自适应鲁棒惯性/重力匹配组合导航方法、系统及终端技术方案

本发明专利技术属于惯性/重力匹配组合导航技术领域，公开了一种自适应鲁棒惯性/重力匹配组合导航方法、系统及终端，利用海洋重力仪实时测量重力数据值；利用捷联惯性导航系统实时解算得到用户的位置信息，并确定重力背景场搜索范围；利用位置信息和重力背景场搜索范围，通过查图法得到搜索重力异常值；根据重力数据值、位置信息以及搜索重力异常值进行自适应鲁棒惯性/重力匹配组合导航，并实时输出匹配后的位置信息。本发明专利技术可以有效克服环境干扰引入的海洋重力仪量测误差，并减小局部重力异常背景场的随机线性化过程带来的影响，同时对量测噪声协方差和滤波增益进行自适应调整，从而给用户提供自适应能力更强、鲁棒性更好、精度更高的匹配方案。的匹配方案。的匹配方案。

【技术实现步骤摘要】
自适应鲁棒惯性/重力匹配组合导航方法、系统及终端


[0001]本专利技术属于惯性/重力匹配组合导航
，尤其涉及一种自适应鲁棒惯性/重力匹配组合导航方法、系统及终端。

技术介绍

[0002]目前，随着潜艇等水下航行器技术的不断发展和突破，对于水下航行器长航时、高精度、高隐蔽性航行保障提出了越来越迫切的需求。惯性导航具备完全自主无源、短时精度高等特点，并且可提供丰富的导航参数，因此水下航行器通常采用以惯性导航为基础，其他导航方式为辅助的组合导航方案。其中，惯性/重力匹配组合导航技术可以有效抑制惯导位置误差，且满足潜艇长时间静默航行的需求，是目前水下载体自主导航的重要研究方向，也是水下PNT（Positioning Navigation and Timing，PNT）体系建设的重要组成部分。
[0003]传统的惯性/重力匹配组合导航系统主要由惯性导航系统、重力测量仪器、重力场背景图和重力匹配算法等部分组成。其中匹配算法是重力匹配组合导航中的一项关键技术，当前重力匹配算法主要可分为两类：一类是采用相关极值准则的序列迭代匹配算法，如TERCOM、ICCP等；另一类是以滤波框架为核心的单点迭代匹配算法，如SITAN、粒子滤波算法等。
[0004]然而当前主流的匹配方法中，主要存在以下几个问题：
[0005]（1）序列迭代匹配方法实时性差。
[0006]采用相关极值准则的序列迭代匹配方法在进行匹配导航之前，需要先保存一段时间内的数据，包括重力仪量测的数据、惯性导航解算的数据等，然后利用这些数据进行迭代计算，通过不断的迭代得到匹配结果。该技术在迭代过程中需要较大的计算量，实时性较差，并且不能实时输出系统位置匹配结果，因此无法满足用户实时位置校正的需求。
[0007]（2）单点迭代匹配方法容易发散，不适用于长航时匹配导航。
[0008]以滤波框架为核心的单点迭代匹配技术可以实时输出匹配导航的位置信息，但该方法需要建立准确的系统状态方程和量测方程，然而由于水下环境的复杂性，不同区域重力异常变化程度差别较大，并且局部重力异常背景场的随机线性化过程也可能引入较大误差，这将不可避免的影响重力仪量测输出以及滤波模型失配，从而造成该方法得到的匹配结果发散，无法满足用户长航时稳定匹配导航的需求。
[0009]（3）鲁棒自适应能力不足，匹配精度较差。
[0010]当前主流的自适应SITAN匹配导航方法中，仅仅对量测噪声协方差矩阵进行了自适应调整，但当重力仪量测值异常程度较大时，仅依靠量测噪声协方差矩阵的鲁棒化不能使整个滤波过程得到很好的鲁棒能力，从而造成匹配结果精度变差，无法满足用户高精度导航的需求。
[0011]综上所述，当前基于单点迭代的惯性/重力匹配方法大多以扩展卡尔曼滤波为框架，最核心的问题在于滤波器对重力仪量测很敏感，自适应性、鲁棒性、精度等性能较差，无法实现长航时、高精度的重力匹配导航任务。因此，亟需设计一种新的自适应鲁棒惯性/重
力匹配组合导航方法。
[0012]通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：序列迭代匹配方法实时性差，无法满足用户实时位置校正的需求；单点迭代匹配方法容易发散，不适用于长航时匹配导航；自适应SITAN匹配导航方法的鲁棒自适应能力不足，匹配结果精度较差。

