CN113587922B - 一种多维重力梯度灯塔信息描述潜器导航方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多维重力梯度灯塔信息描述潜器导航方法及系统。该方法包括：利用惯性导航系统获取水下潜器的当前位置；根据所述当前位置确定出当前位置所在海域的重力梯度灯塔；获取当前位置所在海域的每一个重力梯度灯塔的灯塔照射范围；将灯塔照射范围大于等于灯塔照射范围筛选阈值的重力梯度灯塔进行保留；根据保留后的重力梯度灯塔的照射范围位置与当前位置之间的距离，确定目标照射范围；根据所述目标照射范围内的重力梯度灯塔的维度权确定目标重力梯度灯塔；利用所述目标重力梯度灯塔进行导航。本发明能快速锁定用于匹配的重力梯度灯塔，降低了导航定位时间。

Description

一种多维重力梯度灯塔信息描述潜器导航方法及系统
技术领域
本发明涉及水下潜器重力导航领域，特别是涉及一种多维重力梯度灯塔信息描述潜器导航方法及系统。
背景技术
水下潜器重力灯塔辅助导航是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。通过艇载重力仪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。
潜器重力灯塔辅助导航中，在某一位置上，艇载重力仪只有一个观测值，导航底图也只有一幅，是一种“一维”对应关系，在重力灯塔搜索时，也仅仅只考虑一维方向。
而使用重力梯度信息进行导航时，某一位置处艇载全张量梯度重力仪可测得6个分量，潜器预装重力梯度底图也有6幅，是一种6维匹配关系。
因此，需要提出一种高维重力梯度灯塔信息的描述方法，用以表征同一区域不同维度间的重力梯度灯塔关系，能够清晰的表征重力梯度灯塔的可用程度和维度关联性。
发明内容
本发明的目的是提供一种多维重力梯度灯塔信息描述潜器导航方法及系统，能快速锁定用于匹配的重力梯度灯塔，降低了导航定位时间。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种多维重力梯度灯塔信息描述潜器导航方法，包括：
利用惯性导航系统获取水下潜器的当前位置；
根据所述当前位置确定出当前位置所在海域的重力梯度灯塔；
获取当前位置所在海域的每一个重力梯度灯塔的灯塔照射范围；
将灯塔照射范围大于等于灯塔照射范围筛选阈值的重力梯度灯塔进行保留；
根据保留后的重力梯度灯塔的照射范围位置与当前位置之间的距离，确定目标照射范围；所述目标照射范围为保留后的重力梯度灯塔的照射范围位置与当前位置之间的距离最短的照射范围；
根据所述目标照射范围内的重力梯度灯塔的维度权确定目标重力梯度灯塔；所述维度权所述目标照射范围内的重力梯度灯塔的照射范围位置和当前位置之间的距离与重力梯度灯塔的坡度的比值；所述目标重力梯度灯塔为维度权大于等于维度权阈值的重力梯度灯塔；
利用所述目标重力梯度灯塔进行导航。
可选地，所述获取当前位置所在海域的每一个重力梯度灯塔的灯塔照射范围，具体包括：
利用预装海洋重力异常图获取每一个重力梯度灯塔在不同维度的投影面积；
将每一个重力梯度灯塔在不同维度的投影面积进行叠加；
根据叠加后的面积确定相应的重力梯度灯塔的灯塔照射范围。
可选地，所述将灯塔照射范围大于等于灯塔照射范围筛选阈值的重力梯度灯塔进行保留，之后还包括：
利用和公式/>确定所述保留后的重力梯度灯塔的照射范围位置；
其中，Li，Bi(i＝1,2,…,n)为照射范围的轮廓线离散点坐标，(L，B)为照射范围位置，n为轮廓线离散点个数。
可选地，所述根据所述目标照射范围内的重力梯度灯塔的维度权确定目标重力梯度灯塔，具体包括：
利用公式确定重力梯度灯塔的维度权；
