CN114152258B - 基于地球物理/几何特征的海洋多场多参数定位融合方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于地球物理/几何特征的海洋多场多参数定位融合方法，其包括如下步骤：1)运载体航行至特征区域获取航迹上多场多参数测量信息；2)基于多场多参数信息在海洋中实际特征分布情况和测量的误差特性，利用几到几十公里变化尺度的多场多参数特征进行匹配定位，获得匹配位置；3)基于多场多参数信息在几公里之内变化尺度的高频特征，利用高频特征信息，在已获得的匹配位置附近区域，进行二次匹配定位，并用二次匹配定位的匹配位置更新步骤2)的匹配位置，作为最终的匹配位置。本发明充分利用海洋重、磁场和海底地形之间存在的同源特征、互补特征，实现特征加强和特征互补，与单一场定位相比显著提升特征定位的可用性和精度水平。

Description

基于地球物理/几何特征的海洋多场多参数定位融合方法

技术领域

本发明属于深远海平台水下自主导航技术领域，特别涉及一种基于地球物理/几何特征的海洋多场多参数定位融合方法。

背景技术

深远海水下导航手段匮乏，卫导、无线电等导航手段水下应用受限，惯性导航以其“自主、连续、实时、全天候”和具有提供“多种导航参量”的特质，成为水下导航的最佳选择。惯性导航本质上是一种舰位推算导航，存在着定位误差随时间积累发散的固有特性，累积误差的校正是水下长时间导航必须解决的瓶颈问题。

海洋里普遍存在着不同程度的重力和地磁异常分布，海底地形也存在一定的起伏，海洋物理/几何场特征导航以重磁场和海底地形等可测量参数空间分布的明显变化为前提，通过实时测量载体位置的物理场信息，与先验环境物理场背景图匹配，实现载体位置的精确估计。为了弥补惯性导航的不足，亟待发展这种利用地球固有物理/几何场源信息的自主、无源、精确导航技术。

重、磁场是矢量物理场，重力场包括重力异常、垂线偏差、重力梯度等多个参数，地磁场包括总场、三分量、磁倾角、磁偏角等多个参数，每个参数的分布特性有所差异，目前研究主要集中在单一场单一参数匹配定位方法研究，鲜少涉及多场多参数融合定位方法的研究。但单一重力、地磁或地形特征匹配定位手段在全球海域的可用性及精度受其特征分布特性和测量技术局限性的影响，难以满足深远海水下条件对物理场特征定位的需求。运载体在深远海水下航行时，时时处处在重磁物理场作用之下，并可通过声学手段探测海底深度等信息，即对在地球海洋内部航行的水下载体而言，重、磁场和海底地形共同构成了基于地球物理/几何特性的时间稳定的环境特征。因此本文提出了一种基于地球物理/几何环境特征的海洋多场多参数定位融合方法和方案，综合使用多场多参数特征进行匹配定位，相对于单一场单一参数匹配定位，可有效提升物理/几何场特征定位导航的全海域可用性和精度水平。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于地球物理/几何特征的海洋多场多参数定位融合方法，充分利用海洋重、磁场和海底地形之间存在的同源特征、互补特征，实现特征加强和特征互补，与单一场定位相比显著提升特征定位的可用性和精度水平。

本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：

一种基于地球物理/几何特征的海洋多场多参数定位融合方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)运载体航行至特征区域获取航迹上多场多参数测量信息；

2)基于多场多参数信息在海洋中实际特征分布情况和测量的误差特性，利用几到几十公里变化尺度的多场多参数特征进行匹配定位，获得匹配位置：

A对多场多参数背景图和测量信息进行一致性处理；

B对同源特征参数进行信息融合生成融合场，用融合场取代原同源特征参数；

C判断区域特征强弱：

如果定位区域存在一个或多个参数具有较强的特征，则在所有参数中，基于参数特征误差带选择相应参数，使用多物理场参数特征定位融合方法求解匹配位置；

D判断区域特征强弱：

如果定位区域存在的参数特征均较弱，利用多场多参数特征融合定位方法求解匹配位置；

3)基于多场多参数信息在几公里之内变化尺度的高频特征，利用高频特征信息，在已获得的匹配位置附近区域，进行二次匹配定位，并用二次匹配定位的匹配位置更新步骤2)的匹配位置，作为最终的匹配位置；

