一種基於三角形約束模型的無源導航的等值線匹配方法

2023-05-11 04:41:21

專利名稱：一種基於三角形約束模型的無源導航的等值線匹配方法
技術領域：
本發明涉及了地球物理場(地形/地磁/重力)輔助慣性導航，主要針對輔助導航系統中匹配算法的初始匹配方法。
背景技術：
地球物理場(地形/地磁/重力)輔助導航方法是一種十分有效的對慣性導航系統誤差進行重調校正的方法，屬於真正意義上的無源導航，因此受到了越來越多的關注。對於無源導航系統，通常在進入地球物理場導航圖適配區域時，運載體在經過了相當長時間航行後由單純慣性導航輸出的導航位置和航向角都已積累了較大的誤差，因此，利用地球物理場信息來校正慣導系統的大位置誤差是地球物理場輔助慣性導航應首要解決的問題。目前地球物理場輔助導航方法主要有分批處理的TERCOM算法(Terrain Contour Matching)和遞歸處理的 SITAN 算法(Sandia Inertial Terrain Aided Nayi gat ion)兩種。TERCOM 算法主要以 ICCP 算法(Iterated Closest Contour Point)為代表，ICCP 算法首先在地球物理場觀測值所在的等值線上尋找距離慣導指示位置最近的點集，在此基礎上進行迭代，求取每次迭代的旋轉和平移變換，使上次迭代點集經變換後與該點集在等值線上的最近點點集的距離平方價值函數最小，將經過若干次迭代後的結果作為匹配點集。 ICCP算法是在將慣導指示位置在對應等值線上的最近點作為真實位置的基礎上建立起來的，因此算法的應用受到慣導指示位置與載體真實位置之間的誤差必須足夠小的假設條件的約束。SITAN算法利用Kalman濾波技術對實時採集的測量數據進行遞歸處理，從而得到慣導系統誤差的最優估計。但是，載體位置誤差與地球物理場異常值變化量成線性關係的假設只有當真實位置在慣導指示位置不遠處時才成立，在慣導位置誤差很大的情況下會引起誤匹配。由以上的分析可知，無論是TERCOM算法還是SITAN算法，在慣導定位誤差較大的情況下均不可用。

發明內容
本發明的技術解決問題克服現有技術的不足，提供一種基於三角形約束模型的無源導航的等值線匹配方法，它利用慣導系統連續兩次採樣間的距離信息和相對轉向角構建高精度三角形幾何約束模型，再基於三角形約束模型進行等值線匹配，故而保證三角形的精度只與慣導短時精度有關，而不受慣導系統長期累積誤差的影響，具有可靠的置信度。本發明採用的技術方案步驟如下一種基於三角形約束模型的無源導航的等值線匹配方法，實現步驟如下第一步，判斷運載體已進入地球物理場適配區域Ω，選取運載體所承載的地球物理場傳感器連續的三個採樣點，三個採樣點所對應的時間分別為、、t2和t3時刻；第二步，構建三角形幾何約束模型，並結合地球物理場參考圖所提供的場值與實測地球物理場值之間的尺度變化構建幾何約束模型的三角形頂點位置誤差置信區間δ ； 所述構建三角形幾何約束模型的過程為首先獲取慣導系統在時間段、t2、t2t3內輸出的運載體相對行駛距離li、I2及在t2時刻的相對轉向角θ ；然後，利用Ipl2和θ三個參數構建三角形幾何約束模型；第三步，獲取運載體承載的地球物理場傳感器在、、t2和t3時刻三個採樣點地球物理場值分別對應的全部等值線Cp C2和C3 ；第四步，構建運載體在採樣點、時刻慣導系統提供的航向角扇形誤差置信區間V， 然後以等值線C1的點集P1內任意一點為起點，基於航向角扇形誤差置信區間V和三角形幾何約束模型，尋找運載體在等值線C2上與之對應的初始匹配點，最終獲取運載體在等值線
