一种基于惯性导航与重力梯度灯塔的潜器导航方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于惯性导航与重力梯度灯塔的潜器导航方法及系统。该方法包括：根据惯性导航系统输出结果确定当前时刻水下潜器的初步位置信息；根据初步位置信息和重力灯塔的参数，确定重力梯度背景场的搜索区域；获取搜索区域内每个格网点的重力梯度值信息；获取水下潜器的实测重力梯度值；采用归一化积相关函数计算实测重力梯度值与每个格网点的重力梯度值信息之间的相似度；根据搜索区域内相似度的总体标准差确定相似度阈值；筛选相似度值大于相似度阈值的多个格网点，得到备选格网点集合；将备选格网点集合中与下一时刻水下潜器的位置坐标平面距离最近的格网点的位置确定为当前时刻水下潜器的最终位置。本发明专利技术可以提高潜器导航的准确度。高潜器导航的准确度。高潜器导航的准确度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于惯性导航与重力梯度灯塔的潜器导航方法及系统


[0001]本专利技术涉及水下潜器重力导航领域，特别是涉及一种基于惯性导航与重力梯度灯塔的潜器导航方法及系统。

技术介绍

[0002]目前关于水下潜器的重力导航包括以下方式：
[0003]水下重力梯度匹配辅助导航：通过测高卫星数据获取重力梯度数据从而生成全球海洋重力梯度图，预先装入水下潜器导航终端。通过艇载重力梯度仪实时测量航迹上的对应重力梯度值，根据惯性导航系统提供的位置信息，搜索附近范围内的重力梯度值并与舰载重力梯度仪实时测量值进行匹配，寻找相似度最高的重力梯度值对应坐标点信息，进而更新潜艇自身坐标，用以校正惯导系统。
[0004]水下重力灯塔导航方法：从全球海洋重力梯度图中筛选出特征明显的数据，构建重力灯塔数据库。通过艇载重力梯度仪测量结果与重力灯塔进行相关分析，从而获取自身坐标并校正惯导系统。
[0005]惯性导航系统：根据加速度计和陀螺仪可以提供平面导航，但是系统误差随时间积累而不断累积，导致导航准确度低。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种基于惯性导航与重力梯度灯塔的潜器导航方法及系统，以提高水下潜器重力导航的准确度。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0008]一种基于惯性导航与重力梯度灯塔的潜器导航方法，包括：
[0009]根据惯性导航系统的输出结果确定当前时刻水下潜器的初步位置信息；
[0010]根据所述初步位置信息和所述重力灯塔的参数，确定重力梯度背景场的搜索区域；
[0011]获取所述搜索区域内每个格网点的重力梯度值信息；
[0012]获取所述水下潜器的实测重力梯度值；
[0013]采用归一化积相关函数计算所述实测重力梯度值与每个格网点的重力梯度值信息之间的相似度；
[0014]根据所述搜索区域内相似度的总体标准差确定相似度阈值；
[0015]筛选相似度值大于所述相似度阈值的多个格网点，得到备选格网点集合；
[0016]根据所述惯性导航系统预测下一时刻所述水下潜器的位置坐标；
[0017]将所述备选格网点集合中与所述下一时刻所述水下潜器的位置坐标平面距离最近的格网点的位置确定为当前时刻所述水下潜器的最终位置。
[0018]可选的，所述根据所述初步位置信息和所述重力灯塔的参数，确定重力梯度背景场的搜索区域，具体包括：
[0019]获取所述重力灯塔的形态参数；所述形态参数包括重力灯塔外切椭圆的长轴长度、短轴长度和形态走向角度；
[0020]获取所述惯性导航系统中惯导的漂移率；
[0021]根据所述惯导的漂移率，利用公式PC＝t
×
ε计算所述惯导的位置偏差PC；其中，t表示惯导上一次校准后到此刻的航行时间，ε表示惯导的漂移率；
[0022]根据所述惯导的位置偏差和所述重力灯塔的形态参数，确定所述重力灯塔上方的搜索范围；所述重力灯塔上方的搜索范围为以所述初步位置信息为中心、宽为bcosα+2PC且高为acosα+2PC的矩形区域；其中，a为重力灯塔外切椭圆的长轴长度，b为短轴长度，α为形态走向角度；
