CN104215259B - 一种基于地磁模量梯度和粒子滤波的惯导误差校正方法 - Google Patents
一种基于地磁模量梯度和粒子滤波的惯导误差校正方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于水下地磁辅助导航定位领域,具体涉及到一种基于地磁模量梯度和粒子滤波的惯导误差校正方法。本发明包括:惯导***根据潜艇上加速度计信息解算载体所在的位置;根据地磁模量梯度/惯性组合导航***的状态方程预测载体的位置误差;潜艇水下航行时由其上地磁模量梯度测量装置实时获取潜艇在真实位置处的地磁模量梯度测量值;得到预测模量梯度值和观测模量梯度值之间的差值;基于质点动力学拟态物理优化的粒子滤波估计算法对***状态进行估计:对惯导***进行误差补偿。本发明根据估计结果校正载体航迹,同时对惯导陀螺漂移进行估计和补偿。为水下载体实现精确自主导航提供一种理想途径。
Description
技术领域
本发明属于水下地磁辅助导航定位领域,具体涉及到一种基于地磁模量梯度和粒子滤波的惯导误差校正方法。
背景技术
为保证水下载体正常作业,载体必须具备长时间水下高精度导航定位能力,这对水下导航技术提出了很高的要求。作为水下导航***的核心设备,惯性导航***定位误差是随时间累积的,必须进行重调和校正。地磁场是地球固有物理场,水下地磁导航定位具有无源、无辐射、全天时、全地域等特点,是实现水下潜航器实时、连续、精确的水下自主导航的理想途径之一,水下地磁导航理论与技术的研究具有重要意义和实际价值。
近年来,国内外研究机构和学者们开展了对惯导***误差校正方法的广泛研究。目前比较成功的水下惯导误差校正方法主要分为两大类型,即航迹几何匹配算法和卡尔曼滤波估计方法。航迹几何匹配算法诸如相关匹配,ICCP等都要求小的初始位置误差,不能适应大初始误差的要求。卡尔曼滤波估计惯导误差方法需要精确量测方程,且量测方程在非线性较强情况下,在量测点进行线性近似时会导致较大误差。其他滤波方法存在也都需要量测方程。
本发明提出一种基于地磁模量梯度和粒子滤波的惯导误差校正方法,利用地磁异常数据构建水下地磁模量梯度基准图并存储于组合导航计算机中,潜艇水下航行时由其上地磁模量梯度测量装置实时获取所经海域的地磁模量梯度实测值,利用事先存储于计算机中的地磁模量梯度基准图获得预测值,地磁模量梯度实测值与预测值与之间的差作为观测信息,通过粒子滤波技术对观测信息进行惯导误差估计,根据估计结果对惯导***进行误差补偿。本发明不需要量测方程,解决实用的地磁梯度模型及量测方程无法建立,匹配滤波算法在大初始位置误差的可用性等诸多问题,实现对惯导***误差的高精度补偿。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于地磁模量梯度和粒子滤波的惯导误差校正方法。
本发明的目的是这样实现的:
步骤1、惯导***根据潜艇上加速度计信息解算载体所在的位置 代表解算得到的载体纬度,代表解算得到的载体经度;
步骤2、根据地磁模量梯度/惯性组合导航***的状态方程预测载体的位置误差由载***置误差对惯导位置进行修正,得到真实位置的预测值在地磁模量梯度基准图中查找到预测的真实位置处对应的地磁模量梯度解算值与位置处真实地磁模量梯度关系为:
em为地磁模量梯度基准图误差;
步骤3、潜艇水下航行时由其上地磁模量梯度测量装置实时获取潜艇在真实位置处的地磁模量梯度测量值真实地磁模量梯度与地磁模量梯度测量值关系为:
其中es是地磁模量梯度测量装置量测噪声;
步骤4、由步骤2、3得到预测模量梯度值和观测模量梯度值之间的差值,即