C2上的初始匹配點集屍2'；第五步，以初始匹配點集P2'內任意一點為起點，基於三角形幾何約束模型，尋找運
載體在等值線C3上與之對應的初始匹配點，獲取運載體在等值線C3上的初始匹配點集P3'第六步，獲取同時滿足tp t2和t3時刻匹配點形成初始匹配集；第七步，採用加權概率估計模型算法，計算初始匹配集中各組數據的代價值，取代價值最小的那組數據為運載體最終初始匹配位置。所述第四步構建運載體在採樣點、時刻慣導系統提供的航向角扇形誤差置信區間V為首先，根據慣導系統的角度誤差特性，估計採樣點、時刻慣導系統輸出的運載體航向角的誤差置信區間φ ；然後，以ti時刻運載體的航向為扇形頂角的角平分線，扇形的頂角大小為2 Φ，構建、時刻運載體的航向角扇形誤差置信區間V。所述第四步尋找運載體在等值線C2上與之對應的初始匹配點，最終獲取運載體在等值線C2上的初始匹配點集屍2'的過程如下首先，取等值線C1的點集P1 (A、Pn--Pu、…、化,，i為自然數，l<i<Li山為點集P1所包含的點數)內任意一點Pli為扇形誤差置信區間V的頂點；其次搜索等值線C2 的點集P2 ( Pn、…、Pik、…、P2L2，k為自然數，1 < k < L2, L2為點集P2所包含的點數) 內位於扇形誤差置信區間V內的所有點，生成點集仏(如、仏2、···、qtJ、…、為自然數， 1 < i < L1, j為自然數，1 < j < N2, N2為點集Qi所包含的點數)；再次，利用點Pli與點集 A內所有點生成匹配對集P1A (凡如、1U,2、…、「…、鬥^v2 )，並計算匹配對集P1A內
每個匹配對所對應的兩點間的距離/ 「；最後，搜索匹配對集？工兌內滿足不等式 (I1為第二步提到的三角形約束模型的一條邊的邊長，δ為第二步提到的三角形頂點位置誤差置信區間S)的所有匹配對，生成匹配對集(^、^、…、^、…、^；，η為自然數，1< <》2，冗為匹配對所包含的點數)。遍歷點集？工內所有點，重複上面的過程，最終獲取運載體在等值線C2上的初始匹配點集ρ2'(Α、Ρ2'2、…、Ρ2；、...、P『)(k為自然
m,l<k<L'2丄丨為點集巧所包含的點數)，以及所有匹配對集初(Plq」 p2q2.....pmqm.....
P q ) (m為自然數，1 < i < M，M為匹配對集@所包含的匹配對數，pm、Qffl分別表示等值線 C1、等值線C2上的點)。所述第五步以初始匹配點集內任意一點為起點，基於三角形幾何約束模型，尋找運載體在等值線C3上與之對應的初始匹配點，獲取運載體在等值線C3上的初始匹配點集P/的過程如下從匹配對集@中選取任意一個匹配對 ，以等值線(2上的點(^為起點，搜索等值線(3的點集P3(&、Py1、…、Pv、…、&，1為自然數，1<士/。所述第六步獲取同時滿足、、t2和t3時刻匹配點形成初始匹配點集的過程如下 在匹配對集@中任選一組匹配對;^，以匹配對位於等值線C2上的點qm為起點，搜索等值線C3的點集P3內滿足I^p3, ~h\ < 5且Z PfflQfflP3i = 180° - θ條件的點，從而形成滿足三角形幾何約束模型的一組匹配對^^，遍歷匹配對集^^內所有匹配對，從而獲取同時滿足 、、、和 t3 時刻匹配點的匹配對集/QPi ( J^,p2q2p'2、…、pm.qm,p'm,、...、pM,qM.p: ) (m'為自然數，l<m' <M'，M'為匹配對集_所包含的匹配對數，pm,、cv、/^.分別表示等值線C1、等值線C2、等值線C3上的點)。所述第七步，採用加權概率估計模型算法，計算初始匹配集中各組數據的代價值， 取代價值最小的那組數據為運載體最終初始匹配位置的具體過程如下構建的代價函數為
