下质量聚集的分布情况影响下，会形成类似陆地地形一样的分布纹理特征，存在重力“山峰”、“山谷”、“山脊”等现象的重力异常高值区、低值区及平缓区。我们将这些存在于海底，天然、离散分布的重力高值特征点群视为导航的“灯塔”，即为“重力灯塔”。
如图1所示，本发明提供一种重力梯度场与重力异常场潜器融合定位方法，所述方法包括：
步骤S1：基于重力梯度张量矩阵确定五个独立重力梯度分量。
步骤S2：根据各独立重力梯度分量对应的重力梯度匹配序列确定各独立重力梯度分量对应的轨迹赋值序列。
步骤S3：根据各独立重力梯度分量对应的轨迹赋值序列和重力梯度匹配序列确定当前重力梯度场最优匹配位置。
步骤S4：基于各条待匹配轨迹对应的重力异常匹配度确定当前重力异常场最优匹配位置。
步骤S5：基于模糊规则确定重力梯度场匹配权重系数和重力异常场匹配权重系数。
步骤S6：根据当前重力梯度场最优匹配位置、当前重力异常场最优匹配位置、重力梯度场匹配权重系数和重力异常场匹配权重系数确定水下潜器初始定位结果。
步骤S7：对水下潜器初始定位结果进行校准，获得水下潜器最终定位结果。
下面对各个步骤进行详细论述：
步骤S1：基于重力梯度张量矩阵确定五个独立重力梯度分量；所述重力梯度张量矩阵的具体公式为：
其中，Γ表示重力梯度张量矩阵，且Γxy＝Γyx，Γxz＝Γzx，Γxx+Γyy+Γzz＝0，因此，Γzx，Γxy，Γxz，Γyy，Γyz为五个独立重力梯度分量。
步骤S2：根据各独立重力梯度分量对应的重力梯度匹配序列确定各独立重力梯度分量对应的轨迹赋值序列，具体包括：
步骤S21：以Δt为采样间隔，利用水下潜器测量重力梯度场，将连续N组重力梯度场作为一个重力梯度匹配序列，将N组重力梯度场对应的惯导系统指示位置构成惯导系统指示位置序列PINS。
以Γxx为例，重力梯度匹配序列 表示独立重力梯度分量Γxx对应的第N组重力梯度场，对应的惯导系统指示位置序列/> 表示第N组重力梯度场对应的惯导系统指示位置。
步骤S22：在重力梯度基准图中，以当前惯导系统指示位置为正方形对角线的中心，2·eINS为正方形的边长，构成的正方形区域作为待匹配轨迹起始点区域Astart，其中，eINS为惯导系统指示位置的概略误差。
步骤S23：在待匹配轨迹起始点区域Astart内，以d为网格间距进行网格划分。
步骤S24：将每个网格点作为起始点，构建待匹配起始点序列Pstart； 其中，/>表示第M个起始点。
步骤S25：根据所述待匹配起始点序列，按照所述惯导系统指示位置序列内轨迹点之间的相对位置构建待匹配轨迹序列R，R＝{R1 R2 ... Rm ... RM}；其中Rm＝[Pm，1 Pm，2 ...Pm，N]，Rm表示第m条待匹配轨迹，Pm，N表示第m条待匹配轨迹上的第N个轨迹点。
步骤S26：在重力梯度场基准图中，对所述待匹配轨迹序列中所有待匹配轨迹的轨迹点赋予最近网格点的基准数据，获得轨迹赋值序列；以独立重力梯度分量Γxx为例，轨迹赋值序列 表示独立重力梯度分量Гxx中第m条待匹配轨迹上第N个轨迹点赋予基准数据后的值。
步骤S3：根据各独立重力梯度分量对应的轨迹赋值序列和重力梯度匹配序列确定当前重力梯度场最优匹配位置，具体包括：
步骤S31：根据各独立重力梯度分量对应的轨迹赋值序列和重力梯度匹配序列计算各条待匹配轨迹对应的重力梯度匹配度，具体公式为
其中，为第m条待匹配轨迹对应的重力梯度匹配度，/>和/>分别表示独立重力梯度分量Гxx、Гxy、Γxz、Γyy和Γyz对应的第n组重力梯度场，和/>分别表示独立重力梯度分量Γxx、Γxy、Γxz、Гyy和Гyz中第m条待匹配轨迹上第N个轨迹点赋予基准数据后的值，N为测量重力梯度场的总组数。
