CN114199238A - 基于软间隔局部半圆搜索提高水下导航效率和可靠性方法 - Google Patents

基于软间隔局部半圆搜索提高水下导航效率和可靠性方法 Download PDF

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CN114199238A CN202111554337.3A CN202111554337A CN114199238A CN 114199238 A CN114199238 A CN 114199238A CN 202111554337 A CN202111554337 A CN 202111554337A CN 114199238 A CN114199238 A CN 114199238A
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Abstract

本发明公开了一种基于软间隔局部半圆搜索提高水下导航效率和可靠性方法，包括：获取惯导数据，并导入研究区域的重力基准图；基于软间隔圆型格网匹配机制，进行一次匹配搜索，得到航迹终点一次最佳匹配位置；判断航迹终点一次最佳匹配位置是否位于软边界圆域的边界区；若位于软边界圆域的边界区，则基于局部半圆型格网匹配机制，对航迹终点一次最佳匹配位置进行二次匹配搜索，得到航迹终点二次最佳匹配位置；否则，直接输出航迹终点一次最佳匹配位置；根据航迹终点一次最佳匹配位置和航迹终点二次最佳匹配位置，得到航迹终点最终最佳匹配位置，并根据航迹终点最终最佳匹配位置对惯导参数进行校准。本发明提高了水下导航效率和可靠性。

Description

基于软间隔局部半圆搜索提高水下导航效率和可靠性方法
技术领域
本发明属于水下导航学、海洋测绘学等交叉技术领域，尤其涉及一种基于软间隔局部半圆搜索提高水下导航效率和可靠性方法。
背景技术
惯性导航系统(Inertial Navigation System，INS，惯性导航系统，简称惯导)是水下潜器最普遍的一种实时、自主、全天候导航技术，具有短时高精度定位特性，但惯性元器件的固有误差和定位解算的多次积分等却导致INS误差随时间累积发散而难以满足潜器长航时高精度的定位目标，因此，辅助INS导航技术兴起，即INS利用辅助导航技术定期校准系统控制参数以保持导航精度。作为地球固有地理属性之一的重力场信息不易受气候、海浪等不确定环境影响并表现出长时间相对稳定性，故重力场信息适合被用于辅助导航，目前重力辅助导航系统作为水下辅助INS导航的一项重要技术并已成为国内外学者研究的国际热点议题。
匹配算法是重力辅助惯导系统的核心，目前常见的重力匹配算法主要包括桑迪亚惯性地形辅助导航算法(SITAN)、迭代最近等值线点算法(ICCP)和地形轮廓匹配算法(TERCOM)。相较而言，TERCOM算法以计算简单、对初始误差不敏感、鲁棒性强、定位精度较高等优点而得到学者的广泛关注和研究，但TERCOM匹配过程中误匹配的发生会严重影响INS系统参数的校准效果，甚至导致水下潜器潜航任务的失败，因此，如何在不显著影响重力匹配导航效率的同时有效降低误匹配的发生概率是TERCOM研究的一项重要研究议题。
在TERCOM误匹配的原因探究和诊断方面，Wang等认为INS初始累积误差过大、背景地磁特征少是导致TERCOM误匹配的原因，并构建一种基于相似度极值探测的TERCOM误匹配诊断算法；Han等指出受限于基准图的大分辨率和重力异常分布的不确定性而可能导致TERCOM误匹配，并基于RSOC算法提出TERCOM误匹配诊断方法；Dai等认为若特征是光滑的则TERCOM等匹配算法将出现较高的误匹配概率；Wang等指出COR指标一定程度可能导致误匹配而MSD指标则是一种有效的相关性评价指标，且其准确性略高于MAD和COR指标，建议选用MSD作为匹配指标；Wang等指出在重力场变化不显著区域易发生误匹配；Wang等指出在地形非适配区TERCOM易受测量误差影响而出现伪峰和误匹配。另一方面，在改善TERCOM算法匹配效率方面，Yuan等以TERCOM/ICCP算法融合Kalman滤波而提出组合水下辅助导航算法，同时精确匹配精度采用滑动窗口以提高算法效率；李钊伟等基于粗-细匹配策略而提出一种新型分层邻域阈值搜索法以改善TERCOM算法逐点遍历搜索的匹配效率；Li等通过球面几何的最短弧原则和空-海环境下姿态控制理论相耦合而提出一种新的基于测地线方法以缩小匹配区域尺度并改善算法的匹配效率。
综上所述，大部分学者主要围绕水下潜器导航误匹配原因或规避、匹配效率提高等单方面性能改善研究，而同时提高算法水下导航匹配效率和可靠性方面的研究工作则相对较少。因此，需要进一步强化并开展同步改善TERRCOM匹配效率和误匹配规避的研究工作。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于软间隔局部半圆搜索提高水下导航效率和可靠性方法，旨在提高水下导航效率和可靠性。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种基于软间隔局部半圆搜索提高水下导航效率和可靠性方法，包括：
获取惯导数据，并导入研究区域的重力基准图；
基于软间隔圆型格网匹配机制，进行一次匹配搜索，得到航迹终点一次最佳匹配位置；
判断航迹终点一次最佳匹配位置是否位于软边界圆域的边界区；
若确定航迹终点一次最佳匹配位置位于软边界圆域的边界区，则基于局部半圆型格网匹配机制，对航迹终点一次最佳匹配位置进行二次匹配搜索，得到航迹终点二次最佳匹配位置；否则，直接输出航迹终点一次最佳匹配位置；
根据航迹终点一次最佳匹配位置和航迹终点二次最佳匹配位置，得到航迹终点最终最佳匹配位置，并根据航迹终点最终最佳匹配位置对惯导参数进行校准。
在上述基于软间隔局部半圆搜索提高水下导航效率和可靠性方法中，基于软间隔圆型格网匹配机制，进行一次匹配搜索，得到航迹终点一次最佳匹配位置，包括：
根据惯导数据，基于地形轮廓匹配算法TERCOM，生成方域匹配格网点；
根据研究区域的重力基准图，确定软边界圆域；
根据确定的软边界圆域，对方域匹配格网点进行筛选，得到软边界圆域内的有效匹配格网点；
根据确定的软边界圆域内的有效匹配格网点，按均方差最小化原则，解算得到航迹终点一次最佳匹配位置。
在上述基于软间隔局部半圆搜索提高水下导航效率和可靠性方法中，根据研究区域的重力基准图，确定软边界圆域，包括：
确定研究区域的重力基准图的单位格网分辨率C；
获取经单位时间间隔t的Nsample次采样后的惯导的累积漂移误差σ：σ＝δ·Nsample·t/3600；其中，δ表示惯导的漂移误差的标准差；
根据C和σ，确定软边界圆域的范围：3σ+C。
在上述基于软间隔局部半圆搜索提高水下导航效率和可靠性方法中，根据确定的软边界圆域，对方域匹配格网点进行筛选，得到软边界圆域内的有效匹配格网点，包括：
确定INS惯导输出的航迹终点PINS邻近格网对应的整数坐标(xZ,yZ)，并将(xZ,yZ)作为软边界圆域的中心格点；其中，xZ＝[xINS/C]，yZ＝[yINS/C]，[·]表示四舍五入取整；PINS＝(xINS,yINS)，(xINS,yINS)表示航迹终点PINS的坐标；
根据(xZ,yZ)和确定的软边界圆域的范围3σ+C，对方域匹配格网点进行筛选，得到软边界圆域内的有效匹配格网点
Figure BDA0003418672340000031
Figure BDA0003418672340000041
其中，