權利要求
1.一種基於三角形約束模型的無源導航的等值線匹配方法，其特徵在於實現步驟如下第一步，判斷運載體已進入地球物理場適配區域Ω，選取運載體所承載的地球物理場傳感器連續的三個採樣點，三個採樣點所對應的時間分別為、、t2和t3時刻；第二步，構建三角形幾何約束模型，並結合地球物理場參考圖所提供的場值與實測地球物理場值之間的尺度變化構建幾何約束模型的三角形頂點位置誤差置信區間S ；所述構建三角形幾何約束模型的過程為首先獲取慣導系統在時間段、t2、t2t3內輸出的運載體相對行駛距離I:、I2及在t2時刻的相對轉向角θ ；然後，利用Ipl2和θ三個參數構建三角形幾何約束模型；第三步，獲取運載體承載的地球物理場傳感器在、、t2和t3時刻三個採樣點地球物理場值分別對應的全部等值線Cp C2和C3 ；第四步，構建運載體在採樣點、時刻慣導系統提供的航向角扇形誤差置信區間V，然後以等值線(^的點集P1內任意一點為起點，基於航向角扇形誤差置信區間V和三角形幾何約束模型，尋找運載體在等值線C2上與之對應的初始匹配點，最終獲取運載體在等值線C2上的初始匹配點集P2';第五步，以初始匹配點集P2'內任意一點為起點，基於三角形幾何約束模型，尋找運載體在等值線C3上與之對應的初始匹配點，獲取運載體在等值線C3上的初始匹配點集P;,第六步，獲取同時滿足ti、t2和t3時刻匹配點形成初始匹配集； 第七步，採用加權概率估計模型算法，計算初始匹配集中各組數據的代價值，取代價值最小的那組數據為運載體最終初始匹配位置。
2.根據權利要求1所述的基於三角形約束模型的無源導航的等值線匹配方法，其特徵在於所述第四步構建運載體在採樣點、時刻慣導系統提供的航向角扇形誤差置信區間V 為首先，根據慣導系統的角度誤差特性，估計採樣點、時刻慣導系統輸出的運載體航向角的誤差置信區間Φ ；然後，以、時刻運載體的航向為扇形頂角的角平分線，扇形的頂角大小為2 Φ，構建、時刻運載體的航向角扇形誤差置信區間V。
3.根據權利要求1所述的基於三角形約束模型的無源導航的等值線匹配方法，其特徵在於所述第四步尋找運載體在等值線C2上與之對應的初始匹配點，最終獲取運載體在等值線C2上的初始匹配點集P2'的過程如下a.取等值線C1的點集P1，設定點集P1包含的點有Λ、Pn-Pu、…、A,，i為自然數， 1 < i < L1, L1為點集P1所包含的點數，內任意一點Pli為扇形誤差置信區間V的頂點；b.搜索等值線C2的點集P2內位於扇形誤差置信區間V內的所有點，生成點集Qi，設定點集Qi包含的點有知<1丨2、…、^lj、…、h，i為自然數，1 < i < L1, j為自然數，1 < j < N2, N2為點集Qi所包含的點數；c.利用點Pli與點集A內所有點生成匹配對集PliQi,設定匹配對集P1A包含的匹配對有徹、ρ—、…、·、p^lN2，並計算匹配對集PliGii內每個匹配對所對應的兩點間的距離;d.搜索匹配對集PliQi內滿足不等式、％-A (I1為第二步提到的三角形約束模型的一條邊的邊長，s為第二步提到的三角形頂點位置誤差置信區間)的所有匹配對， 生成匹配對集，設定匹配對集,包含的匹配對有^^、...、^...、，η 為自然數，，》2為匹配對集所包含的點數，遍歷點集P1內所有點，重複上面的過程，最終獲取運載體在等值線C2上的初始匹配點集屍2'，設定點集P2'包含的點有 AP Ki、…、Kk、…、di，k為自然數，1<眾<《4為點集T32'所包含的點數，以及所有匹配對集歷，設定匹配對集取包含的匹配對有=P1QpPW2.....PmQm.....P q , m為自然數，1 < i< M，M為匹配對集@所包含的匹配對數，pm、Qffl分別表示等值線C1、等值線C2上的點。