步骤S32：将重力梯度匹配度最小的待匹配航迹对应的起始点作为水下潜器当前重力梯度场最优匹配位置，记为
步骤S4：基于各条待匹配轨迹对应的重力异常匹配度确定当前重力异常场最优匹配位置，具体包括：
步骤S41：利用计算各条待匹配轨迹对应的重力异常匹配度；其中，/>为第m条待匹配轨迹对应的重力异常匹配度，N表示测量重力梯度场的总组数，为第n个轨迹点的重力异常场，/>为第m条待匹配轨迹上的第n个轨迹点的重力异常场。
步骤S42：将重力异常匹配度最小的待匹配航迹对应的起始点作为水下潜器当前重力异常场最优匹配位置，记为
步骤S5：基于模糊规则确定重力梯度场匹配权重系数和重力异常场匹配权重系数，具体包括：
步骤S51：计算实测点序列上各测量点处重力梯度张量模值，具体公式为：
其中，||Γn||表示第n个重力梯度测量点上重力梯度张量模值，表示独立重力梯度分量Γxx在第n个重力梯度测量点上的重力梯度场，/>表示独立重力梯度分量Γxy在第n个重力梯度测量点上的重力梯度场,/>表示独立重力梯度分量Γxz在第n个重力梯度测量点上的重力梯度场,/>表示独立重力梯度分量Γyx在第n个重力梯度测量点上的重力梯度场，/>表示独立重力梯度分量Γyy在第n个重力梯度测量点上的重力梯度场，/>表示独立重力梯度分量Γzz在第n个重力梯度测量点上的重力梯度场，/>表示独立重力梯度分量Гyz在第n个重力梯度测量点上的重力梯度场，/>表示独立重力梯度分量Γzx在第n个重力梯度测量点上的重力梯度场，/>表示独立重力梯度分量Гzy在第n个重力梯度测量点上的重力梯度场。
步骤S52：计算实测点序列上各测量点处重力异常值的梯度和重力梯度张量模值的梯度。
步骤S53：基于实测点序列上各测量点处重力异常值的梯度确定重力异常梯度均值，具体公式为：
其中，TA为重力异常梯度均值，N表示测量重力梯度场的总组数，T1(n)为实测点序列上第n个测量点处重力异常值的梯度，TA越大表示数据序列信息量越大，越有利于匹配。
步骤S54：基于实测点序列上各测量点处重力梯度张量模值的梯度确定重力梯度张量均值，具体公式为：
其中，TG为重力梯度张量均值，N表示测量重力梯度场的总组数，T2(n)为实测点序列上第n个测量点处重力梯度张量模值的梯度，TG越大表示数据序列信息量越大，越有利于匹配。
步骤S55：基于模糊规则，根据重力异常梯度均值和重力梯度张量均值确定重力梯度场匹配权重系数λ1和重力异常场匹配权重系数λ2。
设定地形、地磁数据有效匹配阈值分别为δTG＝0.1，δTA＝1。将TG和TA取值分别在区间[0.11]和区间[110]内，按0.1和1为间隔划分10个等级，因此重力梯度场和重力异常场的匹配权重系数基于模糊系统设计，具体准则如表1所示。
表1重力梯度场和重力异常场权重系数分配模糊规则
步骤S6：根据当前重力梯度场最优匹配位置、当前重力异常场最优匹配位置、重力梯度场匹配权重系数和重力异常场匹配权重系数确定水下潜器初始定位结果，具体公式为：
其中，Pbest为水下潜器初始定位结果，λ1为重力梯度场匹配权重系数，λ2为重力异常场匹配权重系数，为当前重力梯度场最优匹配位置，/>为当前重力异常场最优匹配位置。
本步骤针对部分区域重力场空间特征贫乏可能导致的定位误差突增问题，将高维重力梯度场和重力异常场的灯塔分布数据作为基准，对融合匹配所得水下潜器初始定位结果作进一步校准，提升匹配结果的准确性和稳定性。
步骤S7：对水下潜器初始定位结果进行校准，获得水下潜器最终定位结果，具体包括：
步骤S71：在实测重力梯度场和重力异常场中，以水下潜器初始定位结果为正方形对角线的中心，LM为正方形的边长，构成的正方形区域作为实测区域。
