本发明专利技术公开了一种基于重力场空间矢量特征约束的误匹配修正方法，本发明专利技术方法能够有效抑制重力匹配空间位置误差，提高导航的定位精度和鲁棒性。本发明专利技术首先获取重力场空间矢量特征，计算相邻匹配点以及对应的惯性导航指示轨迹点间矢量的模长信息与方向信息，采用模长约束和方向约束双决策判别条件，进行基于空间矢量特征约束的误匹配点检测，采用矢量中值滤波实时修正方法对误匹配点进行修正，获取伴生匹配点，并采用最小二乘优化参数的全仿射变换方法对修正轨迹进行平滑，实现重力场空间特征约束的误匹配点修正。
1、水下航行器在作业过程中需要长航时、高精度的自主导航系统，为其提供实时可靠的位置信息。惯性导航系统作为广泛应用的水下自主导航技术，被广泛应用于海洋导航定位中。然而，由于惯性器件的积分作用，惯导提供的位置误差会随时间累积，进行长航时导航定位时需要对其进行校准。重力辅助惯性导航作为一种自主导航技术，利用重力场信息，对以惯性导航为主体的水下导航位置信息进行校正，具有高度自主性和隐蔽性。在器件级层面，重力测量仪器的精度决定海洋重力背景场和重力测量数据的精度；在系统级层面，重力匹配算法决定重力匹配定位精度。现有重力匹配定位算法主要包括单点滤波匹配定位算法和序列匹配算法。然而，在航行过程中，重力异常数据分布的不规则和不确定性易导致匹配定位的效果差异大，尤其在单点匹配算法中，误匹配情况易导致较大定位误差。校正误匹配点并对位置进行修正成为重力辅助水下导航的关键问题。
>5、步骤二，获取空间矢量特征，计算相邻匹配点以及对应的惯性导航指示轨迹点间矢量的模长信息与方向信息；6、步骤三，采用模长约束和方向约束双决策误匹配判决条件，进行基于空间位置约束的误匹配点检测；
7、步骤四，采用矢量中值滤波实时修正方法对误匹配点进行修正，获取伴生匹配点；
8、步骤五，采用仿射变换方法对修正轨迹进行平滑，采用最小二乘方法对仿射变换参数进行优化，平滑曲线修正匹配轨迹。
9、所述步骤一中，进入适配区后，采用前n个采样点计算获得的匹配位置作为初始匹配位置，保证初始匹配位置精度；
10、所述步骤二中，获取空间矢量特征，计算相邻匹配点以及对应的惯性导航指示轨迹点间矢量的模长信息与方向信息；
11、模长信息：计算相邻惯导采样矢量的模长sins，可用采样前后时刻矢量表示，即计算公式如下：
12、
13、其中，i表示当前采样时刻，为i时刻惯导采样点的经度和纬度信息。
14、计算相邻匹配矢量的模长smatch，即计算公式如下：
15、
16、其中，i表示当前采样时刻，为i时刻匹配位置点的经度纬度信息。
17、方向信息：本专利技术为衡量惯导指示轨迹与匹配轨迹间的矢量相似性，采用余弦相似度进行度量。计算相邻惯导采样矢量与匹配矢量间的余弦相似度计算公式如下：
18、
19、其中，i表示当前采样时刻，为i时刻惯导采样点的经度和纬度信息，为i时刻匹配位置点的经度和纬度信息。
20、所述步骤三中，空间位置约束包括模长约束和方向约束双决策判决。
21、初始匹配位置由运载体驶入适配区后计算得来，匹配精度在背景图网格精度内。计算惯导采样矢量与匹配矢量模长的差异程度，模长约束误匹配判别式如下：
22、|smatch-sins|>δs
23、当出现模长差超过阈值时，当前点即判定为误匹配点，其中δs表示模长偏差阈值。
24、计算惯导采样矢量与匹配矢量间余弦相似度，方向约束误匹配判别式如下：
25、
26、当出现余弦相似度小于阈值时，当前点即判定为误匹配点，其中δφ表示方向偏差阈值。
27、所述步骤四中，在适配场进行重力辅助导航时，匹配失效的匹配点为少数，可用相邻匹配点的几何关系对误匹配点检测和修正。依据粗差探测理论，数据中位值可以稳定估计真实值，借鉴图像去噪思想，采用矢量中值滤波方法对误匹配点进行实时修正，获取伴生匹配点。
28、方向修正：以水平方向为基准，惯导i时刻矢量与基准方向的夹角定义为以当前匹配点为定点，基准夹角做方向矢量作修正直线l。
