重力輔助慣性導航系統中重力圖匹配的初始匹配方法
2023-05-11 20:04:51
專利名稱：重力輔助慣性導航系統中重力圖匹配的初始匹配方法
技術領域：
本發明涉及了重力輔助慣性導航系統中重力圖匹配的初始匹配方法，主要針對重 力輔助慣性導航中重力圖匹配算法的初始匹配方法。
背景技術：
就地球物理場輔助慣性導航的無源導航技術來說，並不是一個新鮮的課題，最早 開始的是陸地上的地形輔助慣性導航研究，並於20世紀70年代末80年代初取得明顯的成 果。近年來，藉助大地測量技術成果，慣性/重力、慣性/地磁無源組合導航的理論和方法 同樣引起了國內外研究機構和學者的注意，相繼開展了重力匹配導航、地磁匹配導航等技 術的研究。目前重力輔助慣性導航的技術常採用的方法大多是沿用地形匹配的相關技術， 主要有SITAN算法、TERCOM算法等。無論是SITAN算法，還是TERCOM算法，其基本流程都 是通過運載體上承載的傳感器實時測量運載體運動軌跡上的地球物理場數據；同時，根據 慣導系統提供的運載體位置信息，從導航用參考重力圖中獲取地球物理場數據；然後將這 兩組數據集送給匹配解算計算機，利用匹配算法確定運載體的最佳匹配位置。數據集匹配問題最早可以追溯到二十世紀五十年代末的遙感圖像分析，那時 Hobrough首次對遙感模擬圖像進行了相似性分析，提出了圖像匹配的概念，至六七十年代， 數據集匹配的研究方法大多基於對圖像的特徵提取，如，Anuta的快速Rmrier變換(FFT) 方法，但是，由於提取特徵方法的限制，使得在特徵提取時數據集的信息不能完全得到反 映。直到八十年代初，Lucas針對視頻圖像匹配給出了一種迭代算法，由於該方法直接針對 圖像數據集進行搜索，因此Lucas的方法完全保留了圖像的性質，從而確保了匹配的精確 性。到了九十年代初，Chen和Medioni, Besl和McKay以及Zhang等人分別在Lucas的工 作基礎上將各種具體匹配問題上升到數據集之間的匹配問題，並獨立提出了求解數據集匹 配問題的ICP (Iterated Closest Point，簡稱ICP)算法，尤其是Besl和McKey的工作已 經成為數據集匹配問題的一個基礎，ICP方法也已經成為求解數據集匹配問題的一般性方 法而被廣泛採用，而且已被廣泛應用於地球物理場輔助慣性導航的重力圖(地形圖/地磁 圖)匹配。ICP算法是一個關於全局收斂性的研究，在理論上可以在任何初始位置誤差情況 都能工作，而在實際應用中由於目標函數、對應關係選擇、變換類型以及初始位置的選擇等 因素的影響，幾乎所有基於ICP的現有方法都只能得到局部最優匹配，是否能取得全局匹 配最優的關鍵在於初始匹配參數的選擇。針對初始匹配的選擇問題，Hugli等人提出了基 於初始參數劃分的SIC-range方法，Chetverikov等人通過對每一步迭代中對應點的選擇 範圍進行「裁剪」，並隨著迭代的進行逐步縮小和修正對應點的選擇範圍，以上方法主要源 於對靜態遙感圖像的相似性匹配，不要求實時性。在重力輔助慣性導航系統中，由於要保證 慣性導航系統長時間、高精度的工作，必須實時修正慣導系統本身的系統誤差，所以重力輔 助慣性導航系統對匹配算法具有實時性和可靠性要求。
發明內容
本發明的技術解決問題克服現有技術的不足，提供一種重力輔助慣性導航系統 中重力圖匹配的初始匹配方法，可有效地提高重力輔助慣性導航系統的可靠性和實時性， 從而可消除和克服在慣導系統輸出的位置信息存在大誤差條件下重力圖匹配算法失效的 缺陷。本發明採用的技術方案步驟如下一種重力輔助慣性導航系統中重力圖匹配的初 始匹配方法，實現步驟如下第一步，判斷運載體已進入重力場適配區域Ψ，選取運載體所承載的重力場傳感 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，確定運載體重力匹配參考圖的搜索區域Ω ；根據運載體所承載慣導系統 的誤差分布特性函數，確定當前時刻慣性系統的距離誤差閾值S，以慣導系統所提供的運 載體當前位置信息為中心，距離誤差閾值δ為半徑，劃定重力匹配參考圖的搜索區域Ω。第三步，構建高精度三角形幾何約束模型，並構建三角空間Γ。第四步，利用運載體所承載的重力場傳感器在、、t2和t3時刻所採取的重力值，獲 取運載體在t」 t2和t3時刻對應參考重力場等值線C」 C2和C3所包含的點集P」 P2和P3O第五步，基於三角形幾何約束模型等值線匹配算法，獲取運載體在當前時刻的所 有初始匹配對/^1WVjPW2WV...,PfljYnp...、pNqNmN，這些初始匹配對組成的集合定義為 初始匹配集ΡβΜ，j為自然數，1 < j b>c;用兩個參數b/a和c/a來表示該三角形，從而把由(x，y)空間中的三個點 構成的三角形轉換成(b/a，c/a)空間中用一個點來表示，該空間即為三角形空間Γ。所述第五步基於三角形幾何約束模型等值線匹配，獲取運載體所有可能位置的初 始匹配集p^xm^p2q2m1,...,pJqJmr...,pNqNmN ) (j 為自然數，1 < j <N，N為匹配
