CN114136320B - 基于特征互补特性的海洋多物理场参数特征定位融合方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于特征互补特性的海洋多物理场参数特征定位融合方法，步骤为：1)在n个海洋物理场参数中，根据参数特征误差带选择出所有具备特征定位融合条件的参数；2)：m个参数进行特征定位融合，获取海洋多物理场参数匹配位置lo；3)：若步骤1)确定的m个具备特征定位融合条件参数中有k个参数的特征误差带具有明显带状分布形式，k>1，且这k个参数特征误差带的交集与R相等，则采用自由方向组合方法获取海洋多物理场参数匹配位置lo。本发明充分利用海洋重力场、海洋地磁场、海底水深等多物理场参数特征之间存在的互补特性实现海洋多物理场参数特征定位融合，与单一参数匹配定位相比具有更好的定位精度、可靠性和适用性。

Description

基于特征互补特性的海洋多物理场参数特征定位融合方法

技术领域

本发明属于深远海平台水下自主导航技术领域，特别涉及一种基于特征互补特性的海洋海洋多物理场参数特征定位融合方法。

背景技术

海洋物理场包括海洋重力场、海底地形、海洋地磁场，海洋物理场与地理位置具有强相关性，是天然的导航参考资源。海洋物理场导航是水下导航体系建设的重要增量手段，是未来水下导航技术发展的一个重要方向。

地球重力场分布于地球表面及其临近空间，海底地形起伏，地质构造和矿产分布导致的海底密度分布不均匀均可引起重力场异常。地球和周围空间之间存在磁场，海洋中广泛存在的岩浆岩、火山岩、变质岩的分布及其几何展布会引起海洋地磁场分布异常。海底地形是指海水覆盖之下的固体地球表面形态，大洋中地形复杂，水深变化多端，包括绵长的海岭及横向断裂带、高耸的海山、起伏的海丘、深邃的海沟等等。

综上海洋重力场、海洋地磁场和海底地形均具备特征定位的条件，但受限于测量手段发展水平，在可用性和精度方面有所不足。由于海洋重力场、海洋地磁场和海底地形的成因有明显区别，其特征形态以及定位能力也必然有所不同。本文提出了一种利用区域海洋重力场、地磁场和海底地形特征互补特性的海洋多物理场参数特征定位融合方法。

发明内容

本发明的目的在于克服单一海洋多物理场参数特征匹配定位技术的不足，充分利用海洋重力场、海洋地磁场、海底水深等多物理场参数特征之间存在的互补特性，提出一种海洋多物理场参数特征定位融合方法，与单一参数匹配定位相比具有更好的定位精度、可靠性和适用性。

本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：

一种基于特征互补特性的海洋多物理场参数特征定位融合方法，其特征在于：其包括如下步骤：

1)在n个海洋物理场参数中，根据参数特征误差带选择出所有具备特征定位融合条件的参数：

①载体沿某个方向航行进入特征区域，首先计算n个参数在该特征区匹配定位的特征误差带：计算区域中心处航迹背景图值与周围各点处航迹背景图值差值标准差，差值标准差小于k倍该参数测量误差的位置点组成的集合即为该参数的特征误差带，k取1.5-2，计算这n个参数在该特征区域的特征误差带，记为R_i(i＝1，…，n)，R为n个参数特征误差带的交集，即R＝R₁∩…∩R_n；

②对于其中参数X，R^X为除参数X外其它n-1个参数的特征误差带的交集，若R是R^X的真子集，则参数X具备特征定位融合的条件，选择出所有具备特征定位融合条件的参数，假设共m个，记为X_i，i＝1,2,…,m，假设R中有h个位置点，记为r_j，j＝1,2,…,h；

2)：m个参数进行特征定位融合，获取海洋多物理场参数匹配位置lo：

对于参数X_i，载体沿某个方向航行进入特征区域，通过该参数测量传感器获取航迹上测量信息X_i，计算X_i与R中所有位置点r_j，j＝1,2,…,h处航迹背景图信息Y_j差值的标准差，记为δ_ij；参数X_i的测量误差水平记为σ_i；对于位置点r_j，计算val_j＝(δ_1j/σ₁+δ_2j/σ₂+…+δ_mj/σ_m)/m，R中使val_j最小的位置点即为海洋多物理场参数匹配位置lo；