29、模长修正：定义模长修正数为当前i时刻匹配点与惯导采样点间的模长差异量，计算公式如下：
30、
31、其中，表示当前时刻匹配位置与惯导位置间的修正数。
32、为使最终匹配误差收敛，将误匹配点的修正数替换成前面若干修正数的中值，计算公式如下：
33、
34、即若需更新第五个匹配点，其修正量为前四个时刻匹配点的中值，为第二个和第三个匹配点修正量的均值，完成一次中值滤波。利用邻近采样点的匹配修正量的中值来更新误匹配点的修正量，实时进行迭代和修正。
35、获取伴生匹配点修正量后，对误匹配点进行模长修正，以当前匹配点为定点，伴生匹配点修正量为模长尺度，截取直线l获取伴生匹配点
36、所述步骤五，全仿射变换包含平移、缩放和旋转，计算公式如下：
37、
38、其中，α为缩放因子，θ为旋转角，tx ty为经度、纬度方向平移量。
39、惯导采样点集为匹配点集为ek为经过全仿射变换后与之间的差值，计算公式如下：
40、
41、其中，为惯导输出点集的经纬度集合，为匹配点集的经纬度集合，
42、全仿射变换参数可由最小二乘优化方法求得，计算公式如下：
43、
44、由于(hks)t是1×2的行向量，mk是2×1的列向量，其乘积为数值，是1×2的行向量，hks是2×1的列向量，其乘积亦为数值，故合并中间两项，可得：
45、
46、其中，ek＝[h3,h4,…,hn]s-[m3,m4,…,mn]，k从第三个点开始计算。
47、求解对上式进行求导，计算公式如下：
48、
49、由矩阵论可知，故上式简化如下：
50、
51、令其导数为0，简化如下：
52、
53、化简可得：
54、
55、其中，为惯导点集的横坐标集合，将惯导点集和匹配点集坐标带入，可得到全仿射变换参数
56、采用全仿射变换对修正轨迹进行平滑，计算公式如下：
57、
58、有益效果
59、(1)本专利技术采用模长约束和方向约束双决策判别条件，进行基于空间矢量特征约束的误匹配点检测，有效提高导航定位的鲁棒性。
60、(2)本专利技术采用矢量中值滤波实时修正方法对误匹配点进行修正，获取伴生匹配点，并采用最小二乘优化参数的全仿射变换方法对修正轨迹进行平滑，实现重力场空间特征约束的误匹配点修正，有效提高水下运载体的定位精度。
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【技术保护点】
1.一种基于重力场空间矢量特征约束的误匹配修正方法，其特征在于包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于重力场空间矢量特征约束的误匹配修正方法，其特征在于：
3.根据权利要求1所述的一种基于重力场空间矢量特征约束的误匹配修正方法，其特征在于：
4.根据权利要求1所述的一种基于重力场空间矢量特征约束的误匹配修正方法，其特征在于：
5.根据权利要求4所述的一种基于重力场空间矢量特征约束的误匹配修正方法，其特征在于：
6.根据权利要求1所述的一种基于重力场空间矢量特征约束的误匹配修正方法，其特征在于：
7.根据权利要求1所述的一种基于重力场空间矢量特征约束的误匹配修正方法，其特征在于：
【技术特征摘要】
1.一种基于重力场空间矢量特征约束的误匹配修正方法，其特征在于包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于重力场空间矢量特征约束的误匹配修正方法，其特征在于：
3.根据权利要求1所述的一种基于重力场空间矢量特征约束的误匹配修正方法，其特征在于：
4.根据权利要求1所述的一种基于重力场空间矢量...
【专利技术属性】
技术研发人员：王博，马子玄，毕然，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：
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