專利名稱：重力輔助慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中重力圖匹配的初始匹配方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及了重力輔助慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中重力圖匹配的初始匹配方法，主要針對(duì)重 力輔助慣性導(dǎo)航中重力圖匹配算法的初始匹配方法。
背景技術(shù)：
就地球物理場(chǎng)輔助慣性導(dǎo)航的無(wú)源導(dǎo)航技術(shù)來(lái)說(shuō)，并不是一個(gè)新鮮的課題，最早 開始的是陸地上的地形輔助慣性導(dǎo)航研究，并于20世紀(jì)70年代末80年代初取得明顯的成 果。近年來(lái)，借助大地測(cè)量技術(shù)成果，慣性/重力、慣性/地磁無(wú)源組合導(dǎo)航的理論和方法 同樣引起了國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者的注意，相繼開展了重力匹配導(dǎo)航、地磁匹配導(dǎo)航等技 術(shù)的研究。目前重力輔助慣性導(dǎo)航的技術(shù)常采用的方法大多是沿用地形匹配的相關(guān)技術(shù)， 主要有SITAN算法、TERCOM算法等。無(wú)論是SITAN算法，還是TERCOM算法，其基本流程都 是通過(guò)運(yùn)載體上承載的傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量運(yùn)載體運(yùn)動(dòng)軌跡上的地球物理場(chǎng)數(shù)據(jù)；同時(shí)，根據(jù) 慣導(dǎo)系統(tǒng)提供的運(yùn)載體位置信息，從導(dǎo)航用參考重力圖中獲取地球物理場(chǎng)數(shù)據(jù)；然后將這 兩組數(shù)據(jù)集送給匹配解算計(jì)算機(jī)，利用匹配算法確定運(yùn)載體的最佳匹配位置。數(shù)據(jù)集匹配問(wèn)題最早可以追溯到二十世紀(jì)五十年代末的遙感圖像分析，那時(shí) Hobrough首次對(duì)遙感模擬圖像進(jìn)行了相似性分析，提出了圖像匹配的概念，至六七十年代， 數(shù)據(jù)集匹配的研究方法大多基于對(duì)圖像的特征提取，如，Anuta的快速Rmrier變換(FFT) 方法，但是，由于提取特征方法的限制，使得在特征提取時(shí)數(shù)據(jù)集的信息不能完全得到反 映。直到八十年代初，Lucas針對(duì)視頻圖像匹配給出了一種迭代算法，由于該方法直接針對(duì) 圖像數(shù)據(jù)集進(jìn)行搜索，因此Lucas的方法完全保留了圖像的性質(zhì)，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(chǔ)上將各種具體匹配問(wèn)題上升到數(shù)據(jù)集之間的匹配問(wèn)題，并獨(dú)立提出了求解數(shù)據(jù)集匹 配問(wèn)題的ICP (Iterated Closest Point，簡(jiǎn)稱ICP)算法，尤其是Besl和McKey的工作已 經(jīng)成為數(shù)據(jù)集匹配問(wèn)題的一個(gè)基礎(chǔ)，ICP方法也已經(jīng)成為求解數(shù)據(jù)集匹配問(wèn)題的一般性方 法而被廣泛采用，而且已被廣泛應(yīng)用于地球物理場(chǎng)輔助慣性導(dǎo)航的重力圖(地形圖/地磁 圖)匹配。ICP算法是一個(gè)關(guān)于全局收斂性的研究，在理論上可以在任何初始位置誤差情況 都能工作，而在實(shí)際應(yīng)用中由于目標(biāo)函數(shù)、對(duì)應(yīng)關(guān)系選擇、變換類型以及初始位置的選擇等 因素的影響，幾乎所有基于ICP的現(xiàn)有方法都只能得到局部最優(yōu)匹配，是否能取得全局匹 配最優(yōu)的關(guān)鍵在于初始匹配參數(shù)的選擇。針對(duì)初始匹配的選擇問(wèn)題，Hugli等人提出了基 于初始參數(shù)劃分的SIC-range方法，Chetverikov等人通過(guò)對(duì)每一步迭代中對(duì)應(yīng)點(diǎn)的選擇 范圍進(jìn)行“裁剪”，并隨著迭代的進(jìn)行逐步縮小和修正對(duì)應(yīng)點(diǎn)的選擇范圍，以上方法主要源 于對(duì)靜態(tài)遙感圖像的相似性匹配，不要求實(shí)時(shí)性。