Figure BDA0003418672340000042
Figure BDA0003418672340000043
表示软边界圆域内的有效匹配格网点
Figure BDA0003418672340000044
的坐标；i∈{-row,-row+1,…,0,1,…,row}，表示软边界圆域内有效匹配格网点
Figure BDA0003418672340000045
偏离中心格点(xZ,yZ)的横向格网边长序列，
Figure BDA0003418672340000046
Figure BDA0003418672340000047
表示向上取整；j∈{-col,-col+1,…,0,1,…,col}，表示软边界圆域内有效匹配格网点
Figure BDA0003418672340000048
偏离中心格点(xZ,yZ)的纵向格网边长序列，
Figure BDA0003418672340000049
在上述基于软间隔局部半圆搜索提高水下导航效率和可靠性方法中，根据确定的软边界圆域内的有效匹配格网点，按均方差最小化原则，解算得到航迹终点一次最佳匹配位置，包括：
将软边界圆域内的有效匹配格网点
Figure BDA00034186723400000410
与C相比后，再按四舍五入原则映射到重力基准图最近格网点
Figure BDA00034186723400000411
并将最近格网点
Figure BDA00034186723400000412
对应的重力值
Figure BDA00034186723400000413
作为软边界圆域内有效匹配格网点
Figure BDA00034186723400000414
的重力值替代；
从惯导数据中获取水下潜器航速、航向和INS误差；根据
Figure BDA00034186723400000415
及获取的潜器航速、航向和INS误差，提取出重力基准图上对应最近格网重力值序列
Figure BDA00034186723400000416
并与由重力仪测量得到的实测重力值序列
Figure BDA00034186723400000417
进行比较，按均方差最小化原则，得到航迹终点一次最佳匹配位置
Figure BDA00034186723400000418
Figure BDA00034186723400000419
其中，
Figure BDA00034186723400000420
Figure BDA00034186723400000421
表示航迹终点一次最佳匹配位置
Figure BDA00034186723400000422
的坐标；η＝1,2,...,Nsample。
在上述基于软间隔局部半圆搜索提高水下导航效率和可靠性方法中，判断航迹终点一次最佳匹配位置是否位于软边界圆域的边界区，包括：
将
Figure BDA0003418672340000051
与PINS＝(xINS,yINS)进行比较，若满足如下式(3)，则确定航迹终点一次最佳匹配位置位于软边界圆域的边界区：
Figure BDA0003418672340000052
在上述基于软间隔局部半圆搜索提高水下导航效率和可靠性方法中，基于局部半圆型格网匹配机制，对航迹终点一次最佳匹配位置进行二次匹配搜索，得到航迹终点二次最佳匹配位置，包括：
以
Figure BDA0003418672340000053
为中心、σ为半径张成半圆型局部再匹配格网区域，即半圆域；
将
Figure BDA0003418672340000054
作为半圆域内的中心格点(xMat,yMat)，筛选得到半圆域内的有效匹配格网点；其中，
Figure BDA0003418672340000055
根据确定的软边界圆域内的有效匹配格网点，对航迹终点一次最佳匹配位置进行二次匹配搜索，得到航迹终点二次最佳匹配位置。
在上述基于软间隔局部半圆搜索提高水下导航效率和可靠性方法中，通过如下式(4)筛选得到半圆域内的有效匹配格网点
Figure BDA0003418672340000056
Figure BDA0003418672340000057
其中，
Figure BDA0003418672340000058
Figure BDA0003418672340000059
表示半圆域内的有效匹配格网点
Figure BDA00034186723400000510
的坐标；m∈{-r,-r+1,…,0,1,…,r}，表示半圆域内的有效匹配格网点
Figure BDA00034186723400000511
偏离中心格点(xMat,yMat)的横向增减格网数量，r＝row/3；n∈{-c,-c+1,…,0,1,…,c}，表示半圆域内的有效匹配格网点
Figure BDA00034186723400000512
偏离中心格点(xMat,yMat)的纵向增减格网数量，c＝col/3。
在上述基于软间隔局部半圆搜索提高水下导航效率和可靠性方法中，根据确定的软边界圆域内的有效匹配格网点，对航迹终点一次最佳匹配位置进行二次匹配搜索，得到航迹终点二次最佳匹配位置，包括：
将半圆域内的有效匹配格网点
Figure BDA0003418672340000061
与C相比后，再按四舍五入原则映射得重力图上最近格网点
Figure BDA0003418672340000062
并将最近格网点
Figure BDA0003418672340000063
对应的重力值
Figure BDA0003418672340000064
作为半圆域内的有效匹配格网点
Figure BDA0003418672340000065
的重力值替代；
顺次提取航迹其他位置的重力值，得到最近邻替代重力序列
Figure BDA0003418672340000066
并与实测重力值序列
Figure BDA0003418672340000067
进行比较，按均方差最小化原则，得到航迹终点二次最佳匹配位置
Figure BDA0003418672340000068
Figure BDA0003418672340000069
其中，
Figure BDA00034186723400000610
Figure BDA00034186723400000611
表示航迹终点二次最佳匹配位置
Figure BDA00034186723400000612
的坐标。
在上述基于软间隔局部半圆搜索提高水下导航效率和可靠性方法中，根据航迹终点一次最佳匹配位置和航迹终点二次最佳匹配位置，得到航迹终点最终最佳匹配位置，包括：
将航迹终点一次最佳匹配位置
Figure BDA00034186723400000613
和航迹终点二次最佳匹配位置
Figure BDA00034186723400000614
分别记为坐标点E1和坐标点E2；
按坐标点E1和坐标点E2均方差值的相对大小并以最小化原则得到航迹终点最终最佳匹配位置PMat：
Figure BDA00034186723400000615
其中，PMat＝(xbest,ybest)，(xbest,ybest)表示航迹终点最终最佳匹配位置PMat的坐标；k＝1,2。
本发明具有以下优点：
