水下地形匹配导航研究综述

地形辅助导航系统以地形高程特征为定位信息源,可为水下航行器提供有界的定位误差,并能显著地抑制捷联惯性导航系统的误差漂移。而地形匹配算法是地形辅助导航系统的关键技术,其输出的匹配位置可作为组合导航滤波器的观测值以修正导航参数,地形匹配精度直接决定了整个导航系统性能。首先概述了现有水下导航定位技术,然后阐述了地形辅助导航基本原理与组成,最后详细总结了中外地形辅助导航系统和地形匹配算法的研究进展,为中国地形辅助导航系统的开发和研制提供有益参考和支撑。

基于测速测距激光雷达的飞行器地形匹配导航方法

针对中低空飞行器地形匹配与惯导组合中惯导误差累积导致高程图变形限制地形匹配精度、二维地形匹配运算量大和地形匹配失效时定位可用性差的问题,提出一种基于测速测距激光雷达的地形匹配导航方法。利用激光测速信息辅助构建高程图,减小高程图变形从而提高匹配精度,同时降低匹配结果与惯导的相关性;设计集成尺度不变特征变换(SIFT)特征与分步核验的地形匹配算法,提高匹配的实时性;采用激光测速信息辅助校正惯导,提高地形匹配失效时定位的可用性。典型场景地形数据的测试结果表明,基于激光测速辅助构建的高程图较基于惯导构建的高程图的地形匹配定位精度提高了36.6%,所提的卡方初始化随机抽样一致性地形特征误匹配检测算法(TCI-RANSAC)相比于RANSAC算法缩短了55.6%的核验时间,且测速信息的引入将组合定位精度提高了65.9%,具备较高的工程应用价值。

基于3D Zernike矩的快速地形匹配算法

针对当前基于3D Zernike矩的地形匹配算法存在计算量大、实时性差的问题,通过分析3D Zernike矩的计算过程和构成地形特征向量的奇偶阶描述子的性能,提出了适用于地形匹配的3D Zernike矩快速计算方法和只使用奇数阶描述子构成特征向量的匹配方式.仿真实验表明:本文所提快速算法不仅能大幅降低计算量,还提高了匹配精度.

基于TERCOM-ICP联合算法的水下地形匹配方法研究

水下地形辅助导航一直是应用于AUV的热点和前沿问题,有助于修正惯导随时间积累的定位误差,以实现精确的导航定位。对经典地形匹配方法TERCOM算法进行了简单的介绍,引入点云配准领域的ICP算法,针对多波束测深系统可以获取地形剖面的特点,提出了一种TERCOM-ICP联合匹配算法。首先使用TERCOM算法粗匹配,将粗匹配后的大致位置作为指示输入ICP算法中进行精匹配,通过仿真实验对TERCOM算法的匹配结果和ICP算法的匹配时间作对比分析。仿真结果表明:TERCOM-ICP算法可以有效提高水下地形匹配精度,经过仿真实验测试,平均匹配误差可以达到20 m以内,所用时间在160 s以内,验证了该算法应用在水下地形匹配领域的可行性,更好地满足了水下辅助导航的要求。

基于熵差的海底地形匹配导航算法

利用信息熵原理进行海底地形匹配导航,建立地形差异熵,设计了包括搜索和定位两个阶段的地形熵差匹配算法,通过搜索与定位的转换逻辑,省却传统算法的跟踪阶段,提高匹配速度,利用粗匹配和精匹配两个阶段的匹配,以及设计误差匹配处理策略,以校正惯性导航系统(inertial navigation system,INS)随时间积累的位置误差,提高匹配效率及匹配定位精度,并使用实际海底数据进行仿真.结果表明,经度和纬度的位置匹配都具有较快的收敛速度,能够有效校正INS的位置误差,有精度高,稳定性好的优点,具有一定实用价值.

基于航迹规划的无人机地形辅助导航

为改善无人机基于地形轮廓匹配的地形辅助导航地形适应性差、实时性差的问题,本文提出一种基于航迹规划的地形辅助导航方法。针对地形匹配对地形依赖性强的问题,将无人机需要途经的区域进行分块并计算各块地形标准差,根据地形标准差选出地形平坦区域和地形起伏区域,用航迹规划算法为无人机规划出在地形起伏较大区域的航线。针对传统遍历搜索高程匹配算法耗时长的问题,在粒子群算法基础上引入分布估计的思想,形成优化粒子群算法进行地形轮廓匹配,加强全局寻优能力。仿真实验结果表明:优化粒子群算法降低匹配时长2/3,基于航迹规划的地形辅助导航降低位置误差6/7。

海底地形匹配技术研究

对海底地形匹配算法进行了研究,分别用两种常用的地形匹配算法:SITAN算法和TERCOM算法分别在海底地图上进行了仿真.并对传感器噪声对地形匹配概率的影响进行了批量仿真试验.试验结果表明,当传感器噪声的均方根小于10米时,TERCOM算法可以获得大于90%的匹配概率,SITAN算法也可以达到60~70米的CEP圆概率误差.

