基于抗差自适应CKF的水下重力匹配导航SITAN算法

为提高水下重力匹配算法的定位精度和稳健性,将容积卡尔曼滤波应用到水下重力匹配惯性导航中,同时引入抗差估计和自适应因子,提出了基于抗差自适应容积卡尔曼滤波的水下重力匹配导航SITAN算法。利用重力异常模型数据开展仿真实验,结果表明,所提算法能有效修正惯导整体航迹,在观测值未加入粗差的情况下较普通容积卡尔曼滤波算法提高了76%的导航定位精度,在观测值加入30 mGal粗差的情况下,提高了88%的导航定位精度。该研究成果可为后续水下重力匹配导航算法的理论研究及工程实践提供一定的数据支撑。

水下重力匹配导航的非线性滤波算法研究

地球重力场辅助惯性导航系统应用于水下运载体的导航定位,能够有效降低惯性导航系统误差随时间累积的影响,保证水下运载体的长时间导航精度。EKF算法与UKF算法是两种常用的非线性滤波算法,以水下重力匹配导航为例,在南海选取两块重力异常变化剧烈程度不同的海域开展仿真试验,试验结果表明:两种算法都能够匹配真实航迹,有效降低惯导定位误差,采用UKF算法的导航定位精度水平较EKF算法提升30%以上,具有较好的精度提高作用。

基于新型分层邻域阈值搜索法提高水下潜器重力匹配导航的匹配效率

本文开展了水下潜器重力匹配导航的匹配效率改善研究.第一,为克服传统TERCOM算法逐点遍历搜索效率较低的缺点,提出新型分层邻域阈值搜索法.其原理如下:首先,利用4格网间隔数进行粗搜索匹配;其次,为提高初始匹配点的选取标准设置4mGal阈值(基准图上重力值与实测重力值之差),对选取的若干粗搜索行最佳匹配点周围24邻域点进行取舍并匹配比较;最后,获得搜索范围内最佳匹配点.第二,综合考虑了重力场标准差、峰度系数、坡度标准差、粗糙度、信息熵等重力场主要特征参数,将其作为适配区优劣的分析依据.第三,在适配性良好的区域内,在保证水下导航精度的前提下,基于分层邻域阈值搜索法,以本文参数设置为例,水下潜器重力匹配导航的匹配效率提高约14.14倍.

基于新一代GNSS-R星座海面测高原理提高水下惯性/重力组合导航精度研究进展

紧跟国际卫星测高反演和水下组合导航的最新热点,以满足中国迫切提出的科学和国防需求为导向,介绍了基于GNSS-R卫星海面测高原理提高水下惯性/重力组合导航精度研究进展。第一,介绍了GNSS-R测高精度研究进展、GNSS-R测高沿轨迹空间分辨率研究进展、GNSS-R反射点轨迹间空间分辨率研究进展、基于卫星测高反演海洋重力场研究进展、水下重力匹配导航研究进展等。第二,在GNSS-R海面测高方面,提出了新型大地水准面静态高程镜面反射点修正定位法、海洋潮汐时变高程镜面反射点修正定位法、法向投影镜面反射点修正定位法、GNSS-R星载下视天线接收信噪比模型构建法、GNSS-R星载下视天线可用镜面反射点筛选算法等,旨在提高卫星测高精度和空间分辨率;在水下重力匹配导航方面,提出了新型主成分加权平均归一化法、测地线周期性航向控制法、分层邻域阈值搜索法、先验递推迭代最小二乘误匹配修正法等,旨在提高水下重力匹配导航精度、匹配效率及可靠性。第三,预期提出新型二阶不动点时延提取法,旨在提高GNSS-R卫星海面测高精度;预期提出新型反射信号分解法,旨在提高GNSS-R卫星海面测高沿轨迹空间分辨率;预期提出新型海面粗糙度误差校正法,旨在提高GNSS-R卫星海面测高轨迹间空间分辨率;预期提出新型正则化稳健算法,旨在提高海洋重力场反演精度和空间分辨率;预期融合星载GNSS-R模拟测高数据、岸/空基GNSS-R验证测高数据等多源信息,联合几何配准收敛速度快和直接概率准则定位精度高的优点,构建新型几何配准-直接概率准则混合法,旨在提高水下惯性/重力组合导航精度和速度。

