地形辅助导航方法和设备技术

本发明专利技术设计了一种适合于空中（巡航弹、无人飞机、直升机等）或水下（潜艇、水下机器人、ＡＵＶ、ＵＵＶ等）的，尤其在初始定位误差和航向误差较大的情况下，使用低精度惯性导航系统实现的地形辅助导航方法和设备。该发明专利技术包括首先利用ＴＥＲＣＯＭ方法以及加权平均寻找粗匹配位置修正惯导航迹形成待调整航迹；然后使用迭代最近等值点算法对具有较大航向偏差的待调整航迹进行调整；为了防止出现误匹配，将多次寻优的目标函数与匹配的位置相结合，引入概率数据关联方法提高匹配的可靠性。本发明专利技术能够在较低的惯导精度下完成匹配，降低巡航导弹和潜艇等低空飞行器和水下载体的导航成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术提供了一种地形辅助导航方法和设备，该方法和设备 特别在初始误差较大的情况下，使用低精度惯性导航系统(Inertial Navigation System, INS)完成匹配，实现巡航导 弹、低空无人机、飞机、潜艇、水下机器人等的低成本高精度导 航。
技术介绍
在巡航导弹等低空飞行器或潜艇的导航中， 一般需要有较高 精度的INS,但是高精度INS造价高，而且，高精度INS的导航误差 也随运行时间累积，致使INS无法独立长时间工作。所以，需要其 它辅助导航方法来修正INS的累积误差，以保持导航系统的长时间 高精度工作。相对于全球定位系统(Global Positioning System, GPS)等其它辅助导航方法，地形辅助导航具有如下优 势在低空飞行器中，无地形遮蔽，适合于贴地飞行或地形掩 蔽；在水下潜艇中，不受水体遮蔽影响。但是，目前的地形辅助 导航方法对INS精度的依赖性仍比较大。因此，研究一种在低精度 INS条件下的地形辅助导航方法在降低应用成本和小型化等方面都 是有实际意义的。当载体运行到地形可导航区之后，INS—般具有较大的位置和 姿态误差，因而需要使用适合于大初始误差的快速定位方式，地 形轮廊匹西己(Terrain Contour Matching, TERC0M)方'法可k乂实 现大初始位置误差时的快速搜索，可以很快找到大致的匹配区 域，但其精度受INS精度影响较大，在大航迹形状误差条件下无法 正常工作；迭代最近等值点(Iterative Closest Contour Point, ICCP)算法利用高程等值线信息修正INS航迹，使INS航迹 逐渐向真实航迹靠拢，达到降低姿态误差的目的，因而减小了匹配方法对INS精度依赖性，但ICCP算法需要较小的初始定位误差才 能稳定工作。本专利技术充分结合了TERCOM和ICCP算法的优点，进行 了优势互补，可以应用在巡航导弹和飞机这类空中飞行器上，也 可应用在潜艇和水下机器人等水下载体的地形辅助导航方面，适 合于低精度I NS条件下的长时间航行。地形辅助导航方法的基本工作原理如图l所示，首先将匹配区 域的地形数字化，并以格网数字地形的形式存贮在导航计算机 中，当载体通过已经数字化的匹配地形区域时，用高程测量设备 101测量载体所在位置处的高程值，得到对应于栽体航迹的一条地 形剖面的地形高程采样值/序列，另外通过INS 103可知载体真实 位置的大体范围，在此范围内将测得的地形高程值/序列与预先存 储在导航计算机中的数字地图104—同输入导航计算机102中，进 行匹配计算，从而得到匹配的位置，再将该匹配位置反馈给INS 103, 1多正INS累积误差。TERCOM的工作过程如图2所示。该图是以INS当前输出位置为 中心，位置估计误差方差的3倍为半边长，构成初始搜索窗口，其 中每个格网的顶点表示一个高度数据(图2中共有17xl7个高程数 据)。载体在真实航迹上运行，每隔若干个格网距离采集一个高 程数据并记录此时的INS位置，假设截至A时刻累计的高程组成一 个高程采样序列，将该高程采样序列与搜索窗口内所有可能的方 向相同、长度一致的基准地图内的假定航迹逐一进行相关分析 (图2中共有17xl7条假定航迹)，具有最佳相关值的位置即被确 定为栽体真实位置的估计，即匹配位置，如图2中的三角形点所示。TERCOM能够进行大范围的搜索并迅速收敛；不过要求INS航迹 形状和航向都要与真实航迹相近，不能有太大的偏差，否则会因 为搜索窗口内寻找到的假定航迹与真实航迹偏差太大而导致数据 错位，匹配误差加大直至发散。