其中，WDfactor为重力梯度灯塔的维度权，Ssum为重力梯度灯塔的坡度，Len为所述目标照射范围内的重力梯度灯塔的照射范围位置和当前位置之间的距离。
一种多维重力梯度灯塔信息描述潜器导航系统，包括：
当前位置获取模块，用于利用惯性导航系统获取水下潜器的当前位置；
重力梯度灯塔确定模块，用于根据所述当前位置确定出当前位置所在海域的重力梯度灯塔；
灯塔照射范围确定模块，用于获取当前位置所在海域的每一个重力梯度灯塔的灯塔照射范围；
重力梯度灯塔筛选模块，用于将灯塔照射范围大于等于灯塔照射范围筛选阈值的重力梯度灯塔进行保留；
目标照射范围确定模块，用于根据保留后的重力梯度灯塔的照射范围位置与当前位置之间的距离，确定目标照射范围；所述目标照射范围为保留后的重力梯度灯塔的照射范围位置与当前位置之间的距离最短的照射范围；
目标重力梯度灯塔确定模块，用于根据所述目标照射范围内的重力梯度灯塔的维度权确定目标重力梯度灯塔；所述维度权所述目标照射范围内的重力梯度灯塔的照射范围位置和当前位置之间的距离与重力梯度灯塔的坡度的比值；所述目标重力梯度灯塔为维度权大于等于维度权阈值的重力梯度灯塔；
导航模块，用于利用所述目标重力梯度灯塔进行导航。
可选地，所述灯塔照射范围确定模块具体包括：
投影面积获取单元，用于利用预装海洋重力异常图获取每一个重力梯度灯塔在不同维度的投影面积；
投影面积叠加单元，用于将每一个重力梯度灯塔在不同维度的投影面积进行叠加；
灯塔照射范围确定单元，用于根据叠加后的面积确定相应的重力梯度灯塔的灯塔照射范围。
可选地，还包括：
照射范围位置确定模块，用于利用和公式/>确定所述保留后的重力梯度灯塔的照射范围位置；
其中，Li，Bi(i＝1,2,…,n)为照射范围的轮廓线离散点坐标，(L，B)为照射范围位置，n为轮廓线离散点个数。
可选地，所述目标重力梯度灯塔确定模块具体包括：
维度权确定单元，用于利用公式确定重力梯度灯塔的维度权；
其中，WDfactor为重力梯度灯塔的维度权，Ssum为重力梯度灯塔的坡度，Len为所述目标照射范围内的重力梯度灯塔的照射范围位置和当前位置之间的距离。
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：
本发明所提供的一种多维重力梯度灯塔信息描述潜器导航方法及系统，通过梯度重力灯塔的位置、坡度、照射范围、照射范围位置、维度权五种属性和梯度重力灯塔自身的6维幅值共同进行梯度灯塔信息描述，确定目标梯度重力灯塔，本发明不再是仅仅依靠梯度重力值进行匹配，而是通过五种属性筛选出合适的重力梯度灯塔再进行匹配，这种灯塔信息描述方法提高了匹配成功率；给出了重力梯度灯塔的五种属性信息定义，能够表征同一区域不同维度间的重力梯度灯塔关系，能够清晰的表征重力梯度灯塔的可用程度和维度关联性；进而能快速锁定用于匹配的重力梯度灯塔，降低了导航定位时间。
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为本发明一种多维重力梯度灯塔信息描述潜器导航方法流程示意图；
图2为度重力灯塔的位置示意图；
图3为格网状数据点示意图；
图4为局部测点坡度计算示意图；
图5为位置处等效坡度计算示意图；
图6为区域6维梯度重力灯塔分布示意图；
图7为6维示例灯塔各自投影面积示意图；
图8为投影面积叠加示意图；
图9为照射范围分布图；
图10为照射范围位置示意图；
图11为照射范围筛选结果示意图；
图12为照射范围位置筛选结果示意图；
图13为维度权筛选示意图；
图14为本发明一种多维重力梯度灯塔信息描述潜器导航系统结构示意图。