(1)本发明为克服传统TERCOM算法遍历搜索的低匹配效率问题并提高其方型格网域外匹配点的定位可靠性，提出一种基于软间隔局部半圆搜索提高水下导航效率和可靠性方法，该方法基于新型软间隔局部半圆域再搜索法实现：首先，构建软间隔圆型格网匹配机制以提高算法的匹配效率，其利用3倍惯导累积误差和重力图格网分辨率确定软圆域边界以对TERCOM方型匹配格网区域(方域)进行划分，边界线内的方域格网点为软圆域的有效匹配点，再按匹配指标最优原则获得软圆域内的最佳匹配位置；其次，构建软圆域边界匹配点的局部半圆型格网再匹配机制以提高算法的域外点匹配可靠性，若判断当前最佳匹配点位于软圆域边缘带时，则以该匹配点为中心以单位惯导累积误差为半径张成半圆型局部再搜索的匹配格网域(半圆域)；最后，再匹配比较以获得新型软间隔半圆域局部再搜索法的最佳匹配位置。
(2)综合考虑平均匹配时间、匹配精度统计指标、匹配成功率和域外误匹配次数等匹配效果评判依据，验证了本发明所提新型软间隔局部半圆域再搜索法的软间隔圆型格网匹配机制提高匹配效率的有效性及其局部半圆型格网再匹配机制提高域外误匹配可靠性的可行性。
(3)在不同区域航迹起点条件下，以本发明重力噪声、惯导偏差等同等参数设置为例，新型软间隔局部半圆域再搜索法相较于传统TERCOM算法，其域外误匹配次数相对TERCOM分别降低了92.68％、90.24％和98.62％，对TERCOM域外匹配点的平均匹配精度分别相对提高了88.37％、85.48％和83.66％，有效验证了所提SLSR算法在提高水下重力匹配导航效率和域外可靠性上的有效性和可行性。
附图说明
图1是本发明实施例中一种基于软间隔局部半圆搜索提高水下导航效率和可靠性方法的步骤流程图；
图2是本发明实施例中一种TERCOM方域周边区域的匹配域类别的示意图；
图3是本发明实施例中一种LSGR机制局部半圆型再匹配格点的生成过程示意图；
图4是本发明实施例中一种新型软间隔局部半圆域再搜索法的执行流程示意图；
图5是本发明实施例中一种研究区域卫星遥感及局部放大区域的重力分布示意图；其中，5(a)为卫星遥感图，5(b)为重力基准图；
图6是本发明实施例中一种不同采样尺度下匹配定位效果对比图；
图7是本发明实施例中一种不同采样尺度下TERCOM算法匹配散点分布示意图；
图8是本发明实施例中一种不同采样尺度下SCGM算法匹配散点分布示意图；
图9是本发明实施例中一种SLSR对域外误匹配点的半圆域再匹配示意图；
图10是本发明实施例中一种不同区域航迹起点下域外匹配点的柱形对比图；其中，10(a)为域外匹配点的匹配柱形对比(航迹起点A)，10(b)为域外匹配点的匹配柱形对比(航迹起点B)，图10(c)为域外匹配点的匹配柱形对比(航迹起点C)；
图11是本发明实施例中一种不同重力区间段内域外匹配点的散布对比图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。
本发明探究的TERCOM误匹配主要是指TERCOM域外误匹配，即水下潜器真实位置位于TERCOM方域格网覆盖范围之外，无论特征如何适配或匹配指标完全单峰性等也无法改变TERCOM必然发生误匹配的情形。因此，本发明同时以水下导航匹配效率提高和域外误匹配规避以改善可靠性为研究双目标，提出新型软间隔局部半圆域再搜索法(Soft-marginLocal Semicircular-domain Re-searching algorithm，SLSR)，通过3倍惯导累积误差与单位格网分辨率之和为约束减少被匹配点数目以提高算法的水下重力匹配导航效率，同时以软间隔最佳匹配位置局部半圆域匹配点的生成和再匹配，旨在进一步提高TERCOM域外误匹配点的匹配可靠性和精度。新型软间隔局部半圆域再搜索算法计算原理如下：首先，对以3倍惯导累积误差为半边长的TERCOM方形匹配格网区域(方域)进行3σ圆形边界约束以得到有效的圆型格网匹配区域(圆域)，再以单位重力格网分辨率作为软边界向外扩增得到软圆域，进而对软圆域内的匹配点进行匹配比较并按最优匹配原则确定最佳匹配位置；其次，若判断当前最佳匹配位置位于软边界附近，则以该最佳匹配位置为中心且以单位INS累积误差为半径张成一个不含软圆域匹配点的局部半圆型格网匹配区域(半圆域)，再对半圆域内匹配点进行匹配比较并依概率得到新的最佳匹配位置，以提高TERCOM域外误匹配点的匹配可靠性；最后，得到新型软间隔局部半圆域再搜索法的最佳匹配位置，以保证水下重力匹配导航效率提高的同时有效改善域外误匹配点的匹配可靠性。
如图1，在本实施例中，该基于软间隔局部半圆搜索提高水下导航效率和可靠性方法，包括：
步骤101，获取惯导数据，并导入研究区域的重力基准图。
步骤102，基于软间隔圆型格网匹配机制，进行一次匹配搜索，得到航迹终点一次最佳匹配位置。
在本实施例中，航迹终点一次最佳匹配位置的具体解算流程如下：
子步骤1021，根据惯导数据，基于地形轮廓匹配算法TERCOM，生成方域匹配格网点。
子步骤1022，根据研究区域的重力基准图，确定软边界圆域。
在本实施例中，首先，确定研究区域的重力基准图的单位格网分辨率C。进一步的，获取经单位时间间隔t的Nsample次采样后的惯导的累积漂移误差σ：σ＝δ·Nsample·t/3600。最后，根据C和σ，确定软边界圆域的范围：3σ+C。其中，δ表示惯导的漂移误差的标准差。
子步骤1023，根据确定的软边界圆域，对方域匹配格网点进行筛选，得到软边界圆域内的有效匹配格网点。
在本实施例中，首先，确定INS惯导输出的航迹终点PINS邻近格网对应的整数坐标(xZ,yZ)，并将(xZ,yZ)作为软边界圆域的中心格点。其中，xZ＝[xINS/C]，yZ＝[yINS/C]，[·]表示四舍五入取整；PINS＝(xINS,yINS)，(xINS,yINS)表示航迹终点PINS的坐标。
然后，根据(xZ,yZ)和确定的软边界圆域的范围3σ+C，对方域匹配格网点进行筛选，得到软边界圆域内的有效匹配格网点
Figure BDA0003418672340000101
Figure BDA0003418672340000102
其中，
Figure BDA0003418672340000103
Figure BDA0003418672340000104
表示软边界圆域内的有效匹配格网点
Figure BDA0003418672340000105
的坐标；i∈{-row,-row+1,…,0,1,…,row}，表示软边界圆域内有效匹配格网点
Figure BDA0003418672340000106
偏离中心格点(xZ,yZ)的横向格网边长序列，
Figure BDA0003418672340000107
Figure BDA0003418672340000108
表示向上取整；j∈{-col,-col+1,…,0,1,…,col}，表示软边界圆域内有效匹配格网点
Figure BDA0003418672340000109
偏离中心格点(xZ,yZ)的纵向格网边长序列，
Figure BDA00034186723400001010
子步骤1024，根据确定的软边界圆域内的有效匹配格网点，按均方差最小化原则，解算得到航迹终点一次最佳匹配位置。
在本实施例中，首先，将软边界圆域内的有效匹配格网点
Figure BDA00034186723400001011
与C相比后，再按四舍五入原则映射到重力基准图最近格网点
Figure BDA00034186723400001012
并将最近格网点
Figure BDA00034186723400001013
对应的重力值
Figure BDA00034186723400001014
作为软边界圆域内有效匹配格网点
Figure BDA00034186723400001015
的重力值替代。
然后，从惯导数据中获取水下潜器航速、航向和INS误差；根据
Figure BDA00034186723400001016