3)：若步骤1)确定的m个具备特征定位融合条件参数中有k个参数的特征误差带具有明显带状分布形式，k>1，且这k个参数特征误差带的交集与R相等，则采用自由方向组合方法获取海洋多物理场参数匹配位置lo，k个参数记为Z_i，i＝1，…，k。

而且，所述海洋物理场参数包括海洋重力场、地磁场的各种参数以及海底水深参数等。

而且，所述步骤3)采用自由方向组合方法确定匹配位置lo的步骤为：

①确定参数Zi，i＝1,2,…,k的定位误差最小方向g_i和自由方向t_i，参数Z_i的自由方向t_i为该参数特征误差带带状延伸的方向，定位误差最小方向g_i为自由方向t_i的垂向。

②载体沿某个方向航行进入特征区域，根据参数Z_i的航迹测量信息和背景图信息获取其特征匹配位置w_i，i＝1，…，k；

③根据Z_i参数特征匹配位置w_i，在平面坐标系中标出对应点W_i，i＝1，…，k，过点W_i沿其自由方向t_i作直线，共作k条直线，形成d个交点；连接所有可能的交点形成凸多边形，所有交点或是凸多边形顶点，或在凸多边形内部，凸多边形的内切圆心O位置即为匹配位置lo，或当k条直线相交于1点时，该点位置即为匹配位置lo。

本发明的优点和有益效果为：

本发明的基于特征互补特性的海洋多物理场参数特征定位融合方法，充分利用海洋多物理场参数特征之间存在的互补特性，有效将其定位优势融合，获取比单一参数特征定位精度更高的匹配位置，提升了海洋物理场特征匹配定位的精度和效率。

附图说明

图1为本发明的k＝3时自由方向组合法搜索匹配位置示意图；

图2a为磁总场异常背景图三维图；

图2b为水深背景图三维图；

图2c为重力异常背景图三维图；

图3a为磁总场异常背景图等值线与待定位区域示意图；

图3b为水深背景图等值线与待定位区域示意图；

图4为磁总场异常、水深、重力异常特征误差带对比图；

图5a为仿真的水深测量信息一；

图5b为仿真的磁总场异常测量信息一；

图6a为仿真的水深测量信息二；

图6b为仿真的磁总场异常测量信息二；

图7a为仿真的水深测量信息三；

图7b为仿真的磁总场异常测量信息三；

图8为第一次磁总场异常、水深特征匹配位置和多物理场参数定位融合位置图；

图9为第二次磁总场异常、水深特征匹配位置和多物理场参数定位融合位置图；

图10为第三次磁总场异常、水深特征匹配位置和多物理场参数定位融合位置图；

图11a为实施例二区域磁总场异常背景图三维图；

图11b为实施例二区域水深背景图三维图；

图11c为实施例二区域重力异常背景图三维图；

图12a为实施例二磁总场异常背景图等值线与待定位区域；

图12b为实施例二水深背景图等值线与待定位区域；

图13为实施例二磁总场异常、水深、重力异常特征误差带对比图；

图14a为实施例二仿真的水深测量信息一；

图14b为实施例二仿真的磁总场异常测量信息一；

图15a为实施例二仿真的水深测量信息二；

图15b为实施例二仿真的磁总场异常测量信息二；

图16a为实施例二仿真的水深测量信息三；

图16b为实施例二仿真的磁总场异常测量信息三；

图17为第一次磁总场异常、水深特征匹配位置和自由组合方法位置图；

图18为第二次磁总场异常、水深特征匹配位置和自由组合方法位置图；

图19为第三次磁总场异常、水深特征匹配位置和自由组合方法位置图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

实施例1

一种基于特征互补特性的海洋多物理场参数特征定位融合方法，包括如下步骤：

1)在n个海洋物理场参数中，根据参数特征误差带选择出所有具备特征定位融合条件的参数，海洋物理场参数包括海洋重力场、地磁场的各种参数以及海底水深参数等。本实施例中采用在地磁总场异常、水深、重力异常三个海洋物理场参数中，根据参数特征误差带选择出所有具备特征定位融合条件的参数，该三个海洋物理场参数的背景图如图2a、图2b、图2c所示；