4)通过比对绝对测量精度高的参数测量值和背景图值符合度评估匹配位置的可靠性和精度；

5)基于匹配位置背景图值校准存在长期漂移测量误差的参数长期漂移误差，提升测量精度。

而且，所述步骤2)B中对同源特征参数进行信息融合生成融合场的具体步骤为：

①在多场多参数中判断是否存在同源特征参数：

分析参数特征产生主要原因是否相同，特征产生的主要原因相同，等值线形状类似的参数即为同源特征参数；观察参数背景图等值线形状是否相似；找到存在具有同源特征的两个海洋物理场参数X、Y；

②判别具有同源特征的两个海洋物理场参数X、Y是否具备信息融合生成融合场R条件：

两个海洋物理场参数X、Y区域特征强度分别为E_x和E_y，预期测量误差水平分别为σ_x和σ_y，定义参数预期测量误差水平与特征强度比值为误差特征比，参数X、Y的误差特征比分别为σ_x/E_x、σ_y/E_y，误差特征比越小，该参数特征匹配定位精度越高；

选择误差特征比较小的参数为基础参数，如果相等则任选一个参数，则另一个为被融合参数，假设σ_x/E_x<σ_y/E_y，则参数X为基础参数，参数Y为被融合参数。计算被融合参数Y和基础参数X的误差特征比的比值ξ，即

ξ＝σ_y/E_y/σ_x/E_x

ξ直接决定了融合场R相对于参数X、Y的特征增强效果，根据ξ值判别参数X、Y是否具备生成融合场的条件，一般的，当ξ＜2.06时，判定参数X、Y具备信息融合生成融合场R的条件，此时可保证融合场R的误差特征比下降至基础参数X特征误差比的90％以下；

③确定参数X、Y信息融合的融合系数：

基础参数X融合系数取1，被融合参数Y的融合系数e。被融合参数Y与基础参数X区域特征强度比值K＝E_y/E_x，测量误差比值μ＝σ_y/σ_x，K取决于参数X、Y区域实际分布特性，μ取决于参数X、Y预期测量误差水平，则融合场R的误差特征比为：

式中

定义S为融合场R的特征增强系数，S反映了融合场相比于基础参数的特征增强效果，S越小融合场R特征增加效果越好，S视为e的函数时，记为S(e)，被融合参数Y的融合系数e需满足

即e＝K/μ²；

④生成融合场R的区域背景图T和测量信息M：

将参数X、Y区域背景图信息T_x、T_y融合，获得融合场R的区域背景图T＝T_x+eT_y；依据载体航迹上参数X、Y测量信息M_x和M_y，计算得到融合场R的航迹测量信息M，M＝M_x+eM_y；

⑤基于特征误差带评估检验融合场R相对于参数X、Y的匹配定位性能提升效果：计算融合场R和参数X、Y的特征误差带，如果融合场R特征误差带覆盖范围小于参数X、Y的特征误差带，则融合场R匹配定位性能优于参数X、Y。

而且，所述步骤2)C中多物理场参数特征定位融合方法的步骤为：

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：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，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，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。

②m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：首先计算m个参数的定位误差带，求取m个参数定位误差带的交集，记为R1。对于参数X_i，通过该参数测量传感器获取载体航迹上测量信息X_i，计算X_i与R1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的预期测量误差水平为σ_i，对于位置点r_j，计算val_j＝(δ_1j/σ₁+δ_2j/σ₂+…+δ_mj/σ_m)/m，R1中val_j最小的位置点即为海洋多物理场参数匹配位置lo。