及获取的潜器航速、航向和INS误差，提取出重力基准图上对应最近格网重力值序列
Figure BDA00034186723400001017
并与由重力仪测量得到的实测重力值序列
Figure BDA00034186723400001018
进行比较，按均方差最小化原则，得到航迹终点一次最佳匹配位置
Figure BDA00034186723400001019
Figure BDA0003418672340000111
其中，
Figure BDA0003418672340000112
Figure BDA0003418672340000113
表示航迹终点一次最佳匹配位置
Figure BDA0003418672340000114
的坐标；η＝1,2,...,Nsample。
步骤103，判断航迹终点一次最佳匹配位置是否位于软边界圆域的边界区。
在本实施例中，将
Figure BDA0003418672340000115
与PINS＝(xINS,yINS)进行比较，若满足如下式(3)，则确定航迹终点一次最佳匹配位置位于软边界圆域的边界区：
Figure BDA0003418672340000116
其中，若确定航迹终点一次最佳匹配位置位于软边界圆域的边界区，则执行步骤104；否则，直接输出步骤102得到的航迹终点一次最佳匹配位置。
步骤104，基于局部半圆型格网匹配机制，对航迹终点一次最佳匹配位置进行二次匹配搜索，得到航迹终点二次最佳匹配位置。
在本实施例中，航迹终点二次最佳匹配位置的具体解算流程如下：
子步骤1041，以
Figure BDA0003418672340000117
为中心、σ为半径张成半圆型局部再匹配格网区域，即半圆域。
子步骤1042，将
Figure BDA0003418672340000118
作为半圆域内的中心格点(xMat,yMat)，筛选得到半圆域内的有效匹配格网点；其中，
Figure BDA0003418672340000119
在本实施例中，可通过如下式(4)筛选得到半圆域内的有效匹配格网点
Figure BDA00034186723400001110
Figure BDA00034186723400001111
其中，
Figure BDA00034186723400001112
Figure BDA00034186723400001113
表示半圆域内的有效匹配格网点
Figure BDA00034186723400001114
的坐标；m∈{-r,-r+1,…,0,1,…,r}，表示半圆域内的有效匹配格网点
Figure BDA00034186723400001115
偏离中心格点(xMat,yMat)的横向增减格网数量，r＝row/3；n∈{-c,-c+1,…,0,1,…,c}，表示半圆域内的有效匹配格网点
Figure BDA0003418672340000121
偏离中心格点(xMat,yMat)的纵向增减格网数量，c＝col/3。
子步骤1043，根据确定的软边界圆域内的有效匹配格网点，对航迹终点一次最佳匹配位置进行二次匹配搜索，得到航迹终点二次最佳匹配位置。
在本实施例中，首先，将半圆域内的有效匹配格网点
Figure BDA0003418672340000122
与C相比后，再按四舍五入原则映射得重力图上最近格网点
Figure BDA0003418672340000123
并将最近格网点
Figure BDA0003418672340000124
对应的重力值
Figure BDA0003418672340000125
作为半圆域内的有效匹配格网点
Figure BDA0003418672340000126
的重力值替代。
然后，顺次提取航迹其他位置的重力值，得到最近邻替代重力序列
Figure BDA0003418672340000127
并与实测重力值序列
Figure BDA0003418672340000128
进行比较，按均方差最小化原则，得到航迹终点二次最佳匹配位置
Figure BDA0003418672340000129
Figure BDA00034186723400001210
其中，
Figure BDA00034186723400001211
Figure BDA00034186723400001212
表示航迹终点二次最佳匹配位置
Figure BDA00034186723400001213
的坐标。
步骤105，根据航迹终点一次最佳匹配位置和航迹终点二次最佳匹配位置，得到航迹终点最终最佳匹配位置，并根据航迹终点最终最佳匹配位置对惯导参数进行校准。
在本实施例中，将航迹终点一次最佳匹配位置
Figure BDA00034186723400001214
和航迹终点二次最佳匹配位置
Figure BDA00034186723400001215
分别记为坐标点E1和坐标点E2。然后，按坐标点E1和坐标点E2均方差值的相对大小并以最小化原则得到航迹终点最终最佳匹配位置PMat：
Figure BDA0003418672340000131
其中，PMat＝(xbest,ybest)，(xbest,ybest)表示航迹终点最终最佳匹配位置PMat的坐标；k＝1,2。
最后，根据航迹终点最终最佳匹配位置PMat＝(xbest,ybest)对惯导参数进行校准。
在上述实施例的基础上，下面以一个实例进行说明。
1、新型软间隔局部半圆域再搜索法的计算原理和执行流程
重力匹配算法作为水下潜器导航系统的核心构件之一，其性能表现直接决定着水下潜器校准位置的匹配精度、效率和可靠性等。TERCOM算法作为重力辅助导航经典算法，其以计算简单可靠、对初始误差不敏感、鲁棒性强、定位精度较高等优点而成为一种重要的水下重力匹配算法。本发明为进一步改善TERCOM算法匹配定位效率的同时提高域外误匹配点的匹配可靠性，根据TERCOM定位结果的统计分析及其惯导误差分布特性而构建软间隔圆型格网匹配机制以提高重力导航算法匹配效率；同时基于软圆域最佳匹配位置的软间隔边界性判定及局部半圆域生成机制而提出软圆域边界匹配点的局部半圆型再匹配机制，以降低算法软圆域外匹配位置的匹配误差并改善域外误匹配点的匹配可靠性。现将新型软间隔局部半圆域再搜索法(SLSR)的两种核心定位机理详述如下。
1.1软间隔圆型格网匹配机制
TERCOM算法以惯导输出航迹点为中心以3倍INS累积漂移误差(3σ)为半边长来张成以重力基准图格网分辨率为格点间隔的方型格网匹配区域(方域)，再对方域匹配点进行匹配比较并按匹配指标最优原则确定最佳匹配点作为当前水下潜器的真实位置，进而实现INS系统导航参数的修正和校准。但前期对TERCOM大量定位结果的统计分析发现：根据航迹真实位置与匹配点间被匹配成功概率的差异，TERCOM方域的周边区域可被划分为域内大概率被匹配区域F、域内小概率被匹配区域G和域外小概率被匹配区域H等3种类型，如图2所示。
图2中区域F为以惯导航迹位置为中心且以3σ为半边长半径的圆型格网匹配区域，其位于TERCOM方域内部且涵盖TERCOM方域的绝大部分匹配点，另据统计原理可知绝大多数航迹真实位置也依概率散落于该区域，故称为域内大概率被匹配区域，再根据其几何形状亦称为圆型匹配区域(圆域)；区域G为TERCOM方域与圆域F差集的格网匹配区域，即超过3σ的剩余方域，其以较小概率散落较少量的TERCOM方域匹配点，故称其为域内小概率被匹配区域；而区域H则不同于区域F和G，是位于TERCOM方域之外但仍散布着一定量的小概率被匹配的航迹真实位置，故称为域外小概率被匹配区域。