基于Hausdorff距离的海底地形匹配算法仿真研究

地形匹配算法是海底地形辅助导航系统的关键技术之一。根据海底地形的特殊特性,传统地形匹配算法直接应用于STAN时,易出现定位精度大幅降低和算法不稳定性问题。该文提出一种基于地形轮廓匹配原理的新算法,该算法利用改进的Hausdorff距离作为水深实时测量曲线与海底地形图水深曲线之间的度量函数。改进的Hausdorff距离对匹配对象存在的小误差不敏感,在一定程度上还可反映空间两条曲线的方位关系,该算法定位精度高、稳定性好。利用某海域地形图进行的仿真实验表明:该算法是可行的,定位精度比现有算法提高一倍左右。

基于仿射修正技术的水下地形ICCP匹配算法

ICCP匹配算法是水下组合导航系统中最为重要的匹配算法。针对传统ICCP匹配算法存在仅对水下航行器惯性导航系统指示航迹作旋转和平移的刚性变换的局限性问题,为提高水下航行器地形辅助导航系统中匹配算法的精度,分析了水下航行器惯性导航系统误差特性,建立了误差模型,提出了基于仿射修正技术的水下地形ICCP匹配算法。首先利用ICCP匹配算法对惯性导航系统指示航迹进行刚性变换,再利用最小二乘法求解仿射参数,进而对ICCP匹配航迹进行仿射修正。仿真研究表明,基于仿射修正技术的ICCP匹配算法能较好地解决传统ICCP匹配算法刚性变换的局限性,匹配精度优于传统ICCP算法,匹配误差小于数字地图网格间距的50%,同时仿射修正所耗费时间极少,所增加的时间仅为传统ICCP匹配算法匹配时间的千分之一。

三维对象模型与地形的匹配方法研究

提出并详细论述了四点匹配的方法并对该方法中的悬空点计算、姿态突变等问题 ,给出了相应的解决方案 针对点、线、面匹配方法中存在的问题 ,各种方法的效率、质量、适用范围进行了比较 。

基于三维地形匹配的月球软着陆导航方法研究

针对月球探测器定点着陆任务的需要,研究了基于三维地形匹配的导航方法。对三维地形匹配问题,将高程方差图局部极值点作为三维地形特征,在构建地形特征之间的相对位置与角度不变量的基础上,提出了基于投票的三维地形匹配策略。针对测量噪声统计特性的不确定性,将Sage-Husa噪声估计算子与迭代卡尔曼滤波相结合,通过对测量噪声进行在线估计有效避免滤波精度下降甚至滤波发散的出现。数字仿真结果表明所研究的导航方法能够有效地实现探测器相对位置和姿态的精确估计。

基于3D Zernike矩的三维地形匹配算法及性能分析

提出了一种基于面特征的三维地形匹配算法。在算法中,与三维地形具有一一对应关系的3D Zernike矩用来描述参考高程图(DEM)和恢复地形高程图(REM),三维地形匹配转化为基于3D Zernike矩的特征向量匹配。匹配按先粗后精两步进行,在粗匹配中,匹配窗口滑动步长设定为5个象素,采用较低阶数的3D Zernike矩。在精匹配中,只对3个最优粗匹配位置的邻近区域进行精匹配,匹配窗口滑动步长为1个象素,采用较高阶数的3DZernike矩。两块地形的相似度以它们的3D Zernike矩间Camberra距离来度量,距离越小越相似,反之亦然。本算法属于特征面匹配,相对于基于特征点和特征线的地形匹配,理论和实验证明该算法具有更高的匹配概率、匹配精度和更强的抗噪声能力。

地形匹配辅助导航中匹配区域的选择

利用海底地形匹配辅助导航是水下载体导航技术致力研究的新方向。通过多波束测深系统测量获得的真实地形数据,采用ICCP算法为对准匹配算法,分析了实测地形的统计特征对相关匹配性能的影响,给出了地形匹配区域选择准则,并在实测地形图上利用匹配算法对此进行了仿真研究,从而得到水下载体的最佳匹配位置,提高水下载体的导航精度。

一种基于地形匹配的自适应道路建模方法

道路建模是虚拟战场及数字城市等领域的重要研究内容之一。以横截面道路模型结构[1]为基础,给出了一种基于地形匹配的自适应道路模型的构建方法。通过引入道路控制点结构,为四种主要道路现象建立了模型,然后提出一种“预测-判断”匹配法,用来在各个控制点之间实时生成地形匹配的非均匀截面串。算法可以较好的解决道路与地形的匹配问题,同时可以有效的降低道路模型的复杂度,提高渲染效率。