而且，所述步骤2)D中多物理场参数特征融合定位方法的步骤为：

①根据区域特征，设计航迹构型，即航迹可由时间上不连续的若干片段组成，如"Z”、“+”等构型形式，假设航迹共有r个片段组成；

②假设有n个物理场参数参与定位，对于第i片段，根据该片段上n个参数的测量信息m_j和预期测量误差水平σ_j,j＝1,2..,n，建立该片段的测量矩阵M_i：

r个片段组成航迹测量矩阵M

M＝[M₁；…；M_r]

③根据航迹空间构型向量，在n个参数背景图中分别提取第i个可能位置点处航迹背景图信息，形成多参数背景图特征信息矩阵P_i

其中P_ij为第j个物理场参数在第i个可能位置处对应航迹背景图值。N为可能位置点的总数，多参数背景图特征信息矩阵集P＝{P_i丨i＝1,2，…，N}；

④根据航迹测量矩阵M和多参数背景图特征信息矩阵集P获得匹配位置lo：计算M与P中元素P_i之间的差异矩阵D_i，D_i元素为M与P_i中相应元素差值的函数，一般可取差值的平方函数。令向量S为与航迹空间构型向量长度相同，元素均为1的列向量，则测量矩阵M与第i个可能位置特征矩阵P_i的匹配值q_i＝S^TD_iS，矩阵集P中与航迹测量矩阵M匹配值最小的位置即为匹配位置lo。

而且，所述步骤4)的具体步骤为：

选择长期绝对测量精度最高的参数X，参数X匹配位置处航迹背景图信息和测量信息均值分别为A_x和A'_x，参数X绝对测量误差水平为e_x，如果

|A_x-A′_x|≤e_x

则多场多参数特征匹配位置准确可靠。

而且，所述步骤5)的具体步骤为：对于存在长期漂移的参数Y，参数Y在匹配位置处航迹背景图信息和测量信息均值分别为A_y和A'_y，则其长期漂移误差e_y＝A_y-A'_y，将参数Y测量信息中补偿长期漂移误差e_y后完成参数Y长期漂移校准。

而且，所述多场多参数是指海洋重力场重力异常、垂线偏差、重力梯度分量参数等，海洋地磁场总场异常、三分量、磁偏角、磁倾角、磁梯度分量参数等以及海底水深参数。

本发明的优点和有益效果为：

本发明的基于地球物理/几何特征的海洋多场多参数定位融合方法，重力、地磁场是地球的矢量物理场，海底地形是地球的几何属性，均属于地球固有特性，海洋中重力、地磁场和海底地形均存在起伏变化，其变化特征是天然的导航参考，但单一场单一参数的匹配定位精度受限于其特征分布强度和测量特性，本发明从重力场、地磁场、海底地形特征成因和分布形态关联特性出发，提出了基于地球物理/几何特征的海洋多场多参数定位融合方法，综合应用多个参数特征实现了特征加强和互补，从而显著提升了特征匹配定位的区域可用性、可靠性和精度水平，对满足深远海水下导航需求具有重要意义。

附图说明

图1是本发明的方法流程图；

图2a是统一格网分辨率的某区域地磁总场异常背景图；

图2b是统一格网分辨率的某区域重力异常背景图；

图2c是统一格网分辨率的某区域水深背景图；

图3a是某区域地磁总场异常背景图等值线；

图3b是某区域重力异常背景图等值线；

图3c是某区域水深背景图等值线；

图4是某区域水深和重力异常融合场的背景图等值线与载体航迹图；

图5a是仿真的航迹水深测量信息；

图5b是仿真的航迹重力异常测量信息；

图5c是计算的航迹水深和重力异常融合场测量信息；

图5d是仿真的航迹地磁总场异常测量信息；

图6是水深、重力异常及其融合场的特征误差带分布图；

图7是地磁总场异常、融合场的特征误差带分布图；

图8是地磁总场异常、融合场的定位误差带及其交集R1示意图；

图9是地磁总场异常、融合场匹配位置及其定位融合位置示意图；

图10是地磁总场异常、重力异常、水深、融合场匹配位置以及地磁总场异常和融合场定位融合位置示意图。

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。

一种基于地球物理/几何特征的海洋多场多参数定位融合方法，其包括如下步骤，参见图1的方法流程图：

1)运载体航行至特征区域获取航迹上多场多参数测量信息；海洋多场多参数特征匹配定位过程是载体航行至特征区域，利用航迹上多场多参数测量信息，与特征区域及周围先验背景图特征匹配确定载体在该特征区域的精确位置。