技术实现思路

[0013]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种自适应鲁棒惯性/重力匹配组合导航方法、系统及终端。
[0014]本专利技术是这样实现的，一种自适应鲁棒惯性/重力匹配组合导航方法，自适应鲁棒惯性/重力匹配组合导航方法包括：利用海洋重力仪实时测量重力数据值；利用捷联惯性导航系统实时解算得到用户的位置信息，并确定重力背景场搜索范围；利用位置信息和重力背景场搜索范围，通过查图法得到搜索重力异常值；根据重力数据值、位置信息以及搜索重力异常值进行自适应鲁棒惯性/重力匹配组合导航，并实时输出匹配后的位置信息。
[0015]进一步，自适应鲁棒惯性/重力匹配组合导航方法包括以下步骤：
[0016]步骤一，获取重力异常测量值以及载体的水平位置信息；
[0017]步骤二，根据水平位置信息通过查图法得到搜索重力异常值；
[0018]步骤三，进行时间更新并求解观测矩阵的同时进行各类因子的计算；
[0019]步骤四，调整量测噪声协方差和滤波增益，进行量测更新并输出位置信息。
[0020]进一步，步骤一中，利用稳定平台提供的稳定测量环境，通过重力测量仪器实时输出重力异常测量值，利用惯性导航系统解算得到载体的水平位置信息。
[0021]进一步，步骤二中，根据惯导解算的水平位置信息，通过查图法在重力背景图中搜索，得到搜索重力异常。
[0022]进一步，步骤三中的时间更新为：
[0023]；
[0024]；
[0025]其中，k为滤波步数；为状态量；为状态一步转移矩阵；为状态误差的估计协方差；为系统噪声矩阵。
[0026]在利用局部重力背景场随机线性化方法求解观测矩阵后，利用以下公式计算遗忘因子、自适应因子和补偿因子：
[0027]；
[0028]；
[0029]；
[0030]其中，为遗忘因子，根据经验值确定；为自适应因子；为量测量，且；为观测矩阵；为量测噪声协方差；为补偿因子；为的数学期望。
[0031]进一步，步骤四中，自适应调整量测噪声协方差和滤波增益为：
[0032]；
[0033]；
[0034]其中，为新息向量，且；为滤波递推求得的新息协方差矩阵；为的调节系数，且，根据工程实际选择。
[0035]量测更新公式为：
[0036]；
[0037]；
[0038]其中，为新息向量，为单位矩阵。
[0039]在完成量测更新后，实时输出匹配后的高精度位置信息。
[0040]本专利技术的另一目的在于提供一种应用所述的自适应鲁棒惯性/重力匹配组合导航方法的自适应鲁棒惯性/重力匹配组合导航系统，自适应鲁棒惯性/重力匹配组合导航系统包括稳定平台、重力测量仪器、惯性导航系统以及控制机箱。
[0041]稳定平台，选用光纤陀螺稳定平台，平台利用捷联惯性测量单元通过敏感载体运动给稳定平台提供高精度的姿态信息，使平台始终追踪当地地理水平面，为海洋重力仪提供稳定的测量环境，使得重力仪测量敏感实时的重力变化，给重力匹配导航提供稳定、高精度的重力实时测量数据；
[0042]海洋重力仪，选用CHZ
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II型海洋重力仪，该重力仪采用零长弹簧技术，用于进行重力实时解算和滤波，实现重力数据的实时高精度测量；
[0043]惯性导航系统，选用90激光陀螺惯性导航系统，用于实时解算得到载体的姿态、速度和位置信息，为匹配算法提供搜索重力数据的位置解算值；
[0044]控制机箱，用于完成惯性稳定平台的姿态控制和海洋重力仪的温度控制，其中姿态控制采用基于DSP的角位置
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自适应鲁棒惯性/重力匹配组合导航方法，其特征在于，自适应鲁棒惯性/重力匹配组合导航方法包括：利用海洋重力仪实时测量重力数据值；利用捷联惯性导航系统实时解算得到用户的位置信息，并确定重力背景场搜索范围；利用位置信息和重力背景场搜索范围，通过查图法得到搜索重力异常值；根据重力数据值、位置信息以及搜索重力异常值进行自适应鲁棒惯性/重力匹配组合导航，并实时输出匹配后的位置信息。2.如权利要求1所述自适应鲁棒惯性/重力匹配组合导航方法，其特征在于，自适应鲁棒惯性/重力匹配组合导航方法包括以下步骤：步骤一，获取重力异常测量值以及载体的水平位置信息；步骤二，根据水平位置信息通过查图法得到搜索重力异常值；步骤三，进行时间更新并求解观测矩阵的同时进行各类因子的计算；步骤四，调整量测噪声协方差和滤波增益，进行量测更新并输出位置信息。3.如权利要求2所述自适应鲁棒惯性/重力匹配组合导航方法，其特征在于，步骤一中，利用重力测量仪器实时输出重力异常测量值，利用惯性导航系统解算得到载体的水平位置信息。4.如权利要求2所述自适应鲁棒惯性/重力匹配组合导航方法，其特征在于，步骤二中，根据惯导提供的水平位置信息，通过查图法在重力背景图中搜索，得到搜索重力异常。5.如权利要求2所述自适应鲁棒惯性/重力匹配组合导航方法，其特征在于，步骤三中的时间更新为：；；其中，k为滤波步数，为状态量，为状态一步转移矩阵，为状态误差的估计协方差，为系统噪声矩阵；在利用局部重力背景场随机线性化方法求解观测矩阵后，利用以下公式计算遗忘因子、自适应因子和补偿因子：；；；
其中，为遗忘因子，根据经验值确定；为自适应因子；为量测量，且；为量测噪声协方差；为补偿因子；为数学期望。6.如权利要求2所述自适应鲁棒惯性/重力...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴苗，毛宁，何泓洋，李方能，许江宁，邸建琛，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军工程大学，
类型：发明
国别省市：