基于量子重力探测技术的水下匹配导航仿真分析与评估

在电磁信号拒止的海洋环境中,基于海洋重力场辅助的水下匹配导航技术是提高潜航器导航定位精度的有效途径之一。近年来,基于冷原子干涉的量子绝对重力探测技术发展迅速,其探测精度高、可移动性强,在水下重力辅助导航领域具有极大的应用潜力。结合冷原子干涉量子重力仪最新技术发展水平,选取太平洋某典型海域,通过地形正演构建了高精度(<0.1mGal)、高分辨率(500 m)海洋重力基准图,基于最近等值线迭代(Iterative Closest Contour Point,ICCP)算法实现了对潜航器水下航行误差的重力场辅助匹配校正,将初始航迹误差从约4 km校正到约400 m。匹配算法具有指数收敛优势,在阈值收敛误差为10^(-6)下,算法平均收敛迭代次数44次,平均收敛时间0.0678 s。通过仿真分析和“探测技术-重力场基准图-匹配算法”系统综合效能评估,论证了现有量子重力探测技术在重力辅助水下匹配导航领域的应用潜能。

水下惯性/重力匹配自主导航综述

水下自主导航是实现我国海洋战略的关键技术,水下惯性/重力匹配导航技术因其高精度、长航时和隐蔽性等特点,已成为水下自主导航的重要手段。文中论述了水下惯性/重力匹配导航技术的重要性;详细介绍了惯性/重力匹配导航的关键技术点及发展现状,包括旋转调制惯性导航系统、重力图构建、重力实时测量、重力补偿、重力匹配和综合校正;指出了该领域的研究重点和方向,并针对水下高速航行器导航关键技术提出了解决思路。文中的研究可为水下高精度自主导航研究提供参考。

基于新型主成分加权平均归一化法优选水下重力匹配导航适配区

本文开展了水下潜器重力匹配导航的匹配区适配性评价研究.第一,本文综合考虑了重力异常标准差、坡度标准差、粗糙度、重力异常差异熵、分形维数等重力场主要特征参数,联合主成分分析准则和加权平均原理,提出了新型主成分加权平均归一化法;第二,基于新型主成分加权平均归一化法,计算可评价重力异常基准图各区域匹配效果的总体特征参数指标,依据总体特征参数指标进行优良适配区、一般适配区和非适配区划分;第三,在相同条件下,在划分的优良适配区、一般适配区和非适配区内,分别进行重力匹配数值模拟验证比较,结果表明,优良适配区的重力匹配效果显著,匹配概率约为98%,匹配稳定性高,位置误差小于1个重力异常基准图格网.

重力图形匹配技术在水下导航中的应用

以国外有关文献为依据,对重力图形匹配技术的基本原理和关键技术进行了分析,介绍了重力图形匹配技术应用于水下导航的研究现状,探讨了未来的发展方向,为国内相关领域的研究人员提供参考。

潜器水下重力匹配导航研究进展

由于水下重力匹配导航是提高潜器水下导航精度的重要手段,因此对海洋重力场、重力仪、重力梯度仪的研究进展进行综述。首先,总结了海洋重力场中外研究进展,回顾了SS系列、KMS-DNSC-DTU系列全球重力场模型的发展历程;其次,重点介绍了重力仪/重力梯度仪种类、精度水平、中外研究进展,列出了不同类型重力仪/重力梯度仪的代表型号;最后,简述了钱学森空间技术实验室天空海一体化导航与探测团队阶段性研究成果。

重力匹配导航的影响模式分析

从重力场匹配导航的改进TERCOM算法入手,针对采样长度、采样间隔以及重力测量误差对匹配结果的影响进行了系统分析,并在此基础上利用海洋年度重力测量数据设计了准实时仿真试验,结果表明：（1）采样长度对匹配结果有重要的影响,采样长度与重力基准图的分辨率比值在10~20之间时,能够获得较好的匹配效果;（2）适当增加采样间隔可以在一定程度上提高匹配的整体精度,但增加了匹配失效的风险,实际应用中采样间隔以2~4 min为宜;（3）重力测量白噪声误差对匹配结果影响相对较大,过大的误差将不能得到有效匹配,水下重力测量误差最好能控制在2 mGal以内。

重力异常匹配辅助导航解算模型的优化

重力匹配导航是目前水下惯性辅助导航的最佳解决方案之一,重力异常匹配是其中最重要的导航位置估算方式。由于正常重力与实际位置的相关性,实际进行的重力异常匹配不便于进行单纯的重力异常比较,为此设计了含有正常重力条件的重力匹配模型。比较仿真试验显示改进后的算法模型在重力异常变化平缓区域具有更好的匹配效果。