Remarks：区域H位于TERCOM方域外侧而未被匹配格网点有效覆盖，若水下潜器真实位置落入该区域则必然会导致TERCOM算法的误匹配，故称该类误匹配为域外误匹配。虽然散落于该区域的航迹真实位置是小概率的，但前期预测试统计发现，域内误匹配的误差一般不超过3个格网分辨率，其最佳匹配位置也位于潜器真实位置的附近；但域外误匹配的误差则达数个甚至数十个格网分辨率，其最佳匹配位置距潜器真实位置甚至相差较远，因此，有必要研究针对域外误匹配的特定匹配算法以提高其匹配可靠性，继而改善INS系统参数的校准效果以更好辅助水下潜器远距离高精度潜航任务。所提局部半圆型格网再匹配机制。
鉴于TERCOM不同区域内匹配点与惯导漂移误差间的相对位置关系及其匹配成功率差异，结合图2分析而构建软间隔圆型格网匹配机制(Soft-margin Circular GridMatching mechanism，SCGM)，以大概率保持算法匹配成功率的同时提高其匹配效率。首先，其以3σ作为圆域有效匹配点的边界，见图2区域F；其次，鉴于TERCOM方域匹配格点的离散性与圆域边界线连续性间的矛盾，为保证SCGM机制能够更多地涵盖边界匹配点，构造以“3σ+C”为软边界圆域(软圆域)并作为判断匹配点是否落入软圆域的上界判定准则，故SCGM软圆域内有效匹配格网点坐标
Figure BDA0003418672340000141
的计算表达式为：
Figure BDA0003418672340000151
本实施例中，取：加速度计0.01°/h、陀螺仪10-3m/s2；则，惯导的漂移误差的标准差δ约为1.8km/h。
由式(1)分析可知，SCGM机制的软圆域匹配格点数目N是由惯导误差σ和格网分辨率C所共同决定，在固定C条件下其格点数目N随着INS误差σ的增大而越趋增多，传统TERCOM算法的方域格点总数目为
Figure BDA0003418672340000152
同时由图2可知，随着TERCOM算法方域半边长的增大，区域G内被匹配点的数量越多，则SCGM机制相较于TERCOM被匹配格点数目则减少越多，从而有效保证了SCGM机制的相对更高匹配效率，即在固定δ和采样时间间隔t的条件下，航迹采样数目Nsample越多则理论上SCGM机制的匹配效率改善效果越显著。例如，当δ＝1.8km/h、t＝20s和Nsample＝50时(格网分辨率C＝100m)，TERCOM算法的方域匹配格点总数目为961，SCGM机制的匹配格点数目N为793，共计少执行168次匹配比对，故算法匹配过程的执行效率约提高17.5％；当Nsample＝200时，TERCOM方域匹配格点总数目N为14641，SCGM机制匹配格点数目为11677，共计少执行2964次匹配比对，故算法匹配过程的执行效率约提高20.2％。
考虑到重力基准图中格网分辨率处重力值的较高准确性，但插值法所得重力值未必能真实反映匹配点处的实际重力值，故为确定SCGM机制的水下潜器最佳匹配位置，该再匹配过程采用类似于传统TERCOM方法，即匹配时将软圆域内匹配点
Figure BDA0003418672340000153
与格网分辨率C相比后再按四舍五入原则映射到重力基准图最近格网点
Figure BDA0003418672340000154
并将该最近格网点
Figure BDA0003418672340000155
对应的重力值
Figure BDA0003418672340000156
作为软边界圆域内有效匹配格网点
Figure BDA0003418672340000157
的重力值替代。再根据软圆域匹配点位置
Figure BDA0003418672340000158
和水下潜器航速、航向、INS误差等信息提取出重力基准图上对应最近格网重力值序列
Figure BDA0003418672340000161
并与由重力仪测量得到的实测重力值序列
Figure BDA0003418672340000162
进行比较，按均方差最小化原则，可得SCGM的软圆域中的航迹终点一次最佳匹配位置
Figure BDA0003418672340000163
Figure BDA0003418672340000164
1.2局部半圆型格网再匹配机制(LSGR)
SCGM机制可通过减少TERCOM方域被匹配点数量以提高水下重力匹配导航效率，但却在一定程度上牺牲了TERCOM对区域G的匹配性能，即当水下潜器真实位置落入区域B时SCGM却难以有效匹配并导致INS系统导航参数校准的失效。为保证SLSR算法对区域G内真实位置的有效匹配，同时改善其对区域H内域外误匹配点的匹配可靠性，通过对TERCOM和SCGM匹配结果统计分析发现：当水下潜器真实位置位于有效匹配区域外侧的区域H时，基于SCGM算法的最佳匹配位置往往位于有效匹配区域边界的格点上且位于水下潜器的真实位置与惯导位置连线的延伸区域，因此，在不显著降低SCGM匹配效率的前提下构建基于软圆域边界匹配点的局部半圆型格网再匹配机制(Local Semicircle Grid Re-matchingmechanism，LSGR)，以提高SLSR算法对域外误匹配点的匹配可靠性。
LSGR是以SCGM机制为基础，若SCGM最佳匹配位置位于软圆域边界上则一定程度上表示该匹配位置未必是水下潜器的真实位置，甚至是远离潜器真实位置而发生域外误匹配并严重影响水下重力导航的匹配精度；因此，为进一步改善LSGR对边界最佳匹配点的再匹配搜索，将当前最佳匹配位置是否位于软圆域边缘的下界判断准则进行松弛，则SLSR算法边界匹配点的判断表达式为：
Figure BDA0003418672340000165
其中，3σ-C表示半圆域边界匹配点判别准则，-C是为了保证边界点判别的强鲁棒性，此外，若要保持LSGR策略的更高匹配效率，也可将该式(3)右侧修正为3σ。
LSGR机制是根据式(1)和式(3)对落入软圆域边界附近的匹配点进行局部半圆型格点再匹配，若判断SCGM的最佳匹配位置位于软圆域边缘，则LSGR机制被激发并以当前最佳匹配位置(xMat,yMat)为中心且以σ为半径张成半圆型局部再匹配格网区域(半圆域)，则半圆域内的有效匹配格网点
Figure BDA0003418672340000171
为：
Figure BDA0003418672340000172
基于LSGR机制的局部半圆型再匹配格点的生成过程示意，如图3所示。
LSGR最佳匹配位置的再匹配搜索过程类似于SCGM的匹配过程，将
Figure BDA0003418672340000173
与格网分辨率C相比再按四舍五入原则映射得重力图上最近格网点
Figure BDA0003418672340000174
并将最近格网点
Figure BDA0003418672340000175
对应的重力值
Figure BDA0003418672340000176
作为半圆域内的有效匹配格网点
Figure BDA0003418672340000177
的重力值替代；顺次提取航迹其他位置的重力值，得到最近邻替代重力序列
Figure BDA0003418672340000178
并与实测重力值序列
Figure BDA0003418672340000179
进行比较，按均方差最小化原则，得到航迹终点二次最佳匹配位置
Figure BDA00034186723400001710
Figure BDA00034186723400001711
将LSGR的最佳匹配位置
Figure BDA00034186723400001712
