一种基于变分贝叶斯推断多物理场自适应组合导航方法技术

本发明专利技术涉及一种基于变分贝叶斯推断多物理场自适应组合导航方法。首先基于惯性/偏振/地磁/多普勒组合导航系统，建立状态方程与量测方程；然后针对陌生海域进行导航场景分析，根据偏振系统与地磁系统受到的干扰，设计干扰评估机制，分别建立三种导航工作模式与自适应切换算法；其次，由于海洋干扰未知复杂，选取逆威沙特分布作状态误差与量测误差协方差的共轭先验分布，继而设计基于变分贝叶斯算法的自适应滤波方法；最后，当量测数据更新，先进行模式判定，在模式I下，直接采用变分贝叶斯滤波算法进行解算；在模式II下，采用权衡算法解算；在模式III下，先隔离故障，再进行解算。该方法为陌生海域的舰船提供了一种可行的全自主导航策略。策略。策略。

【技术实现步骤摘要】
一种基于变分贝叶斯推断多物理场自适应组合导航方法


[0001]本专利技术属于陌生海域偏振组合导航领域，具体涉及一种基于变分贝叶斯推断多物理场自适应组合导航方法。

技术介绍

[0002]目前，陌生远海海域的探究对国家的能源矿产行业、海上经济的发展以及海洋科技的发展的重要性日益彰显，对陌生海域的开发已提上日程，然而舰船在陌生海域执行任务时主要面临以下困难：1）陌生海域无导航基础建设，基于数据库与基站的导航方式（如地形地貌匹配导航方式、长/短基线水下定位导航方式等）无法发挥其作用；2）陌生海域海洋环境复杂，海上风浪、海底磁矿等都会对导航系统造成多种不确定性干扰。同时，现在的舰船导航系统对卫星导航系统依赖性太强，卫星导航的通信信号极易被干扰，从而导致卫星导航不可用。因此，为保障舰船在陌生远海执行任务的顺利完成，针对导航系统可能面对的工作场景，应建立相应的干扰判定机制与应对方法。
[0003]现有研究中，例如，中国授权专利（CN105021188B）“一种双模式仿生偏振/地磁辅助组合导航系统”和中国专利申请（CN112444265A）“一种基于多本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于变分贝叶斯推断多物理场自适应组合导航方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤（1）、基于惯性导航误差方程建立惯性/偏振/地磁/多普勒组合导航滤波器状态方程，分别针对偏振子系统、地磁子系统、多普勒子系统建立组合导航滤波器量测方程；基于组合导航系统的偏振子系统输出的偏振度信息，设计偏振系统干扰评估机制；基于组合导航系统的地磁子系统输出的三维地磁量，设计地磁系统干扰评估机制；步骤（2）、在步骤（1）的基础上，根据偏振子系统和地磁子系统干扰评估结果，将偏振子系统和地磁子系统的工作模式分为模式I、模式II和模式III三种，模式I为偏振子系统或地磁子系统正常工作模式，模式II为干扰可应对的权衡工作模式，模式III为偏振子系统或地磁子系统故障模式，在模式II和模式III时，分别设计自适应切换量测算法；步骤（3）、在某一工作模式下，针对陌生海域存在的多种不确定干扰，为获取高精度的导航结果，选取逆威沙特分布作状态误差协方差与量测误差协方差的共轭先验分布，为组合导航系统设计基于变分贝叶斯推断的自适应滤波方法；步骤（4）、当每次量测数据更新后，首先进行工作模式判定，在模式I下，直接采用变分贝叶斯滤波算法进行组合导航解算；在模式II下，采用权衡算法，综合当下量测数据与先验信息，综合进行导航解算；在模式III下，首先隔离故障系统与故障数据，进行自适应模式切换，采用变分贝叶斯算法进行自适应滤波解算。2.根据权利要求1所述的一种基于变分贝叶斯推断多物理场自适应组合导航方法，其特征在于：所述步骤（1）包括：首先建立组合导航系统滤波模型的状态方程，对于所采用惯性/偏振/地磁/多普勒组合导航系统，选取15维系统状态变量：，其中，分别表示东北天的姿态角误差，分别表示东北天方向的速度误差，分别表示纬度、经度、高度误差， 为陀螺漂移误差，为三轴加速计偏置误差；建立其离散化状态方程：，其中，为状态转移矩阵，为系统激励噪声，为离散后的时间节点；对于偏振子系统，建立量测方程如下：，其中，为偏振量测量，为导航系下太阳矢量，可由天文年历解，为机体系与导航系之间的计算姿态转换矩阵，为计算姿态转换矩阵与理想姿态转换矩阵之间三维方位误差角，为偏振量测数据解算的偏振矢量；对于地磁子系统，建立量测方程如下：，
其中，为地磁量测量，为采用世界地磁模型解算得到的导航系下地磁矢量，为三轴磁力计实时量测得到的机体系下地磁矢量；对于多普勒导航系统，建立量测方程如下：，其中，为多普勒导航量测量，为机体系下多普勒测速仪解算的速度矢量，为机体系下惯性导航系统解算的三维速度矢量；进一步整合得到组合导航系统的滤波模型为：，其中，表示组合导航系统量测矢量；表示转置运算，表示组合导航系统的量测矩阵；表示组合导航系统量测噪声，表示偏振量测噪声，表示地磁量测噪声，表示多普勒子系统量测噪声；根据偏振度DoP参量对偏振量测数据干扰进行评估，设计偏振系统干扰评估机制为：，其中，为偏振系统干扰评估因子；为偏振上界阈值，当时，表明干扰为微小干扰，由实际导航任务精度需求决定； 为偏振下界阈值，当时，表示天空偏振模式被消偏，偏振数据信噪比极低且偏振系统失效，根据偏振传感器性能决定；设计地磁系统干扰评估机制为：，，其中，表示取绝对值运算；表示传感器坐标系下的地磁量测矢量的三个分量；表示世界地磁场模型解算的地磁场总强度值； 为地磁导航子系统的干扰评估因子；为归一化因子；为地磁量评估上界阈值， 由地磁传感器的性能决定；为地磁量评估下界阈值，由实际导航任务精度要求决定。3.根据权利要求2所述的一种基于变分贝叶斯推断多物理场自适应组合导航方法，其特征在于：
所述步骤（2）包括：根据偏振系统干扰评估机制，为偏振子系...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔建忠，张洁，郭雷，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：