步骤S72：在实测区域内，提取五个独立重力梯度分量对应的重力梯度场和重力异常场所包含的灯塔，计算每个灯塔的形态参数；所述心态参数包括灯塔的中心位置、属性(即极小值灯塔还是极大值灯塔)、灯塔外切椭圆的长轴长度a、短轴长度b以及形态走向角度α。
步骤S73：将实测区域内五个独立重力梯度分量对应的重力梯度场所包含的灯塔和一个重力异常场所包含的灯塔构建一个实测六层灯塔集合。
步骤S74：在基准数据库中，以Pbest为正方形对角线的中心，ε·eINS(0<ε<0.2)为正方形的边长，构成的正方形区域作为校准区域。
步骤S75：在校准区域内，以0.05·ε·eINS为网格间距进行网格划分，以校准区域内任一网格点为正方形对角线的中心，LM为正方形的边长，构成的正方形区域作为校准子区域。
步骤S76：利用校准子区域内，五个独立重力梯度分量对应的重力梯度场和一个重力异常场所包含的灯塔构建一个基准六层灯塔集合。
步骤S77：将实测六层灯塔集合的几何中心分别放置在校准区域内的所有网格点上，并与对应的基准六层灯塔集合进行匹配度计算，具体公式为：
其中，μ表示匹配度，Q表示实测六层灯塔集合中的灯塔总数；Pq表示实测六层灯塔集合中第q个灯塔(记为Lq)在对应层内的位置；表示在基准六层灯塔集合中与Lq在对应层内距离最近的灯塔的位置。
步骤S78：将校准区域内匹配度最小的网格位置作为水下潜器最终定位结果。
如图2所示，本发明公开一种重力梯度场与重力异常场潜器融合定位系统，所述系统包括：
独立重力梯度分量确定模块201，用于基于重力梯度张量矩阵确定五个独立重力梯度分量。
轨迹赋值序列确定模块202，用于根据各独立重力梯度分量对应的重力梯度匹配序列确定各独立重力梯度分量对应的轨迹赋值序列。
当前重力梯度场最优匹配位置确定模块203，用于根据各独立重力梯度分量对应的轨迹赋值序列和重力梯度匹配序列确定当前重力梯度场最优匹配位置。
当前重力异常场最优匹配位置确定模块204，用于基于各条待匹配轨迹对应的重力异常匹配度确定当前重力异常场最优匹配位置。
权重系数确定模块205，用于基于模糊规则确定重力梯度场匹配权重系数和重力异常场匹配权重系数。
水下潜器初始定位结果确定模块206，用于根据当前重力梯度场最优匹配位置、当前重力异常场最优匹配位置、重力梯度场匹配权重系数和重力异常场匹配权重系数确定水下潜器初始定位结果。
校准模块207，用于对水下潜器初始定位结果进行校准，获得水下潜器最终定位结果。
作为一种可选的实时方式，本发明所述轨迹赋值序列确定模块202包括：
第一序列构建单元，用于以Δt为采样间隔，利用水下潜器测量重力梯度场，将连续N组重力梯度场作为一个重力梯度匹配序列，将N组重力梯度场对应的惯导系统指示位置构成惯导系统指示位置序列。
待匹配轨迹起始点区域确定单元，用于在重力梯度基准图中，以当前惯导系统指示位置为正方形对角线的中心，2·eINS为正方形的边长，构成的正方形区域作为待匹配轨迹起始点区域，其中，eINS为惯导系统指示位置的概略误差。
网格划分单元，用于在待匹配轨迹起始点区域内，以d为网格间距进行网格划分。
第二序列构建单元，用于将每个网格点作为起始点，构建待匹配起始点序列。
第三序列构建单元，用于根据待匹配起始点序列，按照所述惯导系统指示位置序列内轨迹点之间的相对位置构建待匹配轨迹序列。
第四序列构建单元，用于在重力梯度场基准图中，对所述待匹配轨迹序列中所有待匹配轨迹的轨迹点赋予最近网格点的基准数据，获得轨迹赋值序列。
作为一种可选的实时方式，本发明所述当前重力梯度场最优匹配位置确定模块203包括：
重力梯度匹配度确定单元，用于根据各独立重力梯度分量对应的轨迹赋值序列和重力梯度匹配序列计算各条待匹配轨迹对应的重力梯度匹配度。
当前重力梯度场最优匹配位置确定单元，用于将重力梯度匹配度最小的待匹配航迹对应的起始点作为水下潜器当前重力梯度场最优匹配位置。