對集_所包含的匹配對數，Pp 1、π^分別表示第j個初始匹配對在等值線C1、等值線C2、 等值線C3上所對應的點)。其過程為首先從點集Pp P2和P3中各取一點組成一個三角形 匹配對^^ ；然後分別計算匹配對所對應三角形各邊邊長a」、和Ci (i為自然數，表示對 應的第i個匹配對)；最後把第i個匹配對投影到三角形空間，並判斷投影點是否落入三角空間Γ內；遍歷點集？112和？3中所有點，選取投影點落入三角空間Γ內的所有匹配對組 成初始匹配集。所述第六步採用加權概率估計模型算法，利用價值函數為角度誤差因子和距離誤 差因子的二次函數這一特點，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cost = 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。從匹配對集Τ^ 中任選一組匹配對。，由公式(1)分別計算匹配對^^
所對應的三個匹配點Pj、q」和Hij的匹配代價值costppcostq」和costm」，可得匹配對
的匹配代價值吒選取中最小值所對應的一組匹配 對為運載體最終的初始匹配值。本發明與現有的技術方法相比有益的效果是(1)針對實時性要求，目前已有的初始匹配方法如Hugli等人提出了基於初始參 數劃分的SIC-range方法，Chetverikov等人提出的「裁剪」法都是針對靜態遙感圖像的相 似性匹配，不要求實時性。利用本發明，可直接利用慣導系統短時測量的高精度參數構建幾 何約束模型並結合等值線匹配算法直接獲取高精度實時性和可靠的初始匹配參數，從而可 消除和克服在慣導系統輸出的位置信息存在大誤差條件下重力圖匹配算法失效的缺陷。(2)針對系統對匹配算法實時性的要求，國內的孫楓等人利用慣性導航系統短時 高精度的特點，採用基於誤差平方和價值函數最優的等值線匹配算法，吳太旗等人提出了 一種基於直線段方式的重力圖匹配方法，這兩種方法都是為了獲取高精度的初始位置信 息，但是它們都以假設運載體做直線運動為前提條件，因此在實際應用上具有一定的局限 性。本發明提出的幾何約束模型，它可適用於運載體做任何軌跡的運動，應用範圍廣泛。
圖1為重力輔助慣性導航基本原理框圖；圖2為本發明的流程圖；圖3為慣導系統的航位推算定位原理框圖；圖4為本發明構建的幾何約束模型示意圖；圖5為本發明構建的三角形空間Γ示意圖；圖6為本發明基於幾何約束模型的等直線匹配算法示意圖。
具體實施例方式如圖1所示，傳統的重力輔助慣性導航系統一般主要分成Α、B、C和D四個模塊。 A模塊的主要目的是利用運載體上所承載的重力場傳感器實時測量運載體運行軌跡上的實 際重力場數據；B模塊的主要目的是利用運載體上所承載的慣導系統實時提供的運載體位 置信息並結合重力參考圖最終獲取參考重力場數據；C模塊的目的是利用匹配算法最終獲取運載體的最優位置信息；D模塊的目的是利用最優匹配位置信息採用信息融合技術實時 修正慣導系統內部的系統誤差。本發明主要是針對C模塊中匹配算法的初始對準方法，以提高重力輔助慣性導航 系統的可靠性和實時性。如圖2所示，本發明將按照以下步驟實現第一步，判斷運載體已進入重力場適配區域Ψ，選取運載體所承載的重力場傳感 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。為了確保匹配算法在大位置誤差時可用，以及本發明構建的三角形約束模型的特 點，在判斷運載體已進入重力場適配區域Ψ時，選取運載體所承載的地球物理場傳感器連 續的三個採樣點的地球物理場觀測值後，記錄三個採樣點對應的時間分別為、、t2和t3時 刻。第二步，確定運載體重力匹配參考圖的搜索區域Ω ；根據運載體所承載慣導系統 的誤差分布特性函數，確定當前時刻慣性系統的距離誤差閾值S，以慣導系統所提供的運 載體當前位置信息為中心，距離誤差閾值δ為半徑，劃定重力匹配參考圖的搜索區域Ω。目前慣性技術已非常成熟，所以首先根據慣導系統的誤差分布特性函數以及誤差 模型，確定當前時刻慣導系統提供的位置信息的誤差閾值δ，然後以慣導系統提供的運載 體當前位置為中心，慣導系統的誤差閾值δ為半徑，劃定重力匹配參考圖的搜索區域Ω， 從而在減小搜索區域提高搜索速度前提條件下，確保運載體真實位置信息落於重力匹配參 考圖的搜索區域Ω內。