步骤5、基于质点动力学拟态物理优化的粒子滤波估计算法对***状态进行估计:利用步骤4中得到的地磁模量梯度预测值和地磁模量梯度观测值之间的差值,更新粒子权值,得到***状态的估计;基于质点动力学拟态物理优化的粒子滤波估计算法对***状态进行估计:
5.1初始化;
5.2预测;从中采样新粒子集,计算粒子权值;
5.3优化粒子分布;采用质点动力学拟态物理优化过程优化粒子分布,获得新的粒子集,
5.4迭代优化结束;
计算新粒子权值,并归一化;
5.5重采样;如果有效粒子数小于设定阈值,进行重采样,返回
5.6状态估计,
滤波器通过更新和递推,不断估计惯导位置误差,校正***位置输出,使位置误差逐渐趋于零;同时估计陀螺漂移,滤波获得当前时刻漂移;
步骤6、根据步骤5的估计结果对惯导***进行误差补偿。
地磁模量梯度基准图是这样构建的:将已有的航空、海面等实测地磁异常数据通过一步波数域迭代法延拓到水下基准面,利用余弦变换求经延拓得到的地磁异常的频域表达式,对地磁异常的频域表达式进行余弦逆变换得到地磁模量梯度的空间域表达式,由地磁模量梯度的空间域表达式得到水下地磁模量梯度基准图,将得到的地磁模量梯度基准图存储于组合导航计算机中。
本发明的有益效果在于:提出的基于地磁模量梯度和粒子滤波的惯导误差校正方法,采用地磁异常转换模量梯度和余弦变换的方法构建地磁模量梯度基准图,可在很大程度上开发和利用已有的地磁异常数据,采用余弦变换对地磁异常数据进行正演可以减小Gibbs边界效应,解决当前缺乏水下地磁模量梯度数据和地磁图难以构建的问题;步骤5采用的粒子滤波状态估计方法,无需地磁场的准确解析表达式和***量测方程,只需离散的观测量数据和匹配基准图,有效解决组合导航滤波方法中无实用的地磁模量梯度模型及量测方程的困境。此项发明可对载体真实航迹或航路点位置进行估计,根据估计结果校正载体航迹,同时对惯导陀螺漂移进行估计和补偿。为水下载体实现精确自主导航提供一种理想途径。
附图说明
图1观测平面与延拓平面示意图;
图2惯性/地磁模量梯度组合导航***的匹配滤波流程图;
图3惯性/地磁模量梯度组合导航***框架。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述:
本发明的一种基于地磁模量梯度和粒子滤波的惯导误差校正方法,利用地磁异常数据事先构建水下地磁模量梯度基准图并存储于组合导航计算机中,载体水下航行时由其上地磁模量梯度测量装置实时获取载体所在位置的地磁模量梯度测量值,由惯导***解算载体所在位置,根据解算位置在地磁模量梯度基准图上找到地磁模量梯度预测值。地磁模量梯度实测值与预测值与之间的差作为观测信息,通过粒子滤波技术对观测信息进行惯导误差估计,根据估计结果对惯导***进行误差补偿。其具体步骤如下:
步骤1、惯导***根据潜艇上加速度计信息解算载体所在的位置 代表解算得到的载体纬度,代表解算得到的载体经度。
步骤2、根据地磁模量梯度/惯性组合导航***的状态方程预测载体的位置误差由载***置误差对惯导位置进行修正,得到真实位置的预测值在地磁模量梯度基准图中查找到预测的真实位置处对应的地磁模量梯度该解算值与该位置处真实地磁模量梯度关系为:
em为地磁模量梯度基准图误差。
所述的地磁模量梯度基准图是这样构建的:将已有的航空、海面等实测地磁异常数据通过一步波数域迭代法延拓到水下基准面,利用余弦变换求经延拓得到的地磁异常的频域表达式,对地磁异常的频域表达式进行余弦逆变换得到地磁模量梯度的空间域表达式,由地磁模量梯度的空间域表达式得到水下地磁模量梯度基准图,将得到的地磁模量梯度基准图存储于组合导航计算机中
步骤3、潜艇水下航行时由其上地磁模量梯度测量装置实时获取潜艇在真实位置处的地磁模量梯度测量值真实地磁模量梯度与地磁模量梯度测量值关系为:
其中es是地磁模量梯度测量装置量测噪声。