①载体沿某个方向航行进入特征区域F，如图3a，图3b所示，首先计算3个参数在该特征区匹配定位的特征误差带，参数在该特征区域的特征误差带计算方法是：计算区域中心处航迹背景图值与周围各点处航迹背景图值差值标准差，差值标准差小于k倍该参数测量误差的位置点组成的集合即为该参数的特征误差带，k取1.5-2，本实施例取1.5，地磁总场异常、水深、重力异常特征误差带计算结果见图4。计算这3个参数在该特征区域的特征误差带，记为R_i，i＝1,2,3，R为3个参数特征误差带的交集，即R＝R₁∩…∩R_n；

②对于其中参数X，R^X为除参数X外其它n-1个参数的特征误差带的交集，若R是R^X的真子集，则参数X具备特征定位融合的条件，选择出所有具备特征定位融合条件的参数，假设共m个，记为X_i，i＝1,2,…,m，假设R中有h个位置点，记为r_j，j＝1,2,…,h。本实施例中，对于磁总场异常和水深参数，R是除该参数以外的其它2个参数的特征误差带交集的真子集，磁总场异常和水深参数具备特征定位融合的条件记为X₁，X₂。R中有h个位置点，记为r_j，j＝1,2,…,h。

2)：m个参数进行特征定位融合，获取海洋多物理场参数匹配位置lo：

对于参数X_i，载体沿某个方向航行进入特征区域，通过该参数测量传感器获取航迹上测量信息X_i，计算X_i与R中所有位置点r_j，j＝1,2,…,h处航迹背景图信息Y_j差值的标准差，记为δ_ij；参数X_i的测量误差水平记为σ_i；对于位置点r_j，计算val_j＝(δ_1j/σ₁+δ_2j/σ₂+…+δ_mj/σ_m)/m，R中使val_j最小的位置点即为海洋多物理场参数匹配位置lo；

仿真了3种误差情况的磁总场异常和水深参数测量信息，如图5a、图5b、图6a、图6b、图7a、图7b所示。获得了3种测量信息对应的海洋多物理场参数匹配位置lo，以及为了对比，同时获得了磁总场异常特征匹配位置Pm和水深特征匹配位置Pd，如图8、图9、图10所示。磁总场异常特征匹配位置、水深特征匹配位置和多物理场参数定位融合位置误差如表1所示，多物理场参数定位融合位置误差小于磁总场异常特征匹配位置和水深特征匹配位置误差，验证了多物理场参数定位融合方法的有效性。

表1 3次磁总场异常、水深特征匹配位置和多物理场参数定位融合位置误差

实施例2

步骤1)、2)同于实施例1，本实施例三个海洋物理场参数的背景图如图11a、图11b、图11c所示。

步骤3)为：若步骤1)确定的m个具备特征定位融合条件参数中有k个参数的特征误差带具有明显带状分布形式，k>1，且这k个参数特征误差带的交集与R相等，则采用自由方向组合方法获取海洋多物理场参数匹配位置lo，k个参数记为Z_i，i＝1，…，k。

本实施例中步骤1)确定的2个具备特征定位融合条件参数中有2个参数的特征误差带具有明显带状分布形式，且这2个参数特征误差带的交集与R相等，则可以采用一种更为简单直观的方法即自由方向组合方法获取海洋多物理场参数匹配位置lo。2个参数记为Z_i，i＝1,2，其中Z₁为水深参数，Z₂为磁总场异常参数。

采用自由方向组合方法确定匹配位置lo的步骤为：

①确定参数Z1、Z2的定位误差最小方向g_i和自由方向t_i，参数Zi的自由方向t_i为该参数特征误差带带状延伸的方向，定位误差最小方向g_i为自由方向t_i的垂向，如图13所示。

②载体沿某个方向航行进入特征区域，如图12a、图12b所示，根据参数Z1、Z2的航迹测量信息和背景图信息获取其特征匹配位置w₁，w₂，仿真了3种误差情况的磁总场异常和水深参数测量信息，如图14a、图14b、图15a、图15b、图16a、图16b所示，分别获得了每种情况对应的磁总场异常和水深参数特征匹配位置。