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多维重力梯度灯塔信息描述潜器导航方法及系统，能快速锁定用于匹配的重力梯度灯塔，降低了导航定位时间。
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为本发明一种多维重力梯度灯塔信息描述潜器导航方法流程示意图，如图1所示，本发明所提供的一种多维重力梯度灯塔信息描述潜器导航方法，包括：
S101，利用惯性导航系统获取水下潜器的当前位置。
S102，根据所述当前位置确定出当前位置所在海域的重力梯度灯塔。
如图2所示，某梯度重力灯塔的位置(L，B：经度、纬度)指其所包含的各极值位置相对中心，用来计算其与潜器的距离。
设极值个数为n，极值经度为Li(i＝1,2,…,n)，纬度为Bi(i＝1,2,…,n)，则梯度重力灯塔的位置：
S103，获取当前位置所在海域的每一个重力梯度灯塔的灯塔照射范围；
S103具体包括：
利用预装海洋重力异常图获取每一个重力梯度灯塔在不同维度的投影面积；
将每一个重力梯度灯塔在不同维度的投影面积进行叠加；
根据叠加后的面积确定相应的重力梯度灯塔的灯塔照射范围。
其中，所述灯塔照射范围为6维重力梯度灯塔的公共投影面积Area。面积越大，说明该处的灯塔“照射范围”越大，用于匹配的底图信息越丰富，如图6所示。
如图6所示，Tyy中无对应重力梯度灯塔，首先整理出各个维度对应示例的梯度重力灯塔的投影面积，如图7所示；其次，将各维度对应示例灯塔投影进行叠加，该叠加面积即为公共投影面积。
叠加面积计算如下：
面积的计算方式跟梯度灯塔分辨率有关，首先计算单个分辨率(图2-6中网格)网格面积(如1′×1′分辨率，网格间距约等于1.8km，则网格面积为3.24km2)，再次统计格网个数(面积大于等于1/2格网的个数+1，面积小于1/2格网的个数+0)，累加在一起即为叠加面积，如图8所示。
为了使用方便，将灯塔照射范围的分布图进行存储，如图9所示。
S104，将灯塔照射范围大于等于灯塔照射范围筛选阈值的重力梯度灯塔进行保留，如图11所示；
S104之后还包括：
利用和公式/>确定所述保留后的重力梯度灯塔的照射范围位置，并如图10所示；
其中，Li，Bi(i＝1,2,…,n)为照射范围的轮廓线离散点坐标，(L，B)为照射范围位置，n为轮廓线离散点个数。
S105，根据保留后的重力梯度灯塔的照射范围位置与当前位置之间的距离，确定目标照射范围，如图12所示；所述目标照射范围为保留后的重力梯度灯塔的照射范围位置与当前位置之间的距离最短的照射范围；
S106，根据所述目标照射范围内的重力梯度灯塔的维度权确定目标重力梯度灯塔，如图13所示；所述维度权所述目标照射范围内的重力梯度灯塔的照射范围位置和当前位置之间的距离与重力梯度灯塔的坡度的比值；所述目标重力梯度灯塔为维度权大于等于维度权阈值的重力梯度灯塔；
维度权指某梯度灯塔坡度Ssum与该灯塔位置和惯导指示位置距离Len的比值WDfactor。某维度梯度重力灯塔的维度权越大，表明该处重力梯度灯塔在6个维度中的导航效果越好。
其中，坡度指位置处的等效坡度Ssum，坡度主要反映梯度重力经纬方向的变化程度，坡度越大灯塔越“明亮”，更适宜于梯度导航。
如图3所示，每个重力梯度灯塔都是由格网状数据点组成的；根据各测点梯度重力值ΔT计算局部测点的坡度S。以该局部测点为中心的四方格网各角点梯度重力值参与计算(如图4)，角点不全的局部测点不予计算。
经向坡度：
纬向坡度：
则该局部测点坡度Si,j为：
根据各局部测点的坡度计算“位置”处的等效坡度Ssum，并如图5所示。
Si,j：经度为Li,j，纬度为Bi,j处节点的坡度；
γi,j：反距离加权因子；