2)基于多场多参数在海洋中实际特征分布情况和测量的误差特性，基于几到几十公里变化尺度的多场多参数特征进行匹配定位，获得匹配位置：

A对多场多参数背景图和测量信息进行一致性处理；通过滤波处理滤除信息中相对于几到几十公里特征变化尺度的高频变化部分，利用范克里金等插值方法统一多场多参数背景图的格网分辨率。

本实施例中某区域进行插值处理后获得的统一格网分辨率的地磁总场异常场、重力异常、水深背景图如图2a、图2b、图2c所示。

B对同源特征参数进行信息融合生成融合场，用融合场取代原同源特征参数，基于特征误差带评估融合场特征增强的效果，通过评估后代替被融合的参数，进行下一步的多物理场参数特征定位融合或多物理场参数特征融合定位。相对于被融合的参数，融合场具有更低的测量误差与特征强度比，从而具有更好的特征四配定位性能。

生成融合场具体步骤为：

①在多场多参数中判断是否存在同源特征参数：一是分析参数特征产生主要原因是否相同，二是观察参数背景图等值线形状是否相似。特征产生的主要原因相同，等值线形状类似的参数即为同源特征参数。例如某些区域主要受海底起伏影响产生的重力异常和水深，或某些区域主要受密度和磁性同时发生变化的地壳物质影响产生的重力异常和磁场异常等。假设存在具有同源特征的两个海洋物理场参数X、Y。

本实施例中地磁总场异常、重力异常和水深参数的背景场等值线如图3a、图3b、图3c所示，其中水深和重力异常参数等值线形状相似，经分析区域重力异常变化主要是由海底地形凸起造成，水深和重力异常参数属于同源特征参数。

②判别具有同源特征的两个海洋物理场参数X、Y是否具备信息融合生成融合场R条件：

两个海洋物理场参数X、Y区域特征强度分别为E_x和E_y，预期测量误差水平分别为σ_x和σ_y，定义参数预期测量误差水平与特征强度比值为误差特征比，参数X、Y的误差特征比分别为σ_x/E_x、σ_y/E_y。误差特征比越小，该参数特征匹配定位精度越高。选择误差特征比较小的参数为基础参数，如果相等则任选一个参数，则另一个为被融合参数，假设σ_x/E_x<σ_y/E_y，则参数X为基础参数，参数Y为被融合参数。计算被融合参数Y和基础参数X的误差特征比的比值ξ，即

ξ＝σ_y/E_y/σ/E_x

ξ直接决定了融合场R相对于参数X、Y的特征增强效果，根据ξ值判别参数X、Y是否具备生成融合场的条件，一般的，当ξ＜2.06时，判定参数X、Y具备信息融合生成融合场R的条件。此时可保证融合场R的误差特征比下降至基础参数X特征误差比的90％以下。

本实施例中水深和重力异常是同源特征参数，水深为参数X，重力异常为参数Y，区域水深特征强度为E_x＝1800m，重力异常特征强度为E_y＝70mGal。水深预期测量误差水平σ_x＝70m，重力异常预期测量误差水平σ_y＝3mGal。计算水深和重力异常特征强度比分别为σ_x/E_x＝0.039、σ_y/E_y＝0.043。则水深为基础参数，重力异常为被融合参数。计算水深、重力异常误差特征比的比值