③根据Z_i参数特征匹配位置w_i，在平面坐标系中标出对应点W_i，i＝1，…，k，过点W_i沿其自由方向t_i作直线，共作k条直线，形成d个交点；连接所有可能的交点形成凸多边形，所有交点或是凸多边形顶点，或在凸多边形内部，凸多边形的内切圆心O位置即为匹配位置lo，或当k条直线相交于1点时，该点位置即为匹配位置lo。

③根据Z_i参数特征匹配位置w₁，w₂，在平面坐标系中标出对应点W₁，W₂。过点W₁沿其自由方向t₁作直线，过点W₂沿其自由方向t₂作直线，共作2条直线，交于一点，即为匹配位置lo。3种测量误差情况对应的自由方向组合方法如图17、18、19所示。磁总场异常特征匹配位置、水深特征匹配位置和自由方向组合方法位置误差如表2所示，自由方向组合方法位置误差小于磁总场异常特征匹配位置和水深特征匹配位置误差，验证了自由方向组合方法的有效性。

表2 3次仿真水深特征、磁总场异常匹配位置和自由方向组合位置误差

尽管为说明目的公开的本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解，在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (2)

1.一种基于特征互补特性的海洋多物理场参数特征定位融合方法，其特征在于：其包括如下步骤：

1）在n个海洋物理场参数中，根据参数特征误差带选择出所有具备特征定位融合条件的参数：①载体沿某个方向航行进入特征区域，首先计算n个参数在该特征区匹配定位的特征误差带：计算区域中心处航迹背景图值与周围各点处航迹背景图值差值标准差，差值标准差小于k倍该参数测量误差的位置点组成的集合即为该参数的特征误差带，k取1.5-2，计算这n个参数在该特征区域的特征误差带，记为R_i(i=1,…，n)，R为n个参数特征误差带的交集，即R=R₁∩…∩Rn；②对于其中参数X，R^X为除参数X外其它n-1个参数的特征误差带的交集，若R是R^X的真子集，则参数X具备特征定位融合的条件，选择出所有具备特征定位融合条件的参数，假设共m个，记为X_i，i=1,2,…,m，假设R中有h个位置点，记为r_j，j=1,2,…,h；2）：m个参数进行特征定位融合，获取海洋多物理场参数匹配位置lo：对于参数X_i，载体沿某个方向航行进入特征区域，通过该参数测量传感器获取航迹上测量信息的参数X_i，计算X_i与R中所有位置点r_j，j=1,2,…,h处航迹背景图信息Y_j差值的标准差，记为δ_ij；参数X_i的测量误差水平记为σ_i；对于位置点r_j，计算val_j=(δ_1j/σ₁+δ_2j/σ₂+…+δ_mj/σ_m)/m，R中使val_j最小的位置点即为海洋多物理场参数匹配位置lo；3)：若步骤1）确定的m个具备特征定位融合条件参数中有k个参数的特征误差带具有明显带状分布形式，k>1，且这k个参数特征误差带的交集与R相等，则采用自由方向组合方法获取海洋多物理场参数匹配位置lo，k个参数记为Z_i，

所述步骤3）采用自由方向组合方法确定匹配位置lo的步骤为：①确定参数Zi，i=1,2,…,k的定位误差最小方向g_i和自由方向t_i，参数Z_i的自由方向/>

为该参数特征误差带带状延伸的方向，定位误差最小方向g_i为自由方向t_i的垂向；②载体沿某个方向航行进入特征区域，根据参数Z_i的航迹测量信息和背景图信息获取其特征匹配位置w_i，i=1,…k；③根据Z_i参数特征匹配位置w_i，在平面坐标系中标出对应点W_i，i=1,…k，过点W_i沿其自由方向t_i作直线，共作k条直线，形成d个交点；连接所有可能的交点形成凸多边形，所有交点或是凸多边形顶点，或在凸多边形内部，凸多边形的内切圆心O位置即为匹配位置lo，或当k条直线相交于1点时，该点位置即为匹配位置lo。

2.根据权利要求1所述基于特征互补特性的海洋多物理场参数特征定位融合方法，其特征在于：所述海洋物理场参数包括海洋重力场、地磁场的各种参数以及海底水深参数。

Images