[0023]根据所述重力灯塔上方的搜索范围，确定所述重力梯度背景场对应的搜索区域。
[0024]可选的，所述采用归一化积相关函数计算所述实测重力梯度值与每个格网点的重力梯度值信息之间的相似度，具体包括：
[0025]根据所述实测重力梯度值各个分量的均值和标准差，利用公式对所述实测重力梯度值的各个分量进行归一化；其中，g
i
表示实测重力梯度值的第i个分量，i＝1,2,
…
,N，N表示实测重力梯度值的数据维度，表示实测重力梯度值的第i个分量的归一化值，μ(g)表示实测重力梯度值所有分量的均值，δ(g)表示实测重力梯度值所有分量的标准差；
[0026]根据每个格网点的重力梯度值信息各个分量的均值和标准差，利用公式对每个格网点的重力梯度值信息的各个分量进行归一化；其中，G
ji
表示第j个格网点的重力梯度值信息的第i个分量，i＝1,2,
…
,N，N表示实测重力梯度值的数据维度，表示第j个格网点的重力梯度值信息的第i个分量的归一化值，μ(G
j
)表示第j个格网点的重力梯度值信息所有分量的均值，δ(G
j
)表示第j个格网点的重力梯度值信息所有分量的标准差；
[0027]采用归一化积相关函数计算所述实测重力梯度值与每个格网点的重力梯度值信息之间的相似度；其中，NP
j
为实测重力梯度值g与第j个格网点的重力梯度值信息G
j
之间的相似度；G
ji
为第j个格网点的重力梯度值的第i个分量。
[0028]可选的，所述根据所述搜索区域内相似度的总体标准差确定相似度阈值，具体包括：
[0029]获取初始阈值；
[0030]利用公式计算搜索区域内相似度的总体标准差σ；其中，n为所述搜索区域内格网点的数量，NP
j
为实测重力梯度值与第j个格网点的重力梯度值信息之间的相似度，为实测重力梯度值与所有格网点的重力梯度值信息之间相似度的均值；
[0031]利用公式m＝1+［n
·
e
‑
σ
］确定个数阈值m；
[0032]将所述实测重力梯度值与每个格网点的重力梯度值信息之间的相似度按照降序排序，得到相似度序列；
[0033]比较所述相似度序列中第m个相似度数值与初始阈值的大小；
[0034]若所述相似度序列中第m个相似度数值大于初始阈值，则将所述相似度序列中第m个相似度数值确定为相似度阈值；
[0035]若所述相似度序列中第m个相似度数值不大于初始阈值，则将确定为相似度阈值；其中，NP
m
为相似度序列中第m个相似度数值，μ为初始阈值。
[0036]可选的，所述根据所述惯性导航系统预测下一时刻所述水下潜器的位置坐标，具体包括：
[0037]根据所述惯性导航系统，获取当前时刻至下一时刻水下潜器的航向和航距；
[0038]利用公式预测下一时刻所述水下潜器的位置坐标；其中，为当前时刻水下潜器的位置坐标，为下一时刻水下潜器的位置坐标，S为航距，θ为航向。
[0039]本专利技术还提供一种基于惯性导航与重力梯度灯塔的潜器导航系统，包括：
[0040]初步位置信息确定模块，用于根据惯性导航系统的输出结果确定当前时刻水下潜器的初步位置信息；
[0041]搜索区域确定模块，用于根据所述初步位置信息和所述重力灯塔的参数，确定重力梯度背景场的搜索区域；
[0042]格网点的重力梯度值信息获取模块，用于获取所述搜索区域内每个格网点的重力梯度值信息；
[0043]实测重力梯度值获取模块，用于获取所述水下潜器的实测重力梯度值；
[0044]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于惯性导航与重力梯度灯塔的潜器导航方法，其特征在于，包括：根据惯性导航系统的输出结果确定当前时刻水下潜器的初步位置信息；根据所述初步位置信息和所述重力灯塔的参数，确定重力梯度背景场的搜索区域；获取所述搜索区域内每个格网点的重力梯度值信息；获取所述水下潜器的实测重力梯度值；采用归一化积相关函数计算所述实测重力梯度值与每个格网点的重力梯度值信息之间的相似度；根据所述搜索区域内相似度的总体标准差确定相似度阈值；筛选相似度值大于所述相似度阈值的多个格网点，得到备选格网点集合；根据所述惯性导航系统预测下一时刻所述水下潜器的位置坐标；将所述备选格网点集合中与所述下一时刻所述水下潜器的位置坐标平面距离最近的格网点的位置确定为当前时刻所述水下潜器的最终位置。2.根据权利要求1所述的基于惯性导航与重力梯度灯塔的潜器导航方法，其特征在于，所述根据所述初步位置信息和所述重力灯塔的参数，确定重力梯度背景场的搜索区域，具体包括：获取所述重力灯塔的形态参数；所述形态参数包括重力灯塔外切椭圆的长轴长度、短轴长度和形态走向角度；获取所述惯性导航系统中惯导的漂移率；根据所述惯导的漂移率，利用公式PC＝t