ξ＝σ_y/E_y/σ_x/E_x＝1.1

ξ∈[1,2.06]，满足融合条件，可以达到特征增强效果。

③确定参数X、Y信息融合的融合系数：

基础参数X融合系数取1，被融合参数Y的融合系数e。被融合参数Y与基础参数X区域特征强度比值K＝E_y/E_x，测量误差比值μ＝σ_y/σ_x，K取决于参数X、Y区域实际分布特性，μ取决于参数X、Y预期测量误差水平。则融合场R的误差特征比为：

式中

定义S为融合场R的特征增强系数，S反映了融合场相比于基础参数的特征增强效果，S越小融合场R特征增加效果越好。S视为e的函数时，记为S(e)，被融合参数Y的融合系数e需满足

即e＝K/μ²。

本实施例中基础参数水深的融合系数取1，计算被融合参数重力异常的融合系数e＝K/μ²，其中K＝E_y/E_x＝70/1800＝0.039，μ＝σ_y/σ_x＝3/70＝0.043，则e＝21.1。

④生成融合场R的区域背景图T和测量信息M：

将参数X、Y区域背景图信息T_x、T_y融合，获得融合场R的区域背景图T＝T_x+eT_y；依据载体航迹上参数X、Y测量信息M_x和M_y，计算得到融合场R的航迹测量信息M，M＝M_x+eM_y。本实施例中水深和重力异常参数融合场R的背景图等值线如图4所示；当载体航行到达区域F内P点(如图4所示)，水深和重力异常参数的航迹测量信息及计算的融合场航迹测量信息如图5a、图5b、图5c所示。

⑤基于特征误差带评估检验融合场R相对于参数X、Y的匹配定位性能提升效果：计算融合场R和参数X、Y的特征误差带，如果融合场R特征误差带覆盖范围小于参数X、Y的特征误差带，则融合场R匹配定位性能优于参数X、Y。本实施例中水深、重力异常参数及其融合场的特征误差带分布如图6所示，融合场特征误差带覆盖范围小于水深、重力异常参数的特征误差带，融合场匹配定位性能优于水深和重力异常参数，融合场取代水深、重力异常参数。

C判断区域特征强弱：

如果定位区域存在一个或多个参数具有较强的特征，则在所有参数中，基于参数特征误差带选择相应参数，使用多物理场参数特征定位融合方法求解匹配位置；如果定位区域存在一个或多个参数具有较强的特征，则在所有参数中，基于参数特征误差带选择相应参数，使用多物理场参数定位融合方法求解匹配位置。多场多参数特征产生源于多种复杂因素，这就决定了参数在特征定位性能方面的差异性，即可能存在各有所长、各有所短的情况，通过多场多参数定位融合可有效融合各参数的定位优势，抑制劣势，从而获得比任一参数更好的匹配定位性能，具体步骤为：

(本实施例中融合场取代水深和重力异常参数后，融合场和地磁总场异常的区域特征均较强。)

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：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，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。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。

本实施例中水深和重力异常参数的融合场和磁总场异常参数特征误差带如图7所示，融合场和地磁总场异常参数满足特征定位融合条件。

②m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：首先计算m个参数的定位误差带，求取m个参数定位误差带的交集，记为R1。对于参数X_i，通过该参数测量传感器获取载体航迹上测量信息X_i，计算X_i与R1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的预期测量误差水平为σ_i，对于位置点r_j，计算val_j＝(δ_1j/σ₁+δ_2j/σ₂+…+δ_mj/σ_m)/m，R1中val_j最小的位置点即为海洋多物理场参数匹配位置lo。

本实施例中水深和重力异常参数的融合场、地磁总场异常参数定位误差带及其交集R1如图8所示；融合场和地磁总场异常的航迹测量信息如图5c、图5d所示；获得的地磁总场异常、融合场匹配位置及其定位融合位置如图9所示，图9中“磁总场异常+融合场定位融合位置”即为lo；地磁总场异常、重力异常、水深、融合场匹配位置以及地磁总场异常和融合场定位融合位置对比如图10所示，各种匹配位置误差如表1所示，其中地磁总场异常和融合场定位融合位置误差最小，验证了方法的有效性。