和SCGM的最佳匹配位置
Figure BDA00034186723400001713
分别记为坐标点E2和E1，再按二者MSD值的相对大小并以最小化原则得到SLSR算法的终点最佳匹配位置(xbest,ybest)：
Figure BDA00034186723400001714
1.3新型软间隔局部半圆域再搜索法的执行流程
由1.1节软间隔圆型格网匹配机制和1.2节局部半圆型格网再匹配机制相结合可得新型软间隔局部半圆域再搜索法(SLSR)，以提高水下重力匹配导航的效率和域外匹配可靠性，进而以水下潜器终点位置的有效匹配实现INS系统参数的修正校准。具体执行流程如图4所示。
2新型软间隔局部半圆域再搜索法的验证和应用
为验证新型软间隔局部半圆域再搜索法(SLSR)在提高水下重力匹配导航效率和可靠性中的有效性和优越性，共设计3组实验，实验1测试不同采样尺度下SLSR算法的软圆域匹配效率；实验2验证SLSR算法对TERCOM域外匹配点的再匹配可靠性；实验3以不同区域航迹起点验证SLSR算法的高匹配效率和良好域外匹配可靠性。
实例数据源自加利福尼亚大学圣迭戈分校网站，其分辨率为1'×1'的重力异常数据。如图5(a)所示，本发明选取南海地区重力异常数据进行研究，其数据经纬度取值范围为(经度113°E–115°E，纬度10°N–12°N)；本发明通过双线性插值法将重力异常基准数据转换成100m×100m的格网分辨率重力数据，如图5(b)所示，该区域重力异常最大值为130.57mGal，最小值为-33.53mGal，平均值为15.43mGal。
2.1不同采样长度下SLSR算法的软圆域匹配效率分析实验
模拟样本区块内重力异常格网分辨率为100m×100m、加速度计常值零偏10-3m/s2(惯导均方根误差服从正态分布)、航速10m/s、航向北偏东70°、初始位置误差0m、速度误差0.04m/s、航向误差0.05°、重力仪实时测量数据为真实航迹在重力异常数据库中的采样值叠加标准差为1mGal的随机噪声，采样点数目变尺度设定、采样周期20s。其中，本发明定义定位精度(匹配位置与真实位置之差的绝对值)不超过单位格网对角线长度
Figure BDA0003418672340000181
即为有效匹配，则匹配成功率＝(有效匹配次数/测试次数)×100％；同时记录N次测试定位精度的平均值(mean)、标准差(std)、最优值(best)和最差值(worst)以及平均匹配时间T(不含模拟环境配置时间)作为水下重力匹配算法性能评价指标。
为验证SLSR的软间隔圆型格网匹配机制(记为SCGM)对水下重力匹配导航匹配效率的改善有效性，以重力基准图格网坐标(1050，960)为水下潜器航行起点，采样尺度(Sampling Scale，SS)分别按100、150、200和250设定并进行数值模拟实验，同时以传统TERCOM算法作为对比算法；其直观匹配定位精度对比效果，如图6所示。
在mean、std、best和worst等4项精度指标上，SCGM算法在不同采样尺度下的匹配精度与TERCOM算法相差不大，且二者的匹配成功概率并无明显差异，表明SCGM算法的匹配性能与TERCOM并无显著差异；而所提SCGM算法的T指标值则明显小于TERCOM的T指标，同时4种不同采样尺度下，SCGM算法的平均匹配时间相对于TERCOM分别相对降低23.8％、16.7％、17.1％和27.8％，即平均节约20％以上，该结果与理论分析结论相呼应，表明所提SLSR算法的软间隔圆型格网匹配机制在不显著降低TERCOM匹配精度的前提下可有效提高水下重力辅助导航的匹配效率，佐证了软间隔圆型格网匹配机制相对TERCOM匹配效率改善的有效性和可行性。
为进一步剖析SLSR算法的软间隔圆型格网匹配机制对提高水下重力匹配导航效率的有效性，即探究SCGM匹配效率优异于传统TERCOM的原因，绘制不同采样尺度下传统TERCOM算法的匹配位置与水下潜器真实位置间的散点分布对比示意，如图7所示(以惯导位置作为图像坐标原点以便保证100次测试位置可绘制在同一幅图中，且坐标基本单位为格网分辨率/100m)。
由图7分析可知，不同采样尺度下TERCOM算法的被匹配位置几乎全部位于3σ方型格网区域内，且绝大部分是散落在3σ圆域范围内而较少位于外侧，该匹配散点分布特性符合误差正态分布的3σ原则且以较大概率较好地覆盖了潜器真实位置以保证重力匹配导航的匹配效率，故一定程度上从侧面佐证了SLSR的软间隔圆型格网匹配机制对提高水下潜器重力匹配导航效率的可行性。为进一步剖析SCGM算法的实际匹配效果，绘制不同采样尺度下SCGM算法的匹配位置与潜器真实位置的散点对比示意，如图8所示。
由图8分析可知，SCGM算法的软间隔匹配圆域在4种不同采样尺度下几乎均较好地覆盖了航迹终点的真实位置并实现了其良好水下匹配性能，再次验证了基于软间隔圆型格网匹配机制的SLSR算法对提高水下重力匹配导航效率的有效性。
综合分析图7和图8中匹配位置与真实位置的相对位置关系，可以发现导致匹配位置与真实位置偏差的原因之一是潜器航迹终点的真实位置位于软间隔匹配格网区域边界之外而导致“所有匹配格点永远无法实现潜器真实位置的有效覆盖”所产生的匹配失效现象，特别是TERCOM方域外误匹配，如图7(a)和图8(a)与(c)中的*点位置。下节将针对该种误匹配情形，利用SLSR算法的局部半圆型格网再匹配机制展开域外误匹配可靠性提高的分析验证性实验。
2.2SLSR算法的域外匹配可靠性分析实验
为验证融合局部半圆型格网再匹配机制的SLSR算法对TERCOM域外误匹配点的再匹配可靠性，以采样尺度SS＝150为例，以TERCOM和SCGM为对比算法，为保证测试结果的公平性和有效性将测试次数设置为10000，其他参数设置同2.1节。首先，以TERCOM算法进行10000次测试并保存其原始数据；其次，以TERCOM每次测试的随机重力序列、随机惯导终点位置等数据作为SCGM算法和SLSR算法的配置环境并完成测试。
SLSR算法的匹配精度统计指标和匹配成功率几乎均优于TERCOM算法和SCGM算法；而在匹配时间T指标上，改进算法平均匹配时间与SCGM算法的相差不大且相对于TERCOM匹配效率约提高16.4％，表明SLSR算法对水下潜器终点真实位置保持较高的覆盖特性，有效验证了所提算法在保持SCGM算法良好匹配效率的同时可依概率改善TERCOM方域外侧匹配位置的定位精度。特别是，在10000次实验中SLSR的最差指标显著优于TERCOM算法，表明所提SLSR算法具有更强的TERCOM域外误匹配规避性能，但囿于误匹配的相对少量性而未凸显SLSR域外误匹配的匹配效果。因此，为进一步统计分析不同算法对TERCOM域外误匹配的统计对比结果，首先，根据如下域外误匹配判别公式记录TERCOM的域外误匹配序列号
Figure BDA0003418672340000211
Figure BDA0003418672340000212
其中，xreal和yreal分别表示水下潜器真实位置的横坐标和纵坐标。其次，按TERCOM域外误匹配序列号
Figure BDA0003418672340000213
提取SCGM算法和SLSR算法的匹配结果；最后，计算并汇总3种算法对TERCOM域外误匹配的对比统计结果。