作为一种可选的实时方式，本发明所述当前重力异常场最优匹配位置确定模块204具体包括：
重力异常匹配度确定单元，用于利用计算各条待匹配轨迹对应的重力异常匹配度；其中，/>为第m条待匹配轨迹对应的重力异常匹配度，N表示测量重力梯度场的总组数，/>为第n个轨迹点的重力异常场，/>为第m条待匹配轨迹上的第n个轨迹点的重力异常场。
当前重力异常场最优匹配位置确定单元，用于将重力异常匹配度最小的待匹配航迹对应的起始点作为水下潜器当前重力异常场最优匹配位置。
作为一种可选的实时方式，本发明所述权重系数确定模块205具体包括：
重力梯度张量模值计算单元，用于计算实测点序列上各测量点处重力梯度张量模值。
梯度计算单元，用于计算实测点序列上各测量点处重力异常值的梯度和重力梯度张量模值的梯度。
重力异常梯度均值确定单元，用于基于实测点序列上各测量点处重力异常值的梯度确定重力异常梯度均值。
重力梯度张量均值确定单元，用于基于实测点序列上各测量点处重力梯度张量模值的梯度确定重力梯度张量均值。
权重系数确定单元，用于基于模糊规则，根据重力异常梯度均值和重力梯度张量均值确定重力梯度场匹配权重系数和重力异常场匹配权重系数。
作为一种可选的实时方式，本发明校准模块207具体包括：
实测区域构建单元，用于在实测重力梯度场和重力异常场中，以水下潜器初始定位结果为正方形对角线的中心，LM为正方形的边长，构成的正方形区域作为实测区域。
形态参数确定单元，用于在实测区域内，提取五个独立重力梯度分量对应的重力梯度场和重力异常场所包含的灯塔，计算每个灯塔的形态参数；所述心态参数包括灯塔的中心位置、属性(即极小值灯塔还是极大值灯塔)、灯塔外切椭圆的长轴长度a、短轴长度b以及形态走向角度α。
实测六层灯塔集合确定单元，用于将实测区域内五个独立重力梯度分量对应的重力梯度场所包含的灯塔和一个重力异常场所包含的灯塔构建一个实测六层灯塔集合。
校准区域确定单元，用于在基准数据库中，以Pbest为正方形对角线的中心，ε·eINS(0<ε<0.2)为正方形的边长，构成的正方形区域作为校准区域。
校准子区域确定单元，用于在校准区域内，以0.05·ε·eINS为网格间距进行网格划分，以校准区域内任一网格点为正方形对角线的中心，LM为正方形的边长，构成的正方形区域作为校准子区域。
基准六层灯塔集合确定单元，用于利用校准子区域内，五个独立重力梯度分量对应的重力梯度场和一个重力异常场所包含的灯塔构建一个基准六层灯塔集合。
匹配度计算单元，用于将实测六层灯塔集合的几何中心分别放置在校准区域内的所有网格点上，并与对应的基准六层灯塔集合进行匹配度计算，具体公式为：
其中，μ表示匹配度，Q表示实测六层灯塔集合中的灯塔总数；Pq表示实测六层灯塔集合中第q个灯塔(记为Lq)在对应层内的位置；表示在基准六层灯塔集合中与Lq在对应层内距离最近的灯塔的位置。
水下潜器最终定位结果确定单元，用于将校准区域内匹配度最小的网格位置作为水下潜器最终定位结果。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
a.本发明将高维重力梯度场和重力异常场相融合进行匹配，能够更完备的表达重力场的空间分布状态，扩展了匹配运算中关键特征的丰富程度，提高了重力匹配导航的准确性。
b.本发明根据重力异常梯度均值和重力梯度张量均值，设计了匹配结果融合的模糊规则，保证了对弱特征观测量的鲁棒性和融合匹配导航的合理性。
c.本发明对水下潜器初始定位结果进行校准，获得水下潜器最终定位结果，避免了局部重力测量序列由于特征较贫乏导致的匹配误差骤增现象，增强导航估计结果的连续性和鲁棒性。