基于卫星测高数据的重力匹配导航仿真

介绍了重力匹配导航的研究背景和工作流程,设计了基于中国沿海实际重力异常数据的仿真试验模型。采用多模型自适应卡尔曼滤波与绝对平方差两种不同的算法,在两条具有不同重力异常变化的航行线路上进行了仿真试验,验证了重力异常匹配的技术可行性。

天海一体化水下重力辅助导航研究进展

水下航行器精确导航在海洋利用和开发过程中发挥了重要作用。关于抑制水下导航误差随时间累积的问题,进行了详细阐述和分析:简述了惯性器件的发展历程;详细对比了各导航系统的优劣性,着重介绍了国内外重力辅助导航研究现状,分析了针对目前水下航行器高精度导航的需求,以及全球海洋重力基准图空间分辨率不足的科学难题;提出了通过GNSS-R测高星座获得高空间分辨率和高精度全球海洋重力基准图的思路及技术路线,以期提高水下重力辅助导航精度。

水下匹配导航的TERCOM算法与ICCP算法之比较

借助海洋地球物理场、海底地形等信息辅助惯性导航系统开展水下匹配导航,能够有效克服误差积累效应影响,为潜器的安全航行提供保障。ICCP算法和TERCOM算法是两类常用的序列相关匹配导航算法,以重力匹配导航为例,通过仿真得到不同的INS指示航迹和真实航迹,分别采用两类算法得到匹配航迹,同时,分析讨论了3种误匹配情形。结果表明:两类算法均能够成功匹配真实航迹,重力异常变化越丰富的海域,匹配成功概率越高,但仍然存在ICCP算法等值线选取不正确、TERCOM算法错误匹配强相关航迹等情形。

重力场辅助水下导航仿真及分析平台的构建

基于Simulink工具对重力场辅助水下导航仿真及分析平台进行了详细设计,并对平台各模块的原理、建立过程和细节进行了详细介绍,形成了从基础重力格网数据库构建、匹配算法设计到最终性能评估的完整的重力场辅助水下导航仿真体系。该平台集成了现阶段比较优秀的重力场网格插值模型和匹配算法模型,只需要简单地对相应的算法Matlab函数进行修改就能方便地进行对比研究,是进行重力场匹配导航实验研究、演示验证的有力工具。

不同定位精度INS下的重力匹配算法适用性研究

重力辅助导航是以惯性导航为基础的辅助导航方法,惯性导航系统(INS)的误差特性直接影响匹配算法的定位效果。通过对几种经典的重力场相关匹配及滤波匹配算法的研究及匹配仿真实验指出,INS定位精度的变化会改变不同匹配算法间的优劣关系,从而改变匹配算法的适用性,并得出了适用于不同定位精度INS的匹配算法的结论。该结论为搭载不同精度INS载体的重力场匹配算法的选择提供依据,具有一定现实意义。

一种动态序列重力匹配算法

由于重力异常具有随机性,导致序列重力匹配算法精度受到匹配轨迹起始点位置的影响,因此,该文提出了一种动态序列重力匹配算法。该算法通过对构建多起点匹配轨迹序列,动态选择起始点,构建匹配轨迹序列,通过相关极值法提高重力匹配精度。结果表明,动态序列重力匹配算法重力匹配精度高,实时性好,能为水下载体长时间航行提供导航信息。

层次分析的惯导/重力匹配导航系统性能评估方法

提出了基于层析分析法的系统精度性能评估方法。在分析惯导/重力匹配导航核心误差要素的基础上,建立了基于多层的系统结构体系描述;设计阈值和遍历相结合的系统性能分值确定方法,解决了传统层析分析法的权重模型描述和权重确定客观性问题。实例表明:精度性能评估方法是有效的,该方法为评估惯导/重力匹配导航系统性能,进而实现系统性能优化提供了参考,具有一定现实意义。

ICCP算法在重力匹配中的应用

惯性导航误差是随时间积累的,利用重力匹配进行水下辅助导航,可以对惯性导航的漂移误差进行校正。本文主要研究ICCP算法在重力匹配辅助导航中的应用,通过理论分析和试验证明ICCP方法在初始位置误差不大的条件下,可以实现高精度的匹配,这种算法具有局部最优性。

海洋重力场在潜艇导航中的应用

重力场辅助水下导航是一种绝对无源的导航方式,是21世纪潜艇导航的发展方向。从改善潜艇惯性导航系统性能出发,通过对海洋重力场用于潜艇水下辅助导航的两种方式进行论述,给出了详细的应用过程和方法,并提出了相应的改进措施,为进一步将海洋重力场用于潜艇指明了方向。