第三步，構建高精度三角形幾何約束模型，並確定三角形幾何模型的三角空間Γ。利用慣導系統短時測量精度高的特點，獲取慣導系統在相鄰時刻、t2間和t2t3間 的測得運載體行駛的距離信息LpL2,以及運載體在t2時刻的相對轉向角θ，構建高精度的 三角型幾何約束模型。如圖3所示，慣導系統的定位方法是採用航位推算原理，根據航位推算原理可知 慣導系統在短時內具有高精度的測量值，所以如圖4所示，利用相鄰的、時刻到t2時刻這 個時間段內慣導輸出的距離L1, t2時刻到t3時刻這個時間段內慣導輸出的距離L2,以及在 t2時刻慣導系統測得運載體的相對轉向角θ構建幾何約束模型ABC;然後，選取任意三角 形，假定三角形的邊長分別為a、b和c，且a > b > c ；用兩個參數b/a和c/a來表示該三角 形，從而把由(x，y)空間中的三個點構成的三角形轉換成(b/a，c/a)空間中用一個點來表 示，如圖5所示，該空間即為三角形空間Γ，並獲取構建的高精度三角形幾何約束模型在三 角形空間Γ上的投影點％。第四步，利用運載體所承載的重力場傳感器在、、t2和t3時刻所採取的重力值，獲 取運載體在ti、t2和t3時刻對應參考重力場等值線C」 C2和C3所包含的點集Pi、P2和P3。 其過程如下如圖6所示，等值線(；在Ω區域內的點集PZA、Ci1、…、《,、…氣)(i為自然數， 0< i <1^，!^表示點集？工包含的點數)位於區間[Pltl，Pln]內；等值線C2在Ω區域內的點 集己(、、b2、…、6, .人2)「為自然數，0<1<1^2，L2表示點集P2包含的點數)位於區 間[P2Q，PJ內；以及等值線(3在Ω區域內的點集P3(q、C2、…、c,、...、)(i為自然數， 0 < i < L3, L3表示點集P3包含的點數)位於區間[P3Q，P3n]內。
第五步，基於三角形幾何約束模型等值線匹配算法，獲取運載體在當前時刻的初 始匹配集屍P^qiml,p2q2m2,...>pjqJmr...,pNqNmN ) (j 為自然數，1 < j < N，N 為匹
配對集所包含的匹配對數，Pj> Qj> mj分別表示第j個初始匹配對在等值線C1、等值線 C2、等值線C3上所對應的點)。其過程如下首先從點集Pp P2和P3中各取一點組成一個三角形匹配對^叾·，然後分別計算 匹配對所對應三角形各邊邊長Α、、和Ci (i為自然數，表示對應的第i個匹配對)；最後獲 取第i個匹配對在三角形空間Γ上的投影點A ；遍歷點集Pp PjPP3中所有點，獲取所有
三角形匹配對在三角形空間Γ上的投影點集GKQpA.....Qk.....Qm) (k為自然數，l<k
<M，M為點集Q包含的點數)，計算投影點A與投影點仏之間的距離/aa，選取/aa 的所 有投影點所對應的匹配對組成初始匹配集戶0M( P此m、、p2q2m2、…、PjqJmj、…、PNqNmN ) (j為自然數，1 < j Hlj分別表示第j個 初始匹配對在等值線C1、等值線C2、等值線C3上所對應的點)。。第六步，採用加權概率估計模型算法，利用價值函數為角度誤差因子和距離誤差 因子的二次函數這一特點，並計算初始匹配集中各組數據的代價值，最終獲取精確的初始 匹配值。構建的價值函數為cost = f(1, α) =M1I^M2Q2 (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，M1表示距離加權因子，M2表 示角度加權因子。從匹配對集^斤中任選一組匹配對^^，由公式(1)分別計算匹配對^ 所對應的三個匹配點Pj、q」和πι」的匹配代價值costppcostq」和costm」，可得匹配對^^ 的匹配代價值Ci)Si^; = eGS妒廣CGS埼y + C(>s加"選取中最小值所對應的一組匹配 對為運載體最終的初始匹配值。以上所述僅是重力輔助慣性導航系統中重力圖匹配初始對準方法，應當指出，幾 何約束模型的構建過程中提出了、、t2和t3時刻為三個相鄰時刻，如果運載體在某個時間 段內做嚴格的直線運動，用戶可以根據實際需要並結合慣導系統的累積誤差特性，可取、、 、和ti+n(i,n為自然數，i彡2)，其中必須保證運載體在、到、時刻內和、到ti+n內做嚴 格的直線運動，這些使用也應視為本發明的保護範圍。本發明說明書中未作詳細描述的內容屬於本領域專業技術人員公知的現有技術。
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權利要求