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 (8)

1.一种重力梯度场与重力异常场潜器融合定位方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤S1：基于重力梯度张量矩阵确定五个独立重力梯度分量；
步骤S2：根据各独立重力梯度分量对应的重力梯度匹配序列确定各独立重力梯度分量对应的轨迹赋值序列；
步骤S3：根据各独立重力梯度分量对应的轨迹赋值序列和重力梯度匹配序列确定当前重力梯度场最优匹配位置；
步骤S4：基于各条待匹配轨迹对应的重力异常匹配度确定当前重力异常场最优匹配位置；
步骤S5：基于模糊规则确定重力梯度场匹配权重系数和重力异常场匹配权重系数，具体包括：
步骤S51：计算实测点序列上各测量点处重力梯度张量模值；
步骤S52：计算实测点序列上各测量点处重力异常值的梯度和重力梯度张量模值的梯度；
步骤S53：基于实测点序列上各测量点处重力异常值的梯度确定重力异常梯度均值；
步骤S54：基于实测点序列上各测量点处重力梯度张量模值的梯度确定重力梯度张量均值；
步骤S55：基于模糊规则，根据重力异常梯度均值和重力梯度张量均值确定重力梯度场匹配权重系数和重力异常场匹配权重系数；
步骤S6：根据当前重力梯度场最优匹配位置、当前重力异常场最优匹配位置、重力梯度场匹配权重系数和重力异常场匹配权重系数确定水下潜器初始定位结果；
步骤S7：对水下潜器初始定位结果进行校准，获得水下潜器最终定位结果。
2.根据权利要求1所述的重力梯度场与重力异常场潜器融合定位方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：
步骤S21：以Δt为采样间隔，利用水下潜器测量重力梯度场，将连续N组重力梯度场作为一个重力梯度匹配序列，将N组重力梯度场对应的惯导系统指示位置构成惯导系统指示位置序列；
步骤S22：在重力梯度基准图中，以当前惯导系统指示位置为正方形对角线的中心，2·eINS为正方形的边长，构成的正方形区域作为待匹配轨迹起始点区域，其中，eINS为惯导系统指示位置的概略误差；
步骤S23：在待匹配轨迹起始点区域内，以d为网格间距进行网格划分；
步骤S24：将每个网格点作为起始点，构建待匹配起始点序列；
步骤S25：根据待匹配起始点序列，按照所述惯导系统指示位置序列内轨迹点之间的相对位置构建待匹配轨迹序列；
步骤S26：在重力梯度场基准图中，对所述待匹配轨迹序列中所有待匹配轨迹的轨迹点赋予最近网格点的基准数据，获得轨迹赋值序列。
3.根据权利要求1所述的重力梯度场与重力异常场潜器融合定位方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：
步骤S31：根据各独立重力梯度分量对应的轨迹赋值序列和重力梯度匹配序列计算各条待匹配轨迹对应的重力梯度匹配度；
步骤S32：将重力梯度匹配度最小的待匹配航迹对应的起始点作为水下潜器当前重力梯度场最优匹配位置。
4.根据权利要求1所述的重力梯度场与重力异常场潜器融合定位方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：
步骤S41：利用计算各条待匹配轨迹对应的重力异常匹配度；其中，/>为第m条待匹配轨迹对应的重力异常匹配度，N表示测量重力梯度场的总组数，/>为第n个轨迹点的重力异常场，/>为第m条待匹配轨迹上的第n个轨迹点的重力异常场；
步骤S42：将重力异常匹配度最小的待匹配航迹对应的起始点作为水下潜器当前重力异常场最优匹配位置。
5.一种重力梯度场与重力异常场潜器融合定位系统，其特征在于，所述系统包括：