4.根據權利要求1所述的基於三角形約束模型的無源導航的等值線匹配方法，其特徵在於所述第五步以初始匹配點集P2'內任意一點為起點，基於三角形幾何約束模型，尋找運載體在等值線C3上與之對應的初始匹配點，獲取運載體在等值線C3上的初始匹配點集 P3』的過程如下從匹配對集⑩中選取任意一個匹配對^；，以等值線C2上的點qm為起點， 搜索等值線C3的點集P3內所有滿足-l2\< 5且Z PfflQfflP3i = 180° -θ條件的點，從而獲取運載體在等值線C3上的初始匹配點集戶/，i為自然數，1 < i < L3, L3表示點集P3所包含的點數。
5.根據權利要求1所述的基於三角形約束模型的無源導航的等值線匹配方法，其特徵在於所述第六步獲取同時滿足、、t2和t3時刻匹配點形成初始匹配點集的過程如下 在匹配對集@中任選一組匹配對i，以匹配對位於等值線C2上的點1為起點，搜索等值線C3的點集P3內滿足|/9』,-/2|<5且ZPmqmP3i = 180° -θ條件的點，從而形成滿足三角形幾何約束模型的一組匹配對凡札A ,遍歷匹配對集@內所有匹配對，從而獲取同時滿足、、t2和t3時刻匹配點的匹配對集P1 QP3，設定匹配對集^^包含的匹配對有 p^p2q2p'r..·、Pm,qm.P'm『、..·、PM.qM,P'M.，m『為自然數，l<m' <M' ,M'為匹配對集_ 所包含的匹配對數，Pm,、qm,、；^分別表示等值線C1、等值線C2、等值線C3上的點。
6.根據權利要求1所述的基於三角形約束模型的無源導航的等值線匹配方法，其特徵在於所述第七步，採用加權概率估計模型算法，計算初始匹配集中各組數據的代價值，取代價值最小的那組數據為運載體最終初始匹配位置的具體過程如下a.構建的代價函數為cos t = f (1, α ) (1)式中1表示匹配點與慣導系統所提供的對應位置點之間的距離參數，α表示匹配點的方向角與慣導系統所提供的對應點的方向角之間的夾角；b.從匹配對集中任選一組匹配對^^，由公式(1)分別計算匹配對K^S 所對應的三個匹配點Pm,、qm,和Λ的匹配代價值Costpm,、COStqm,和COS爐:^，可得匹配對 pm,qm,p'm,的匹配代價值costj^ = Costpm, + Costqm, + cos^，選取cosi^；^*最小值所對應的一組匹配對為運載體最終的初始匹配值。
全文摘要
一種基於三角形約束模型的無源導航的等值線匹配方法，本發明針對無源導航(地形/地磁/重力輔助慣形導航)系統，當運載體剛進入地球物理場適配區域時，慣導系統提供的運載體位置信息存在大誤差條件下，為了快速獲取高精度的初始匹配值而提出的一種等值線匹配方法，其特徵在於利用已知的高精度三角形約束模型進行等值線匹配。本發明是一種自主式匹配方法，具有精度高、魯棒性好的特點，滿足無源導航系統地球物理場匹配技術對運載體初始位置精度的要求以及運載體對無源導航系統實時性要求，可應用於地形/地磁/重力輔助慣性導航等無源導航系統中的初始匹配。
文檔編號G01C21/20GK102168979SQ201010592980
公開日2011年8月31日 申請日期2010年12月8日 優先權日2010年12月8日
發明者房建成, 朱莊生 申請人:北京航空航天大學