步骤4、由步骤2、3得到预测模量梯度值和观测模量梯度值之间的差值,即
步骤5、基于质点动力学拟态物理优化的粒子滤波估计算法对***状态进行估计:利用步骤4中得到的地磁模量梯度预测值和地磁模量梯度观测值之间的差值,更新粒子权值,得到***状态的估计。基于质点动力学拟态物理优化的粒子滤波估计算法对***状态进行估计的具体步骤如下:
①初始化。
②预测。从中采样新粒子集,计算粒子权值。
③优化粒子分布。采用质点动力学拟态物理优化过程优化粒子分布,获得新的粒子集,迭代优化结束。
④计算新粒子权值,并归一化。
⑤重采样。如果有效粒子数小于设定阈值,进行重采样,返回
⑥状态估计,
滤波器通过更新和递推,不断估计惯导位置误差,校正***位置输出,使位置误差逐渐趋于零。同时估计陀螺漂移,滤波获得当前时刻漂移。
步骤6、根据步骤5的估计结果对惯导***进行误差补偿。
本发明提供了一种应用于水下的基于地磁模量梯度和粒子滤波的惯导误差校正方法,该方法无须大量水下地磁模量梯度数据即可建立地磁模量梯度基准图的,粒子滤波状态估计方法也无需建立地磁场模型及量测方程,而且粒子滤波在组合导航***中的应用不受高斯假设和弱非线性的限制,在组合导航滤波实现方面有一定的优势。本发明的基于地磁模量梯度和粒子滤波的惯导误差校正方法,有效解决了水下地磁图难以构建、航空磁测数据大距离向下延拓的不稳定性,粒子滤波的粒子退化和样本贫乏等问题,适用于水下潜器惯导***的高精度误差补偿。
步骤1、惯导***根据潜艇上加速度计信息解算载体所在的位置 代表解算得到的载体纬度,代表解算得到的载体经度。
步骤2、根据地磁模量梯度/惯性组合导航***的状态方程预测载体的位置误差地磁模量梯度/惯性组合导航***的状态方程为:
式中,A为状态矩阵,B为***噪声阵,W为***噪声。
选取东北天(E,N,U)地理坐标系作为导航坐标系(n系),***状态方程由速度误差,姿态误差及位置误差方程组成。状态变量选为
式中,δλ、为经、纬度误差;δVE、δVN为东、北向速度误差;φE、φN、φU为姿态误差;εx、εy、εz为陀螺常值漂移;εrx、εry、εrz为陀螺随机漂移。
由载***置误差对惯导位置进行修正,得到真实位置的预测值在地磁模量梯度基准图中查找到预测的真实位置处对应的地磁模量梯度该解算值与真实地磁模量梯度关系为:
em为地磁模量梯度基准图误差。
所述的地磁模量梯度基准图构筑方法如下:利用已有海域航磁数据和海面船测地磁异常数据构建水下地磁模量梯度图,需要将航磁数据向下延拓到水下基准面,延拓过程如下:
采用一步波数域迭代法对航磁数据和海面船测地磁异常数据进行向下延拓,迭代过程使用了位场向上延拓,图1给出了观测平面与延拓平面示意图。平面ΓA(z=h)和ΓB(z=0)之间是无源空间,ΔT0(x,y)为ΓB上的地磁异常数据,为已知观测量,ΔTh(x,y)是ΓA上的地磁异常,是待求量。延拓过程如下:
(1)将ΔT0(x,y)的傅里叶变换S0(kx,ky)垂直投影到ΓA面上,作为ΓA面上地磁异常波谱初值
(2)当ΓA、ΓB间没有场源时,位场满足拉普拉斯方程c,用向上延拓波数响应函数由计算ΓB上的位场波谱
(3)用S0(kx,ky)与的差值校正得λ为步长,一般取0<λ<1。
(4)重复第2步和第3步,当εT是很小的数,或达到迭代最大次数,迭代结束。
(5)对地磁异常波谱作逆变换,得到向下延拓平面上的地磁异常ΔTh(x,y),
由于余弦变换具有更高的能量压缩性能,在一阶马尔科夫过程中依据最小均方误差原则是最接近Karhunen-Loeve变换性能的,可减小Gibbs边界效应。所以对得到的地磁异常ΔTh(x,y)进行余弦变换得到其频域表达式
ΔTC(u,v)=C[ΔTh(x,y)] (4)
这里C(·)表示余弦变换。三个空间方向上的地磁模量梯度ΔTx、ΔTy和ΔTz与地磁异常ΔTh之间的关系:
其中,C-1(·)表示余弦逆变换。根据获得的三个空间方向上地磁模量梯度ΔTx、ΔTy和ΔTz表达式绘制水下地磁模量梯度基准图。
步骤3、载体水下航行时由其上地磁模量梯度测量装置实时获取潜艇在真实位置处的地磁模量梯度测量值真实地磁模量梯度与地磁模量梯度测量值关系为:
其中es是地磁模量梯度测量装置量测噪声。
步骤4、由步骤2、3得到预测模量梯度值和观测模量梯度值之间的差值,即
步骤5、基于质点动力学拟态物理优化的粒子滤波估计算法对***状态进行估计:利用步骤4中得到的地磁模量梯度预测值和地磁模量梯度观测值之间的差值,更新粒子权值,得到***状态的估计。图2为惯性/地磁模量梯度组合导航***的匹配滤波流程图。
基于质点动力学拟态物理优化的粒子滤波估计算法对***状态进行估计的具体步骤如下:
(1)初始化。
(2)预测。从中采样新粒子集,计算粒子权值。
(3)优化粒子分布。采用质点动力学拟态物理优化过程优化粒子分布,获得新的粒子集,迭代优化结束。
(4)计算新粒子权值,并归一化。
(5)重采样。如果有效粒子数小于设定阈值,进行重采样,返回
(6)状态估计,
滤波器通过更新和递推,不断估计惯导位置误差,校正***位置输出,使位置误差逐渐趋于零。同时估计陀螺漂移,滤波获得当前时刻漂移。
步骤6、根据步骤5的估计结果对惯导***进行误差补偿,图3惯性/地磁模量梯度组合导航***框架图。
本发明有益效果说明如下:
利用地磁异常数据构建的水下地磁模量梯度基准图和粒子滤波技术进行导航定位,该方法具有良好的隐蔽性和测量精度,能全天候、自主、连续地对惯导误差进行高精度补偿;本发明的基于地磁模量梯度和粒子滤波的惯导误差校正方法,有效解决了水下地磁图难以构建,地磁梯度模型及量测方程无法建立,匹配滤波算法在大初始位置误差的可用性等诸多问题,适用于水下潜器惯导***的高精度误差补偿。
Claims (2)
1.一种基于地磁模量梯度和粒子滤波的惯导误差校正方法,其特征在于:
步骤1、惯导***根据潜艇上加速度计信息解算载体所在的位置 代表解算得到的载体纬度,代表解算得到的载体经度;
步骤2、
根据地磁模量梯度/惯性组合导航***的状态方程预测载体的位置误差地磁模量梯度/惯性组合导航***的状态方程为:
<mrow>
<mover>
<mi>X</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
</mover>
<mo>=</mo>
<mi>A</mi>
<mi>X</mi>
<mo>+</mo>
<mi>B</mi>
<mi>W</mi>
</mrow>
式中,A为状态矩阵,B为***噪声阵,W为***噪声;
选取东北天(E,N,U)地理坐标系作为导航坐标系为n系,***状态方程由速度误差,姿态误差及位置误差方程组成;状态变量选为
式中,δλ、为经、纬度误差;δVE、δVN为东、北向速度误差;φE、φN、φU为姿态误差;εx、εy、εz为陀螺常值漂移;εrx、εry、εrz为陀螺随机漂移;
由载***置误差对惯导位置进行修正,得到真实位置的预测值在地磁模量梯度基准图中查找到预测的真实位置处对应的地磁模量梯度该解算值与真实地磁模量梯度关系为:
em为地磁模量梯度基准图误差;
所述的地磁模量梯度基准图构筑方法如下:利用已有海域航磁数据和海面船测地磁异常数据构建水下地磁模量梯度图,需要将航磁数据向下延拓到水下基准面,延拓过程如下:
采用一步波数域迭代法对航磁数据和海面船测地磁异常数据进行向下延拓,迭代过程使用了位场向上延拓,平面ΓA和ΓB之间是无源空间,z=h,z=0,ΔT0(x,y)为ΓB上的地磁异常数据,为已知观测量,ΔTh(x,y)是ΓA上的地磁异常,是待求量;延拓过程如下:
(2.1)将ΔT0(x,y)的傅里叶变换S0(kx,ky)垂直投影到ΓA面上,作为ΓA面上地磁异常波谱初值
(2.2)当ΓA、ΓB间没有场源时,位场满足拉普拉斯方程c,用向上延拓波数响应函数由计算ΓB上的位场波谱
(2.3)用S0(kx,ky)与的差值校正得λ为步长,取0<λ<1;
(2.4)重复第2.2步和第2.3步,当εT是很小的数,或达到迭代最大次数,迭代结束;
(2.5)对地磁异常波谱作逆变换,得到向下延拓平面上的地磁异常ΔTh(x,y),
对得到的地磁异常ΔTh(x,y)进行余弦变换得到其频域表达式
ΔTC(u,v)=C[ΔTh(x,y)]
这里C(·)表示余弦变换;三个空间方向上的地磁模量梯度ΔTx、ΔTy和ΔTz与地磁异常ΔTh之间的关系:
<mfenced open = "{" close = "">
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<mtr>
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<mo>(</mo>
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</mrow>
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</mtr>
</mtable>
</mfenced>
其中,C-1(·)表示余弦逆变换;根据获得的三个空间方向上地磁模量梯度ΔTx、ΔTy和ΔTz表达式绘制水下地磁模量梯度基准图;
步骤3、潜艇水下航行时由其上地磁模量梯度测量装置实时获取潜艇在真实位置处的地磁模量梯度测量值真实地磁模量梯度与地磁模量梯度测量值关系为:
其中es是地磁模量梯度测量装置量测噪声;
步骤4、由步骤2、3得到预测模量梯度值和观测模量梯度值之间的差值,即
步骤5、基于质点动力学拟态物理优化的粒子滤波估计算法对***状态进行估计:利用步骤4中得到的地磁模量梯度预测值和地磁模量梯度观测值之间的差值,更新粒子权值,得到***状态的估计;基于质点动力学拟态物理优化的粒子滤波估计算法对***状态进行估计:
5.1初始化;
5.2预测;从中采样新粒子集,计算粒子权值;
5.3优化粒子分布;采用质点动力学拟态物理优化过程优化粒子分布,获得新的粒子集,5.4迭代优化结束;
计算新粒子权值,并归一化;
5.5重采样;如果有效粒子数小于设定阈值,进行重采样,返回
5.6状态估计,
滤波器通过更新和递推,不断估计惯导位置误差,校正***位置输出,使位置误差逐渐趋于零;同时估计陀螺漂移,滤波获得当前时刻漂移;
步骤6、根据步骤5的估计结果对惯导***进行误差补偿。
2.根据权利要求1所述的一种基于地磁模量梯度和粒子滤波的惯导误差校正方法,其特征在于:所述的地磁模量梯度基准图是这样构建的:将已有的航空、海面实测地磁异常数据通过一步波数域迭代法延拓到水下基准面,利用余弦变换求经延拓得到的地磁异常的频域表达式,对地磁异常的频域表达式进行余弦逆变换得到地磁模量梯度的空间域表达式,由地磁模量梯度的空间域表达式得到水下地磁模量梯度基准图,将得到的地磁模量梯度基准图存储于组合导航计算机中。
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CN201410416153.4A Active CN104215259B (zh) | 2014-08-22 | 2014-08-22 | 一种基于地磁模量梯度和粒子滤波的惯导误差校正方法 |
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