di,j：局部测点与“位置”的距离。
S106具体包括：
利用公式确定重力梯度灯塔的维度权；
其中，WDfactor为重力梯度灯塔的维度权，Ssum为重力梯度灯塔的坡度，Len为所述目标照射范围内的重力梯度灯塔的照射范围位置和当前位置之间的距离。
S107，利用所述目标重力梯度灯塔进行导航。
水下潜器在该照射范围上方采集梯度重力数据，完成后使用所选维度的采集值和预装重力梯度灯塔进行匹配(具体到前面示意过程，即Txx和Tzz维度采集数据和这两个维度的筛选灯塔进行匹配)，最终匹配结果为所有筛选维度匹配结果的平均位置。
以当前解算到的准确坐标(即上步平均位置)重置惯导系统，继续使用惯性导航系统进行导航。
图14为本发明一种多维重力梯度灯塔信息描述潜器导航系统结构示意图，如图14所示，本发明所提供的一种多维重力梯度灯塔信息描述潜器导航系统，包括：
当前位置获取模块1401，用于利用惯性导航系统获取水下潜器的当前位置；
重力梯度灯塔确定模块1402，用于根据所述当前位置确定出当前位置所在海域的重力梯度灯塔；
灯塔照射范围确定模块1403，用于获取当前位置所在海域的每一个重力梯度灯塔的灯塔照射范围；
重力梯度灯塔筛选模块1404，用于将灯塔照射范围大于等于灯塔照射范围筛选阈值的重力梯度灯塔进行保留；
目标照射范围确定模块1405，用于根据保留后的重力梯度灯塔的照射范围位置与当前位置之间的距离，确定目标照射范围；所述目标照射范围为保留后的重力梯度灯塔的照射范围位置与当前位置之间的距离最短的照射范围；
目标重力梯度灯塔确定模块1406，用于根据所述目标照射范围内的重力梯度灯塔的维度权确定目标重力梯度灯塔；所述维度权所述目标照射范围内的重力梯度灯塔的照射范围位置和当前位置之间的距离与重力梯度灯塔的坡度的比值；所述目标重力梯度灯塔为维度权大于等于维度权阈值的重力梯度灯塔；
导航模块1407，用于利用所述目标重力梯度灯塔进行导航。
所述灯塔照射范围确定模块1403具体包括：
投影面积获取单元，用于利用预装海洋重力异常图获取每一个重力梯度灯塔在不同维度的投影面积；
投影面积叠加单元，用于将每一个重力梯度灯塔在不同维度的投影面积进行叠加；
灯塔照射范围确定单元，用于根据叠加后的面积确定相应的重力梯度灯塔的灯塔照射范围。
本发明所提供的一种多维重力梯度灯塔信息描述潜器导航系统，还包括：
照射范围位置确定模块，用于利用和公式/>确定所述保留后的重力梯度灯塔的照射范围位置；
其中，Li，Bi(i＝1,2,…,n)为照射范围的轮廓线离散点坐标，(L，B)为照射范围位置，n为轮廓线离散点个数。
所述目标重力梯度灯塔确定模块1406具体包括：
维度权确定单元，用于利用公式确定重力梯度灯塔的维度权；
其中，WDfactor为重力梯度灯塔的维度权，Ssum为重力梯度灯塔的坡度，Len为所述目标照射范围内的重力梯度灯塔的照射范围位置和当前位置之间的距离。
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)

1.一种多维重力梯度灯塔信息描述潜器导航方法，其特征在于，包括：
利用惯性导航系统获取水下潜器的当前位置；
根据所述当前位置确定出当前位置所在海域的重力梯度灯塔；
获取当前位置所在海域的每一个重力梯度灯塔的灯塔照射范围；
将灯塔照射范围大于等于灯塔照射范围筛选阈值的重力梯度灯塔进行保留；
根据保留后的重力梯度灯塔的照射范围位置与当前位置之间的距离，确定目标照射范围；所述目标照射范围为保留后的重力梯度灯塔的照射范围位置与当前位置之间的距离最短的照射范围；
根据所述目标照射范围内的重力梯度灯塔的维度权确定目标重力梯度灯塔；所述维度权为所述目标照射范围内的重力梯度灯塔的照射范围位置和当前位置之间的距离与重力梯度灯塔的坡度的比值；所述目标重力梯度灯塔为维度权大于等于维度权阈值的重力梯度灯塔；