面向二维GIS矢量数据三维可视化的地形匹配技术研究

提出一种二维GIS矢量数据三维可视化过程中地物与地形的快速匹配方法。结合矢量所代表地物的特性,对基于矢量信息的三维地物进行了分类,综合采用了地物匹配地形和地形匹配地物两种方法。地物匹配地形算法通过实时调整地物的位置和姿态实现与地形的匹配,地形匹配地物算法以不同的距离度量为基础,对矢量约束域内地形进行变形操作实现匹配。本算法还讨论了原始地形数据分辨率较低以及多个地形匹配影响域相交等特殊情况的处理方法。试验结果表明,本方法能满足基于点、线、面矢量信息的三维地物与地形的匹配需求,实现地物与地形无缝结合及平滑过渡,从而达到改善视觉效果的目的。

一种基于路径筛选的地形匹配算法

为了减少传统的匹配算法过大的计算量,提高地形匹配算法的实时性和工程实用性,通过对地形辅助导航系统的总体技术研究,提出了一种基于路径筛选的新型地形匹配算法,利用地形斜率,在飞机飞行过程中不断筛选可能路径,直到找到唯一的正确路径,从而实现精确定位。此算法的优点在于:充分考虑了无线电高度表、大气高度表、数字地图的误差,因此在存在较大误差的工程实际中仍能精确定位;由于在飞行过程中不断排除不可能路径,因此计算量大大减少。通过实验室仿真证明,此算法精确可靠,可以对惯导系统的定位误差做出有效校正。

鲁棒性地形匹配/惯性组合导航算法

基于传统平均绝对差算法引入了选取搜索区域和匹配运算的改进策略,使得算法在匹配定位时允许载体灵活机动,提高了实时性;针对桑迪亚算法易发散的问题,分析了组合滤波算法的特点,建立了地形匹配/惯性组合导航的数学模型;针对地形匹配"虚定位"影响滤波结果的问题,引入了一种基于新息向量的鲁棒检测算法,采用最小二乘对误匹配点进行拟合改正。仿真研究表明:与传统算法相比,组合滤波算法精度更高、稳定性更强,能高频率(200 Hz)输出高精度导航参数,误差保持在一个格网间距(90 m)以内;鲁棒检测算法能有效抵御粗差影响,在经纬度方向各加入0.05°粗差的情况下,仍可保持较高精度。

基于地形熵和地形差异熵的综合地形匹配算法

水下运载体的导航主要以惯性导航为主,但是,由于水下运载体在海底的运行速度比较慢,惯性导航系统随着时间的累积出现了定位误差增大的缺点,因此需要地形辅助导航来纠正惯导的误差。文中将地形熵和地形差异熵的概念引入到水下地形匹配算法中,设计了基于地形熵和地形差异熵的综合地形匹配算法,并将该算法应用于水下地形辅助导航系统中,经验证该算法取得了良好的纠正惯导定位的效果,实现了水下地形辅助导航的任务。

基于地形轮廓面正交分解的三维地形匹配算法

地形辅助导航(TAN)是提高低空(超低空)无人飞行器(UAV)导航精度的一种有效手段。传统的三维地形匹配算法的可靠性差,无法满足工程需求。激光成像雷达能够获得高精度三维数字地形图,有效提高地形匹配辅助导航系统的适应性。文中根据地形轮廓面的正交分解模型,提出了一种适用于激光成像雷达的新型三维地形匹配算法。该算法通过正交分解构造地形特征矢量,通过矢量匹配和在线置信度分析提高地形匹配的可靠性,并进一步结合激光成像雷达和自然地形的特点设计了相应的优化搜索策略。该算法匹配结果置信度高、稳定性好,具有良好的工程应用前景。

基于Hu矩的水下地形二维特征匹配辅助导航方法

相比于以单波束测深原理为基础的ICCP、TERCOM等一维序列匹配辅助导航方法,基于多波束测深系统的二维阵列匹配算法增加了原始地形信息的丰富度,可以用来提高地形辅助匹配导航系统的精度和适用性。通过归一化灰度转换,使实时扫测地形和原始数据库地形分别形成待匹配的模板灰度图和背景灰度图,采用圆窗口化搜索策略,分别计算实时图和子图的Hu矩,保证了相同地形特征的旋转不变性。通过归一化互相关算法衡量两个地形的相似性,得到匹配地形,实时的辅助主惯导修正误差。仿真表明,利用此匹配算法在实时扫测地形平坦区域和特征明显区域均能成功匹配;位置误差均在5个网格以内,能容忍的系统信噪比最小为9 d B,抗噪声能力强;Hu矩的抗旋转特性大大提高了此方法的适用性,能够满足高精度水下地形匹配辅助导航系统的苛刻要求。