在重力輔助慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中，由于要保證 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間、高精度的工作，必須實(shí)時(shí)修正慣導(dǎo)系統(tǒng)本身的系統(tǒng)誤差，所以重力輔 助慣性導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)匹配算法具有實(shí)時(shí)性和可靠性要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種重力輔助慣性導(dǎo)航系統(tǒng) 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(dǎo)航系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性， 從而可消除和克服在慣導(dǎo)系統(tǒng)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(fā)明采用的技術(shù)方案步驟如下一種重力輔助慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中重力圖匹配的初 始匹配方法，實(shí)現(xiàn)步驟如下第一步，判斷運(yùn)載體已進(jìn)入重力場(chǎng)適配區(qū)域Ψ，選取運(yùn)載體所承載的重力場(chǎng)傳感 器連續(xù)的三個(gè)采樣點(diǎn)，三個(gè)采樣點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間分別為、、t2和t3時(shí)刻。第二步，確定運(yùn)載體重力匹配參考圖的搜索區(qū)域Ω ；根據(jù)運(yùn)載體所承載慣導(dǎo)系統(tǒng) 的誤差分布特性函數(shù)，確定當(dāng)前時(shí)刻慣性系統(tǒng)的距離誤差閾值S，以慣導(dǎo)系統(tǒng)所提供的運(yùn) 載體當(dāng)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(qū)域Ω。第三步，構(gòu)建高精度三角形幾何約束模型，并構(gòu)建三角空間Γ。第四步，利用運(yùn)載體所承載的重力場(chǎng)傳感器在、、t2和t3時(shí)刻所采取的重力值，獲 取運(yùn)載體在t” t2和t3時(shí)刻對(duì)應(yīng)參考重力場(chǎng)等值線C” C2和C3所包含的點(diǎn)集P” P2和P3O第五步，基于三角形幾何約束模型等值線匹配算法，獲取運(yùn)載體在當(dāng)前時(shí)刻的所 有初始匹配對(duì)/^1WVjPW2WV...,PfljYnp...、pNqNmN，這些初始匹配對(duì)組成的集合定義為 初始匹配集ΡβΜ，j為自然數(shù)，1 < j < N，N為匹配對(duì)集Ρ0Μ所包含的匹配對(duì)數(shù)，Pj、q^nij 分別表示第j個(gè)初始匹配對(duì)在等值線C1、等值線C2、等值線C3上所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)。第六步，采用加權(quán)概率估計(jì)模型算法，利用價(jià)值函數(shù)為角度誤差因子和距離誤差 因子的二次函數(shù)這一特點(diǎn)，并計(jì)算初始匹配集中各組數(shù)據(jù)的代價(jià)值，最終獲取精確的初始 匹配值。所述第二步中劃定搜索區(qū)域Ω，其過(guò)程為首先根據(jù)慣導(dǎo)系統(tǒng)的誤差分布特性函 數(shù)以及誤差模型，確定慣導(dǎo)系統(tǒng)提供的位置信息的誤差閾值δ，然后以慣導(dǎo)系統(tǒng)提供的運(yùn) 載體當(dāng)前位置為中心，慣導(dǎo)系統(tǒng)的誤差閾值δ為半徑，劃定搜索區(qū)域Ω，從而在減小搜索 區(qū)域提高搜索速度前提條件下，確保運(yùn)載體真實(shí)位置信息落于區(qū)域Ω內(nèi)。所述第三步構(gòu)建高精度三角形幾何約束模型，并確定三角形幾何模型的三角空間 Γ。其過(guò)程為首先，利用慣導(dǎo)系統(tǒng)短時(shí)測(cè)量精度高的特點(diǎn)，獲取慣導(dǎo)系統(tǒng)在相鄰時(shí)刻、t2 間和t2t3間的測(cè)得運(yùn)載體行駛的距離信息LpL2,以及運(yùn)載體在t2時(shí)刻的相對(duì)轉(zhuǎn)向角θ，構(gòu) 建高精度的三角型幾何約束模型；然后，選取任意三角形，假定三角形的邊長(zhǎng)分別為a、b和 c，且a>b>c;用兩個(gè)參數(shù)b/a和c/a來(lái)表示該三角形，從而把由(x，y)空間中的三個(gè)點(diǎn) 構(gòu)成的三角形轉(zhuǎn)換成(b/a，c/a)空間中用一個(gè)點(diǎn)來(lái)表示，該空間即為三角形空間Γ。所述第五步基于三角形幾何約束模型等值線匹配，獲取運(yùn)載體所有可能位置的初 始匹配集p^xm^p2q2m1,...,pJqJmr...,pNqNmN ) (j 為自然數(shù)，1 < j <N，N為匹配