表1地磁总场异常、重力异常、水深、融合场匹配位置以及地磁总场异常和融合场定位融合位置误差

D判断区域特征强弱：

如果定位区域存在的参数特征均较弱，利用多场多参数特征融合定位方法求解匹配位置；如果定位区域存在的参数特征均较弱，难以支撑精确匹配定位。采用多场多参数特征融合定位方法求解匹配位置。特征匹配定位时一般情况下采用载体到达特征区域前一小段直线航行轨迹的物理场参数特征进行匹配定位，由于区域物理场参数特征较弱，因而采用增加航迹长度，丰富空间构型形态来增强特征，增加特征强度获得精确的匹配位置。

具体步骤为：

①根据区域特征，设计航迹构型，即航迹可由时间上不连续的若干片段组成，如"Z”、“+”等构型形式，假设航迹共有r个片段组成。

②假设有n个物理场参数参与定位，对于第i片段,根据该片段上n个参数的测量信息m_j和预期测量误差水平σ_j,j＝1,2..,n，建立该片段的测量矩阵M_i：

r个片段组成航迹测量矩阵M

M＝[M₁；…；M_r]

③根据航迹空间构型向量，在n个参数背景图中分别提取第i个可能位置点处航迹背景图信息，形成多参数背景图特征信息矩阵P_i

其中P_ij为第j个物理场参数在第i个可能位置处对应航迹背景图值。N为可能位置点的总数，多参数背景图特征信息矩阵集P＝{P_i丨i＝1,2，…，N}。

④根据航迹测量矩阵M和多参数背景图特征信息矩阵集P获得匹配位置lo：计算M与P中元素P_i之间的差异矩阵D_i，D_i元素为M与P_i中相应元素差值的函数，一般可取差值的平方函数。令向量S为与航迹空间构型向量长度相同，元素均为1的列向量，则测量矩阵M与第i个可能位置特征矩阵P_i的匹配值q_i＝S^TD_iS，矩阵集P中与航迹测量矩阵M匹配值最小的位置即为匹配位置lo。

3)基于多场多参数在几公里之内变化尺度的高频特征，利用高频特征信息，在已获得的匹配位置附近区域，进行二次匹配定位，并用二次匹配定位的匹配位置更新步骤2)的匹配位置，作为最终的匹配位置；

4)通过比对绝对测量精度高的参数测量值和背景图值符合度评估匹配位置的可靠性和精度；

选择长期绝对测量精度最高的参数X，参数X匹配位置处航迹背景图信息和测量信息均值分别为A_x和A'_x，参数X绝对测量误差水平为e_x，如果

|A_x-A′_x|≤e_x

则多场多参数特征匹配位置准确可靠。

5)基于匹配位置背景图值校准存在长期漂移测量误差的参数长期漂移误差，提升测量精度。

对于存在长期漂移的参数Y，参数Y在匹配位置处航迹背景图信息和测量信息均值分别为A_y和A'_y，则其长期漂移误差e_y＝A_y-A'_y。将参数Y测量信息中补偿长期漂移误差e_y后完成参数Y长期漂移校准。

多场多参数是指海洋重力场重力异常、垂线偏差、重力梯度分量参数等，海洋地磁场总场异常、三分量、磁偏角、磁倾角、磁梯度分量参数等以及海底水深参数。

物理场参数特征误差带和定位误差带是多参数定位融合中的重要概念。物理场参数特征误差带，指载体航行进入某特征区域，应用航迹上物理场参数实测特征与背景图匹配定位时，由物理场在区域及附近的实际特征变化剧烈程度和预期的物理场测量误差水平决定的匹配位置误差分布范围。特征误差带的计算方法：计算区域中心处航迹背景图值与周围区域各点处航迹背景图值差值标准差，差值标准差小于k倍该参数预期测量误差的点组成的集合即为参数的特征误差带，k一般取值1.5-2。物理场参数定位误差带，指载体航行进入某特征区域，应用航迹上物理场参数实测特征与背景图匹配定位时，由物理场在区域及附近的实际特征变化剧烈程度和物理场参数实际测量信息的误差决定的匹配位置误差分布范围。定位误差带计算方法是：计算载体航迹参数实际测量值与周围区域各点处航迹背景图值差值的标准差，差值标准差小于该参数预期测量误差水平的点组成的集合为参数的定位误差带。k取2时，参数的定位误差带是特征误差带的子集。