独立重力梯度分量确定模块，用于基于重力梯度张量矩阵确定五个独立重力梯度分量；
轨迹赋值序列确定模块，用于根据各独立重力梯度分量对应的重力梯度匹配序列确定各独立重力梯度分量对应的轨迹赋值序列；
当前重力梯度场最优匹配位置确定模块，用于根据各独立重力梯度分量对应的轨迹赋值序列和重力梯度匹配序列确定当前重力梯度场最优匹配位置；
当前重力异常场最优匹配位置确定模块，用于基于各条待匹配轨迹对应的重力异常匹配度确定当前重力异常场最优匹配位置；
权重系数确定模块，用于基于模糊规则确定重力梯度场匹配权重系数和重力异常场匹配权重系数，具体包括：
重力梯度张量模值计算单元，用于计算实测点序列上各测量点处重力梯度张量模值；
梯度计算单元，用于计算实测点序列上各测量点处重力异常值的梯度和重力梯度张量模值的梯度；
重力异常梯度均值确定单元，用于基于实测点序列上各测量点处重力异常值的梯度确定重力异常梯度均值；
重力梯度张量均值确定单元，用于基于实测点序列上各测量点处重力梯度张量模值的梯度确定重力梯度张量均值；
权重系数确定单元，用于基于模糊规则，根据重力异常梯度均值和重力梯度张量均值确定重力梯度场匹配权重系数和重力异常场匹配权重系数；
水下潜器初始定位结果确定模块，用于根据当前重力梯度场最优匹配位置、当前重力异常场最优匹配位置、重力梯度场匹配权重系数和重力异常场匹配权重系数确定水下潜器初始定位结果；
校准模块，用于对水下潜器初始定位结果进行校准，获得水下潜器最终定位结果。
6.根据权利要求5所述的重力梯度场与重力异常场潜器融合定位系统，其特征在于，所述轨迹赋值序列确定模块包括：
第一序列构建单元，用于以Δt为采样间隔，利用水下潜器测量重力梯度场，将连续N组重力梯度场作为一个重力梯度匹配序列，将N组重力梯度场对应的惯导系统指示位置构成惯导系统指示位置序列；
待匹配轨迹起始点区域确定单元，用于在重力梯度基准图中，以当前惯导系统指示位置为正方形对角线的中心，2·eINS为正方形的边长，构成的正方形区域作为待匹配轨迹起始点区域，其中，eINS为惯导系统指示位置的概略误差；
网格划分单元，用于在待匹配轨迹起始点区域内，以d为网格间距进行网格划分；
第二序列构建单元，用于将每个网格点作为起始点，构建待匹配起始点序列；
第三序列构建单元，用于根据待匹配起始点序列，按照所述惯导系统指示位置序列内轨迹点之间的相对位置构建待匹配轨迹序列；
第四序列构建单元，用于在重力梯度场基准图中，对所述待匹配轨迹序列中所有待匹配轨迹的轨迹点赋予最近网格点的基准数据，获得轨迹赋值序列。
7.根据权利要求5所述的重力梯度场与重力异常场潜器融合定位系统，其特征在于，所述当前重力梯度场最优匹配位置确定模块包括：
重力梯度匹配度确定单元，用于根据各独立重力梯度分量对应的轨迹赋值序列和重力梯度匹配序列计算各条待匹配轨迹对应的重力梯度匹配度；
当前重力梯度场最优匹配位置确定单元，用于将重力梯度匹配度最小的待匹配航迹对应的起始点作为水下潜器当前重力梯度场最优匹配位置。
8.根据权利要求5所述的重力梯度场与重力异常场潜器融合定位系统，其特征在于，所述当前重力异常场最优匹配位置确定模块具体包括：
重力异常匹配度确定单元，用于利用计算各条待匹配轨迹对应的重力异常匹配度；其中，/>为第m条待匹配轨迹对应的重力异常匹配度，N表示测量重力梯度场的总组数，/>为第n个轨迹点的重力异常场，/>为第m条待匹配轨迹上的第n个轨迹点的重力异常场；
当前重力异常场最优匹配位置确定单元，用于将重力异常匹配度最小的待匹配航迹对应的起始点作为水下潜器当前重力异常场最优匹配位置。
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