×
ε计算所述惯导的位置偏差PC；其中，t表示惯导上一次校准后到此刻的航行时间，ε表示惯导的漂移率；根据所述惯导的位置偏差和所述重力灯塔的形态参数，确定所述重力灯塔上方的搜索范围；所述重力灯塔上方的搜索范围为以所述初步位置信息为中心、宽为bcosα+2PC且高为acosα+2PC的矩形区域；其中，a为重力灯塔外切椭圆的长轴长度，b为短轴长度，α为形态走向角度；根据所述重力灯塔上方的搜索范围，确定所述重力梯度背景场对应的搜索区域。3.根据权利要求1所述的基于惯性导航与重力梯度灯塔的潜器导航方法，其特征在于，所述采用归一化积相关函数计算所述实测重力梯度值与每个格网点的重力梯度值信息之间的相似度，具体包括：根据所述实测重力梯度值各个分量的均值和标准差，利用公式对所述实测重力梯度值的各个分量进行归一化；其中，g
i
表示实测重力梯度值的第i个分量，i＝1,2,
…
,N，N表示实测重力梯度值的数据维度，表示实测重力梯度值的第i个分量的归一化值，μ(g)表示实测重力梯度值所有分量的均值，δ(g)表示实测重力梯度值所有分量的标准差；根据每个格网点的重力梯度值信息各个分量的均值和标准差，利用公式对每个格网点的重力梯度值信息的各个分量进行归一化；其中，G
ji
表示第j个格网点的重力
梯度值信息的第i个分量，i＝1,2,
…
,N，N表示实测重力梯度值的数据维度，表示第j个格网点的重力梯度值信息的第i个分量的归一化值，μ(G
j
)表示第j个格网点的重力梯度值信息所有分量的均值，δ(G
j
)表示第j个格网点的重力梯度值信息所有分量的标准差；采用归一化积相关函数计算所述实测重力梯度值与每个格网点的重力梯度值信息之间的相似度；其中，NP
j
为实测重力梯度值g与第j个格网点的重力梯度值信息G
j
之间的相似度；G
ji
为第j个格网点的重力梯度值的第i个分量。4.根据权利要求1所述的基于惯性导航与重力梯度灯塔的潜器导航方法，其特征在于，所述根据所述搜索区域内相似度的总体标准差确定相似度阈值，具体包括：获取初始阈值；利用公式计算搜索区域内相似度的总体标准差σ；其中，n为所述搜索区域内格网点的数量，NP
j
为实测重力梯度值与第j个格网点的重力梯度值信息之间的相似度，为实测重力梯度值与所有格网点的重力梯度值信息之间相似度的均值；利用公式m＝1+[n
·
e
‑
σ
]确定个数阈值m；将所述实测重力梯度值与每个格网点的重力梯度值信息之间的相似度按照降序排序，得到相似度序列；比较所述相似度序列中第m个相似度数值与初始阈值的大小；若所述相似度序列中第m个相似度数值大于初始阈值，则将所述相似度序列中第m个相似度数值确定为相似度阈值；若所述相似度序列中第m个相似度数值不大于初始阈值，则将确定为相似度阈值；其中，NP
m
为相似度序列中第m个相似度数值，μ为初始阈值。5.根据权利要求1所述的基于惯性导航与重力梯度灯塔的潜器导航方法，其特征在于，所述根据所述惯性导航系统预测下一时刻所述水下潜器的位置坐标，具体包括：根据所述惯性导航系统，获取当前时刻至下一时刻水下潜器的航向和航距；利用公式预测下一时刻所述水下潜器的位置坐标；其中，为当前时刻水下潜器的位置坐标，为下一时刻水下潜器的位置坐标，S为航距，θ为航向。
6.一种基于惯性导航与重力梯度灯塔的潜器导航系统，其特征在于，包括：初步位置信息确定模块，用于根据惯性导航系统的输出结果确定当前时刻水下潜器的初步位置信息；搜索区域确定模块，用于根据所...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖云，邹嘉盛，任飞龙，蔡体箐，
申请(专利权)人：西安航天天绘数据技术有限公司，
类型：发明
国别省市：