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 (7)

1.一种基于地球物理/几何特征的海洋多场多参数定位融合方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)运载体航行至特征区域获取航迹上多场多参数测量信息；

2)基于多场多参数信息在海洋中实际特征分布情况和测量的误差特性，利用几到几十公里变化尺度的多场多参数特征进行匹配定位，获得匹配位置：

A对多场多参数背景图和测量信息进行一致性处理；

B对同源特征参数进行信息融合生成融合场，用融合场取代原同源特征参数；

C判断区域特征强弱：

如果定位区域存在一个或多个参数具有较强的特征，则在所有参数中，基于参数特征误差带选择相应参数，使用多物理场参数特征定位融合方法求解匹配位置；

D判断区域特征强弱：

如果定位区域存在的参数特征均较弱，利用多场多参数特征融合定位方法求解匹配位置；

3)基于多场多参数信息在几公里之内变化尺度的高频特征，利用高频特征信息，在已获得的匹配位置附近区域，进行二次匹配定位，并用二次匹配定位的匹配位置更新步骤2)的匹配位置，作为最终的匹配位置；

4)通过比对绝对测量精度高的参数测量值和背景图值符合度评估匹配位置的可靠性和精度；

5)基于匹配位置背景图值校准存在长期漂移测量误差的参数长期漂移误差，提升测量精度。

2.根据权利要求1所述的基于地球物理/几何特征的海洋多场多参数定位融合方法，其特征在于：所述步骤2)B中对同源特征参数进行信息融合生成融合场的具体步骤为：

①在多场多参数中判断是否存在同源特征参数：

分析参数特征产生主要原因是否相同，特征产生的主要原因相同，等值线形状类似的参数即为同源特征参数；观察参数背景图等值线形状是否相似；找到存在具有同源特征的两个海洋物理场参数X、Y；

②判别具有同源特征的两个海洋物理场参数X、Y是否具备信息融合生成融合场R条件：

两个海洋物理场参数X、Y区域特征强度分别为E_x和E_y，预期测量误差水平分别为σ_x和σ_y，定义参数预期测量误差水平与特征强度比值为误差特征比，参数X、Y的误差特征比分别为σ_x/E_x、σ_y/E_y，误差特征比越小，该参数特征匹配定位精度越高；

选择误差特征比较小的参数为基础参数，如果相等则任选一个参数，则另一个为被融合参数，假设σ_x/E_x<σ_y/E_y，则参数X为基础参数，参数Y为被融合参数，计算被融合参数Y和基础参数X的误差特征比的比值ξ，即

ξ＝σ_y/E_y/σ_x/E_x

ξ直接决定了融合场R相对于参数X、Y的特征增强效果，根据ξ值判别参数X、Y是否具备生成融合场的条件，一般的，当ξ＜2.06时，判定参数X、Y具备信息融合生成融合场R的条件，此时可保证融合场R的误差特征比下降至基础参数X特征误差比的90％以下；

③确定参数X、Y信息融合的融合系数：

基础参数X融合系数取1，被融合参数Y的融合系数e，被融合参数Y与基础参数X区域特征强度比值K＝E_y/E_x，测量误差比值μ＝σ_y/σ_x，K取决于参数X、Y区域实际分布特性，μ取决于参数X、Y预期测量误差水平，则融合场R的误差特征比为：

式中

定义S为融合场R的特征增强系数，S反映了融合场相比于基础参数的特征增强效果，S越小融合场R特征增加效果越好，S视为e的函数时，记为S(e)，被融合参数Y的融合系数e需满足