如图3所示是ICCP算法的基本原理图。载体真实航迹由f' (/ = 1, 2, L,『)点组成，其中『是航迹的长度(点数)；INS 航迹由f点组成；另外，地形测量传感器测量到当地实际地形 c,,每一高度数据对应于地形图中的一条等高线。由于INS存在测量误差，S与f'之间不可避免地存在一定的偏差。ICCP算法的思想就是f 一定位于c,等值线上或附近，那么可以按照一定原 则，使《"靠拢到c,上，找到最优估计点,和航迹，实现对INS的误差补偿。这实际上是一种最优化过程，对于由『个点所组成的曲 线段，唯一可以调整的是这些点都相应位于各自等值线，而且可 以在各自等值线上滑动，最终使目标函数值达到最小。以总的误 差作为目标函数，即<formula>formula see original document page 9</formula> (1)式中￡为目标函数，即总误差；"(P, q)为P与q之间的距离；x,为估计点,的位置，y,为x,离等值线最近的点的位置；a,为INS指示位置；《为刚度系数。这里认为INS初始误差为零，如图3所示c。等高线上的真实位 置、INS位置和估计位置重合；按照最优化原理，对式(1)的目 标函数进行优化调整，即改变估计点的位置，使￡最小，并认为 该序列是对当前真实航迹的最优估计，即完成对,序列的估计。如图4所示为载体的速度误差和方向误差对一步航行的影响， 其中A为载体速度误差，《为载体航向误差，1),+1为沿航行方向的 单位矢量，^为水平面内与b,w相垂直方向的单位矢量。由图4可 以得到式(2)。<formula>formula see original document page 9</formula> ( 2 )由于A和《均为小量，所以式(2)可以近似为式(3)。<formula>formula see original document page 9</formula> (3 )式中<formula>formula see original document page 9</formula>，其中a。表示本次匹配的前面一 点INS的位置。将式(3 )代入式(1 )可得式(4 )。<formula>formula see original document page 9</formula> (4)在已知a,、 a和《的前提下，x, (/ = 1， 2, L,『)可以才艮据 式(3)计算出来，因此x,是^和《的函数。另外，y,是根据x,推 算出来的，因此，y,也是A和e,的函数。优化过程就是对式(4)进行最优化处理，由于x,和y,均是p, 和《的函数，因此优化变量就是^和《，目标函数是￡。在《趋于0时，由于航迹的任何小的变化都可能导致目标函数值大幅度变化，因此，只能不对航迹进行任何调整，而是通过刚 性变换(旋转和平移)使目标函数趋于最优值。如上所述，基本ICCP算法适合于INS航迹形状偏差较大的情 况；但是该方案要求INS初始误差很小，另外刚性变换方案的ICCP 算法要求INS的形状误差很小，所以目前的ICCP算法都不能够满足 实际应用的需求。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是在大初始误差和低精度INS的条件下，研究一种能够可靠进行辅助导航的地形匹配方法和设备，优点是能够大范围搜索，快速收敛，修正INS的航迹形状，降低导航系统的成本，提高导航的精度。根据本专利技术的一个方面，提供了一种适合于空中或水下的地形辅本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适合于空中或水下的地形辅助导航方法，其可用于大初始误差和低精度惯性导航系统的地形辅助导航，其特征在于包括：　Ａ）确定一个包含当前惯性导航位置的窗口；　Ｂ）在所述窗口中，采用ＴＥＲＣＯＭ方法计算粗匹配位置；　Ｃ）利用所述粗匹配位置修正所述惯性导航位置，在粗匹配位置上叠加惯性导航航迹形状作为待调整航迹；　Ｄ）使用ＩＣＣＰ算法对该待调整航迹进行调整，使待调整航迹向真实航迹接近。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王可东，杨勇，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]