1.重力輔助慣性導航系統中重力圖匹配的初始匹配方法，其特徵在於步驟如下第一步，判斷運載體已進入重力場適配區域Ψ，選取運載體所承載的重力場傳感器連 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，確定運載體重力匹配參考圖的搜索區域Ω首先根據運載體所承載慣導系統的誤差分布特性函數，確定當前時刻慣性系統的距離 誤差閾值I然後以慣導系統所提供的運載體當前位置信息為中心，距離誤差閾值δ為半 徑，劃定重力匹配參考圖的搜索區域Ω，從而在減小搜索區域提高搜索速度前提條件下，確 保運載體真實位置信息落於重力匹配參考圖的搜索區域Ω內；第三步，構建三角形幾何約束模型，並構建三角空間Γ ；第四步，利用運載體所承載的重力場傳感器在、、、和t3時刻所採取的重力值，獲取運 載體在、、t2和t3時刻對應參考重力場等值線C」 C2和C3所包含的點集Pp P2和P3 ；第五步，基於三角形幾何約束模型等值線匹配算法，獲取運載體在當前時刻的所有初 始匹配對灼仏mr/^2m2、... AqjTnr...、pNqNmN，這些初始匹配對組成的集合定義為初始 匹配集屍βΜ，j為自然數，1 < j < N，N為匹配對集ΡβΜ所包含的匹配對數，Pj、q」、Iiij分 別表示第j個初始匹配對在等值線C1、等值線C2、等值線C3上所對應的點；第六步，採用加權概率估計模型算法，利用價值函數為角度誤差因子和距離誤差因子 的二次函數，計算初始匹配集中各組數據的代價值，最終獲取精確的初始匹配值。
2.根據權利要求1所述的重力輔助慣性導航系統中重力圖匹配的初始匹配方法，其特 徵在於所述第三步構建三角形幾何約束模型，並構建三角空間Γ的其過程為首先獲取 慣導系統在相鄰時刻、t2間和t2t3間的測得運載體行駛的距離信息LpL2,以及運載體在t2 時刻的相對轉向角θ，構建高精度的三角型幾何約束模型；然後，選取任意三角形，假定三 角形的邊長分別為a、b和c，且a > b > c ；用兩個參數b/a和c/a來表示該三角形，從而把 由X，y空間中的三個點構成的三角形轉換成b/a，c/a空間中用一個點來表示，該空間即為 三角形空間Γ。
3.根據權利要求1所述的重力輔助慣性導航系統中重力圖匹配的初始匹配方法，其特 徵在於所述第五步基於三角形幾何約束模型等值線匹配算法，獲取運載體所有可能位置 的初始匹配集的過程為首先從點集Pp P2和P3中各取一點組成一個三角形匹配對 J^i ；然後分別計算匹配對所對應三角形各邊邊長ai、bi和Ci，i為自然數，表示對應的第 i個匹配對；最後把第i個匹配對投影到三角形空間，並判斷該匹配對投影點與三角形幾何 約束模型在三角空間的投影點之間的距離Xi ；遍歷點集P1UPP3*所有點，選取I 的所有匹配對組成初始匹配集，ξ為用戶設定的允許誤差閾值。
4.根據權利要求1所述的重力輔助慣性導航系統中重力圖匹配的初始匹配方法，其特 徵在於所述第六步採用加權概率估計模型算法，利用價值函數為角度誤差因子和距離誤 差因子的二次函數這一特點，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cost = 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^所 對應的三個匹配點P」、qj和πι」的匹配代價值costpj、Costqj和costm」，可得匹配對凡義 的匹配代價值cos^^7 = cos妒Zcos均Zcosiw廣選取cosi^中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
重力輔助慣性導航系統中重力圖匹配的初始匹配方法，根據慣導系統短時測量精度高的特點，利用慣導系統在相鄰時刻t1t2間和t2t3間測得的運載體行駛的距離信息L1、L2，以及測得運載體在t2時刻的相對轉向角θ，利用這三個參數構建高精度幾何約束模型，並結合重力傳感器在t1、t2和t3時刻測得的重力值所對應的等值線C1、C2和C3，基於幾何約束的等值線匹配算法獲取重力圖匹配的初始值。本發明是一種自主式初始匹配方法，具有精度高、魯棒性好的特點，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G01C21/20GK102128625SQ20101059297
公開日2011年7月20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