SLSR算法可有效降低TERCOM域外误匹配的发生次数，降幅达73.17％。而在匹配精度统计指标上，SLSR算法均显著优于TERCOM和SCGM算法；SLSR的平均匹配精度小于一个格网的对角线长度，实现了TERCOM域外误匹配的有效平均定位；更小的std指标，表明SLSR具有更好的算法匹配稳健性；特别是SLSR的最差匹配指标worst仍优于TERCOM的平均匹配指标mean值，验证了所提算法对域外误匹配点的良好再定位性能；相对于TERCOM算法，SLSR算法在4项精度指标上的提升幅度分别达80.72％、81.06％、73.70％和94.28％。SCGM算法的平均匹配时间较TERCOM约降低17.17％，但其匹配精度指标却因软圆域匹配点损失TERCOM方域的外围匹配点而引起了其更大的域外误匹配偏差；而SLSR算法的T指标值则降低达16.36％，有效验证了所提SLSR算法在提高TERCOM匹配效率的同时可实现其域外误匹配点的再匹配可靠性。
为进一步直观展示SLSR算法对TERCOM域外误匹配点的良好再匹配性能，绘制测试过程中部分域外误匹配点的半圆域再匹配示例，如图9所示。
由图9分析可知，SLSR算法可通过软圆域边界匹配点的局部半圆域再匹配搜索以实现TERCOM域外误匹配点的高精度定位，即得到航迹终点的更佳匹配位置；同时不同边界格点的半圆域再生匹配的有效性表明所提SLSR的局部半圆型格网再匹配机制具有良好的匹配鲁棒性和依概率提高域外误匹配点的匹配可靠性的优点。根据图9各子图的TERCOM实线方框位置分析可知，水下潜器真实位置均位于TERCOM方域外侧而必然导致TERCOM匹配失效，尽管其进行了更多格网点的匹配比对但仍无法避免域外误匹配的发生；而SLSR算法虽然执行了更少的匹配比对却可以有效覆盖潜器真实位置并实现域外误匹配点的更优匹配，从而依概率保证了SLSR算法在水下重力辅助导航的匹配效率和域外匹配可靠性上双优于传统TERCOM算法，进一步验证了SLSR算法的局部半圆型格网再匹配机制对TERCOM域外匹配点的高匹配效率和良好定位可靠性。
2.3不同区域航迹起点下SLSR域外匹配效率和可靠性分析实验
为验证SLSR算法在不同重力区域航迹起点条件下的优异域外匹配性能，以采样尺度SS＝150为例，分别选定航行起点格网坐标A(1350，1450)、B(1250，1050)和C(1700，350)并按2.1节参数设置情况进行测试。为保证TERCOM算法与所提SLSR算法在水下重力匹配导航性能对比中的公平性，先以传统TERCOM算法进行10000次测试，记录其域外误匹配点并保存对应测试的参数设定；其次，以TERCOM域外误匹配时的惯导位置偏差、航迹重力误差序列等数据作为SLSR的输入并执行这些域外点的再匹配定位；最后，记录TERCOM域外点匹配结果并与SLSR再匹配的对比统计结果。
在TERCOM域外误匹配的同等测试条件下，SLSR算法均能够有效降低TERCOM域外误匹配的发生概率，误匹配次数分别降幅达92.68％、90.24％和98.62％。在域外误匹配点的定位精度统计指标上，SLSR算法均显著优于传统TERCOM算法，其平均匹配精度均小于一个格网对角线长度且分别相对TERCOM提高了88.37％、85.48％和83.66％，进而验证了新型软间隔局部半圆域再搜索法对域外极端误匹配点再匹配定位的有效性及其高匹配可靠性。同时在T指标上，SLSR算法的匹配效率相对于TERCOM均降幅达18％以上，表明SLSR模型在水下重力匹配导航中具有更快的匹配效率，进一步佐证了本发明所提新型软间隔局部半圆域再搜索法在提高水下重力匹配效率的同时有效改善域外匹配点的定位可靠性等优点。
为进一步直观展示SLSR算法对TERCOM域外误匹配点的高精度再匹配对比效果，绘制不同区域航迹起点下域外匹配点的误差统计柱形对比、不同重力区间段内域外匹配点的散布对比分别见图10和图11。
由图10分析可知，不同区域航迹起点下，TERCOM的绝大多数域外误匹配误差超过5个甚至10多个格网分辨率，严重影响水下潜器的定位匹配效果；而SLSR算法可实现这些域外匹配点的有效匹配定位，超过90％的匹配误差均小于一个格网，有效验证了所提SLSR模型对TERCOM域外误匹配点的强再匹配定位性能并表现出良好的域外匹配可靠性。SLSR仅有的几个域外误匹配主要是由于半圆域的σ半径有限而使再生匹配点未有效覆盖潜器真实位置所导致的，因此，在实际应用中可通过适当调大半圆域半径以保证SLSR半圆域外误匹配点的更高匹配精度。
由图11分析可知，在不同重力区间段内TERCOM域外匹配点的水下重力匹配导航中，SLSR的最佳再匹配位置几乎均聚集于以水下潜器真实位置为中心且以一个格网对角线长度为半径的有效匹配环线内侧，而TERCOM的最佳匹配位置却散布在真实位置周围的更大空间范围内，表明本发明所提SLSR算法能够更好更准确地定位域外匹配点的坐标位置，以有效修正校准INS系统的导航参数并有利于实现水下潜器长航时长航距的航行目标；同时这3条航迹终点位置落于不同的重力区间段内，在一定程度上有效验证了SLSR算法对不同重力区段内的域外匹配点均具有较高的匹配精度和良好定位可靠性。综上所述，有效佐证了新型软间隔局部半圆域再搜索法在提高水下重力匹配导航的效率和域外可靠性的有效性和可行性。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种基于软间隔局部半圆搜索提高水下导航效率和可靠性方法，其特征在于，包括：
获取惯导数据，并导入研究区域的重力基准图；
基于软间隔圆型格网匹配机制，进行一次匹配搜索，得到航迹终点一次最佳匹配位置；
判断航迹终点一次最佳匹配位置是否位于软边界圆域的边界区；
若确定航迹终点一次最佳匹配位置位于软边界圆域的边界区，则基于局部半圆型格网匹配机制，对航迹终点一次最佳匹配位置进行二次匹配搜索，得到航迹终点二次最佳匹配位置；否则，直接输出航迹终点一次最佳匹配位置；
根据航迹终点一次最佳匹配位置和航迹终点二次最佳匹配位置，得到航迹终点最终最佳匹配位置，并根据航迹终点最终最佳匹配位置对惯导参数进行校准。
2.根据权利要求1所述的基于软间隔局部半圆搜索提高水下导航效率和可靠性方法，其特征在于，基于软间隔圆型格网匹配机制，进行一次匹配搜索，得到航迹终点一次最佳匹配位置，包括：
根据惯导数据，基于地形轮廓匹配算法TERCOM，生成方域匹配格网点；
根据研究区域的重力基准图，确定软边界圆域；
根据确定的软边界圆域，对方域匹配格网点进行筛选，得到软边界圆域内的有效匹配格网点；
根据确定的软边界圆域内的有效匹配格网点，按均方差最小化原则，解算得到航迹终点一次最佳匹配位置。
3.根据权利要求2所述的基于软间隔局部半圆搜索提高水下导航效率和可靠性方法，其特征在于，根据研究区域的重力基准图，确定软边界圆域，包括：
确定研究区域的重力基准图的单位格网分辨率C；
获取经单位时间间隔t的Nsample次采样后的惯导的累积漂移误差σ：σ＝δ·Nsample·t/3600；其中，δ表示惯导的漂移误差的标准差；
根据C和σ，确定软边界圆域的范围：3σ+C。
4.根据权利要求3所述的基于软间隔局部半圆搜索提高水下导航效率和可靠性方法，其特征在于，根据确定的软边界圆域，对方域匹配格网点进行筛选，得到软边界圆域内的有效匹配格网点，包括：
确定INS惯导输出的航迹终点PINS邻近格网对应的整数坐标(xZ,yZ)，并将(xZ,yZ)作为软边界圆域的中心格点；其中，xZ＝[xINS/C]，yZ＝[yINS/C]，[·]表示四舍五入取整；PINS＝(xINS,yINS)，(xINS,yINS)表示航迹终点PINS的坐标；
根据(xZ,yZ)和确定的软边界圆域的范围3σ+C，对方域匹配格网点进行筛选，得到软边界圆域内的有效匹配格网点
Figure FDA0003418672330000021