利用所述目标重力梯度灯塔进行导航。
2.根据权利要求1所述的一种多维重力梯度灯塔信息描述潜器导航方法，其特征在于，所述获取当前位置所在海域的每一个重力梯度灯塔的灯塔照射范围，具体包括：
利用预装海洋重力异常图获取每一个重力梯度灯塔在不同维度的投影面积；
将每一个重力梯度灯塔在不同维度的投影面积进行叠加；
根据叠加后的面积确定相应的重力梯度灯塔的灯塔照射范围。
3.根据权利要求1所述的一种多维重力梯度灯塔信息描述潜器导航方法，其特征在于，所述将灯塔照射范围大于等于灯塔照射范围筛选阈值的重力梯度灯塔进行保留，之后还包括：
利用和公式/>确定所述保留后的重力梯度灯塔的照射范围位置；
其中，Li，Bi(i＝1,2,…,n)为照射范围的轮廓线离散点坐标，(L，B)为照射范围位置，n为轮廓线离散点个数。
4.根据权利要求1所述的一种多维重力梯度灯塔信息描述潜器导航方法，其特征在于，所述根据所述目标照射范围内的重力梯度灯塔的维度权确定目标重力梯度灯塔，具体包括：
利用公式确定重力梯度灯塔的维度权；
其中，WDfactor为重力梯度灯塔的维度权，Ssum为重力梯度灯塔的坡度，Len为所述目标照射范围内的重力梯度灯塔的照射范围位置和当前位置之间的距离。
5.一种多维重力梯度灯塔信息描述潜器导航系统，其特征在于，包括：
当前位置获取模块，用于利用惯性导航系统获取水下潜器的当前位置；
重力梯度灯塔确定模块，用于根据所述当前位置确定出当前位置所在海域的重力梯度灯塔；
灯塔照射范围确定模块，用于获取当前位置所在海域的每一个重力梯度灯塔的灯塔照射范围；
重力梯度灯塔筛选模块，用于将灯塔照射范围大于等于灯塔照射范围筛选阈值的重力梯度灯塔进行保留；
目标照射范围确定模块，用于根据保留后的重力梯度灯塔的照射范围位置与当前位置之间的距离，确定目标照射范围；所述目标照射范围为保留后的重力梯度灯塔的照射范围位置与当前位置之间的距离最短的照射范围；
目标重力梯度灯塔确定模块，用于根据所述目标照射范围内的重力梯度灯塔的维度权确定目标重力梯度灯塔；所述维度权为所述目标照射范围内的重力梯度灯塔的照射范围位置和当前位置之间的距离与重力梯度灯塔的坡度的比值；所述目标重力梯度灯塔为维度权大于等于维度权阈值的重力梯度灯塔；
导航模块，用于利用所述目标重力梯度灯塔进行导航。
6.根据权利要求5所述的一种多维重力梯度灯塔信息描述潜器导航系统，其特征在于，所述灯塔照射范围确定模块具体包括：
投影面积获取单元，用于利用预装海洋重力异常图获取每一个重力梯度灯塔在不同维度的投影面积；
投影面积叠加单元，用于将每一个重力梯度灯塔在不同维度的投影面积进行叠加；
灯塔照射范围确定单元，用于根据叠加后的面积确定相应的重力梯度灯塔的灯塔照射范围。
7.根据权利要求5所述的一种多维重力梯度灯塔信息描述潜器导航系统，其特征在于，还包括：
照射范围位置确定模块，用于利用和公式/>确定所述保留后的重力梯度灯塔的照射范围位置；
其中，Li，Bi(i＝1,2,…,n)为照射范围的轮廓线离散点坐标，(L，B)为照射范围位置，n为轮廓线离散点个数。
8.根据权利要求5所述的一种多维重力梯度灯塔信息描述潜器导航系统，其特征在于，所述目标重力梯度灯塔确定模块具体包括：
维度权确定单元，用于利用公式确定重力梯度灯塔的维度权；
其中，WDfactor为重力梯度灯塔的维度权，Ssum为重力梯度灯塔的坡度，Len为所述目标照射范围内的重力梯度灯塔的照射范围位置和当前位置之间的距离。
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