即e＝K/μ²；

④生成融合场R的区域背景图T和测量信息M：

将参数X、Y区域背景图信息T_x、T_y融合，获得融合场R的区域背景图T＝T_x+eT_y；依据载体航迹上参数X、Y测量信息M_x和M_y，计算得到融合场R的航迹测量信息M，M＝M_x+eM_y；

⑤基于特征误差带评估检验融合场R相对于参数X、Y的匹配定位性能提升效果：计算融合场R和参数X、Y的特征误差带，如果融合场R特征误差带覆盖范围小于参数X、Y的特征误差带，则融合场R匹配定位性能优于参数X、Y。

3.根据权利要求1所述的基于地球物理/几何特征的海洋多场多参数定位融合方法，其特征在于：所述步骤2)C中多物理场参数特征定位融合方法的步骤为：

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：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，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，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；

②m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：首先计算m个参数的定位误差带，求取m个参数定位误差带的交集，记为R1，对于参数X_i，通过该参数测量传感器获取载体航迹上测量信息X_i，计算X_i与R1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的预期测量误差水平为σ_i，对于位置点r_j，计算val_j＝(δ_1j/σ₁+δ_2j/σ₂+…+δ_mj/σ_m)/m，R1中val_j最小的位置点即为海洋多物理场参数匹配位置lo。

4.根据权利要求1所述的基于地球物理/几何特征的海洋多场多参数定位融合方法，其特征在于：所述步骤2)D中多物理场参数特征融合定位方法的步骤为：

①根据区域特征，设计航迹构型，即航迹可由时间上不连续的若干片段组成，如"Z”、“+”等构型形式，假设航迹共有r个片段组成；

②假设有n个物理场参数参与定位，对于第i片段，根据该片段上n个参数的测量信息m_j和预期测量误差水平σ_j,j＝1,2..,n，建立该片段的测量矩阵M_i：

r个片段组成航迹测量矩阵M

M＝[M₁；…；M_r]

③根据航迹空间构型向量，在n个参数背景图中分别提取第i个可能位置点处航迹背景图信息，形成多参数背景图特征信息矩阵P_i

其中P_ij为第j个物理场参数在第i个可能位置处对应航迹背景图值，N为可能位置点的总数，多参数背景图特征信息矩阵集P＝{P_i丨i＝1,2，…，N}；

④根据航迹测量矩阵M和多参数背景图特征信息矩阵集P获得匹配位置lo：计算M与P中元素P_i之间的差异矩阵D_i，D_i元素为M与P_i中相应元素差值的函数，一般可取差值的平方函数，令向量S为与航迹空间构型向量长度相同，元素均为1的列向量，则测量矩阵M与第i个可能位置特征矩阵P_i的匹配值q_i＝S^TD_iS，矩阵集P中与航迹测量矩阵M匹配值最小的位置即为匹配位置lo。

5.根据权利要求1所述的基于地球物理/几何特征的海洋多场多参数定位融合方法，其特征在于：所述步骤4)的具体步骤为：

选择长期绝对测量精度最高的参数X，参数X匹配位置处航迹背景图信息和测量信息均值分别为A_x和A'_x，参数X绝对测量误差水平为e_x，如果

|A_x-A′_x|≤e_x

则多场多参数特征匹配位置准确可靠。

6.根据权利要求1所述的基于地球物理/几何特征的海洋多场多参数定位融合方法，其特征在于：所述步骤5)的具体步骤为：对于存在长期漂移的参数Y，参数Y在匹配位置处航迹背景图信息和测量信息均值分别为A_y和A'_y，则其长期漂移误差e_y＝A_y-A'_y，将参数Y测量信息中补偿长期漂移误差e_y后完成参数Y长期漂移校准。

7.根据权利要求1所述的基于地球物理/几何特征的海洋多场多参数定位融合方法，其特征在于：所述多场多参数是指海洋重力场重力异常、垂线偏差、重力梯度分量参数等，海洋地磁场总场异常、三分量、磁偏角、磁倾角、磁梯度分量参数等以及海底水深参数。

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