Figure FDA0003418672330000022
其中，
Figure FDA0003418672330000023
Figure FDA0003418672330000024
表示软边界圆域内的有效匹配格网点
Figure FDA0003418672330000025
的坐标；i∈{-row,-row+1,…,0,1,…,row}，表示软边界圆域内有效匹配格网点
Figure FDA0003418672330000026
偏离中心格点(xZ,yZ)的横向格网边长序列，
Figure FDA0003418672330000027
Figure FDA0003418672330000028
表示向上取整；j∈{-col,-col+1,…,0,1,…,col}，表示软边界圆域内有效匹配格网点
Figure FDA0003418672330000029
偏离中心格点(xZ,yZ)的纵向格网边长序列，
Figure FDA00034186723300000210
5.根据权利要求4所述的基于软间隔局部半圆搜索提高水下导航效率和可靠性方法，其特征在于，根据确定的软边界圆域内的有效匹配格网点，按均方差最小化原则，解算得到航迹终点一次最佳匹配位置，包括：
将软边界圆域内的有效匹配格网点
Figure FDA00034186723300000211
与C相比后，再按四舍五入原则映射到重力基准图最近格网点
Figure FDA00034186723300000212
并将最近格网点
Figure FDA00034186723300000213
对应的重力值
Figure FDA00034186723300000214
作为软边界圆域内有效匹配格网点
Figure FDA00034186723300000215
的重力值替代；
从惯导数据中获取水下潜器航速、航向和INS误差；根据
Figure FDA00034186723300000216
及获取的潜器航速、航向和INS误差，提取出重力基准图上对应最近格网重力值序列
Figure FDA0003418672330000031
并与由重力仪测量得到的实测重力值序列
Figure FDA0003418672330000032
进行比较，按均方差最小化原则，得到航迹终点一次最佳匹配位置
Figure FDA0003418672330000033
Figure FDA0003418672330000034
其中，
Figure FDA0003418672330000035
Figure FDA0003418672330000036
表示航迹终点一次最佳匹配位置
Figure FDA0003418672330000037
的坐标；η＝1,2,...,Nsample。
6.根据权利要求5所述的基于软间隔局部半圆搜索提高水下导航效率和可靠性方法，其特征在于，判断航迹终点一次最佳匹配位置是否位于软边界圆域的边界区，包括：
将
Figure FDA0003418672330000038
与PINS＝(xINS,yINS)进行比较，若满足如下式(3)，则确定航迹终点一次最佳匹配位置位于软边界圆域的边界区：
Figure FDA0003418672330000039
7.根据权利要求6所述的基于软间隔局部半圆搜索提高水下导航效率和可靠性方法，其特征在于，基于局部半圆型格网匹配机制，对航迹终点一次最佳匹配位置进行二次匹配搜索，得到航迹终点二次最佳匹配位置，包括：
以
Figure FDA00034186723300000310
为中心、σ为半径张成半圆型局部再匹配格网区域，即半圆域；
将
Figure FDA00034186723300000311
作为半圆域内的中心格点(xMat,yMat)，筛选得到半圆域内的有效匹配格网点；其中，
Figure FDA00034186723300000312
根据确定的软边界圆域内的有效匹配格网点，对航迹终点一次最佳匹配位置进行二次匹配搜索，得到航迹终点二次最佳匹配位置。
8.根据权利要求7所述的基于软间隔局部半圆搜索提高水下导航效率和可靠性方法，其特征在于，通过如下式(4)筛选得到半圆域内的有效匹配格网点
Figure FDA0003418672330000041
Figure FDA0003418672330000042
其中，
Figure FDA0003418672330000043
Figure FDA0003418672330000044
表示半圆域内的有效匹配格网点
Figure FDA0003418672330000045
的坐标；m∈{-r,-r+1,…,0,1,…,r}，表示半圆域内的有效匹配格网点
Figure FDA0003418672330000046
偏离中心格点(xMat,yMat)的横向增减格网数量，r＝row/3；n∈{-c,-c+1,…,0,1,…,c}，表示半圆域内的有效匹配格网点
Figure FDA0003418672330000047
偏离中心格点(xMat,yMat)的纵向增减格网数量，c＝col/3。
9.根据权利要求8所述的基于软间隔局部半圆搜索提高水下导航效率和可靠性方法，其特征在于，根据确定的软边界圆域内的有效匹配格网点，对航迹终点一次最佳匹配位置进行二次匹配搜索，得到航迹终点二次最佳匹配位置，包括：
将半圆域内的有效匹配格网点
Figure FDA0003418672330000048
与C相比后，再按四舍五入原则映射得重力图上最近格网点
Figure FDA0003418672330000049
并将最近格网点
Figure FDA00034186723300000410
对应的重力值
Figure FDA00034186723300000411
作为半圆域内的有效匹配格网点
Figure FDA00034186723300000412
的重力值替代；
顺次提取航迹其他位置的重力值，得到最近邻替代重力序列
Figure FDA00034186723300000413
并与实测重力值序列
Figure FDA00034186723300000414
进行比较，按均方差最小化原则，得到航迹终点二次最佳匹配位置
Figure FDA00034186723300000415
Figure FDA00034186723300000416
其中，
Figure FDA00034186723300000417
Figure FDA00034186723300000418
表示航迹终点二次最佳匹配位置
Figure FDA00034186723300000419
的坐标。
10.根据权利要求9所述的基于软间隔局部半圆搜索提高水下导航效率和可靠性方法，其特征在于，根据航迹终点一次最佳匹配位置和航迹终点二次最佳匹配位置，得到航迹终点最终最佳匹配位置，包括：
将航迹终点一次最佳匹配位置
Figure FDA0003418672330000051
和航迹终点二次最佳匹配位置
Figure FDA0003418672330000052
分别记为坐标点E1和坐标点E2；
按坐标点E1和坐标点E2均方差值的相对大小并以最小化原则得到航迹终点最终最佳匹配位置PMat：
Figure FDA0003418672330000053
其中，PMat＝(xbest,ybest)，(xbest,ybest)表示航迹终点最终最佳匹配位置PMat的坐标；k＝1,2。
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