對(duì)集_所包含的匹配對(duì)數(shù)，Pp 1、π^分別表示第j個(gè)初始匹配對(duì)在等值線C1、等值線C2、 等值線C3上所對(duì)應(yīng)的點(diǎn))。其過(guò)程為首先從點(diǎn)集Pp P2和P3中各取一點(diǎn)組成一個(gè)三角形 匹配對(duì)^^ ；然后分別計(jì)算匹配對(duì)所對(duì)應(yīng)三角形各邊邊長(zhǎng)a”、和Ci (i為自然數(shù)，表示對(duì) 應(yīng)的第i個(gè)匹配對(duì))；最后把第i個(gè)匹配對(duì)投影到三角形空間，并判斷投影點(diǎn)是否落入三角空間Γ內(nèi)；遍歷點(diǎn)集？112和？3中所有點(diǎn)，選取投影點(diǎn)落入三角空間Γ內(nèi)的所有匹配對(duì)組 成初始匹配集。所述第六步采用加權(quán)概率估計(jì)模型算法，利用價(jià)值函數(shù)為角度誤差因子和距離誤 差因子的二次函數(shù)這一特點(diǎn)，計(jì)算初始匹配集中各組數(shù)據(jù)的代價(jià)值，取代價(jià)值最小的那組 數(shù)據(jù)為運(yùn)載體最終初始匹配位置的具體過(guò)程如下構(gòu)建的代價(jià)函數(shù)為cost = f (1, α ) (1)式中1表示匹配點(diǎn)與慣導(dǎo)系統(tǒng)所提供的對(duì)應(yīng)位置點(diǎn)之間的距離參數(shù)，α表示匹配 點(diǎn)的方向角與慣導(dǎo)系統(tǒng)所提供的對(duì)應(yīng)點(diǎn)的方向角之間的夾角。從匹配對(duì)集Τ^ 中任選一組匹配對(duì)。，由公式(1)分別計(jì)算匹配對(duì)^^
所對(duì)應(yīng)的三個(gè)匹配點(diǎn)Pj、q」和Hij的匹配代價(jià)值costppcostq」和costm」，可得匹配對(duì)
的匹配代價(jià)值吒選取中最小值所對(duì)應(yīng)的一組匹配 對(duì)為運(yùn)載體最終的初始匹配值。本發(fā)明與現(xiàn)有的技術(shù)方法相比有益的效果是(1)針對(duì)實(shí)時(shí)性要求，目前已有的初始匹配方法如Hugli等人提出了基于初始參 數(shù)劃分的SIC-range方法，Chetverikov等人提出的“裁剪”法都是針對(duì)靜態(tài)遙感圖像的相 似性匹配，不要求實(shí)時(shí)性。利用本發(fā)明，可直接利用慣導(dǎo)系統(tǒng)短時(shí)測(cè)量的高精度參數(shù)構(gòu)建幾 何約束模型并結(jié)合等值線匹配算法直接獲取高精度實(shí)時(shí)性和可靠的初始匹配參數(shù)，從而可 消除和克服在慣導(dǎo)系統(tǒng)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(duì)系統(tǒng)對(duì)匹配算法實(shí)時(shí)性的要求，國(guó)內(nèi)的孫楓等人利用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)短時(shí) 高精度的特點(diǎn)，采用基于誤差平方和價(jià)值函數(shù)最優(yōu)的等值線匹配算法，吳太旗等人提出了 一種基于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(shè)運(yùn)載體做直線運(yùn)動(dòng)為前提條件，因此在實(shí)際應(yīng)用上具有一定的局限 性。本發(fā)明提出的幾何約束模型，它可適用于運(yùn)載體做任何軌跡的運(yùn)動(dòng)，應(yīng)用范圍廣泛。


圖1為重力輔助慣性導(dǎo)航基本原理框圖；圖2為本發(fā)明的流程圖；圖3為慣導(dǎo)系統(tǒng)的航位推算定位原理框圖；圖4為本發(fā)明構(gòu)建的幾何約束模型示意圖；圖5為本發(fā)明構(gòu)建的三角形空間Γ示意圖；圖6為本發(fā)明基于幾何約束模型的等直線匹配算法示意圖。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，傳統(tǒng)的重力輔助慣性導(dǎo)航系統(tǒng)一般主要分成Α、B、C和D四個(gè)模塊。 A模塊的主要目的是利用運(yùn)載體上所承載的重力場(chǎng)傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量運(yùn)載體運(yùn)行軌跡上的實(shí) 際重力場(chǎng)數(shù)據(jù)；B模塊的主要目的是利用運(yùn)載體上所承載的慣導(dǎo)系統(tǒng)實(shí)時(shí)提供的運(yùn)載體位 置信息并結(jié)合重力參考圖最終獲取參考重力場(chǎng)數(shù)據(jù)；C模塊的目的是利用匹配算法最終獲取運(yùn)載體的最優(yōu)位置信息；D模塊的目的是利用最優(yōu)匹配位置信息采用信息融合技術(shù)實(shí)時(shí) 修正慣導(dǎo)系統(tǒng)內(nèi)部的系統(tǒng)誤差。本發(fā)明主要是針對(duì)C模塊中匹配算法的初始對(duì)準(zhǔn)方法，以提高重力輔助慣性導(dǎo)航 系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性。如圖2所示，本發(fā)明將按照以下步驟實(shí)現(xiàn)第一步，判斷運(yùn)載體已進(jìn)入重力場(chǎng)適配區(qū)域Ψ，選取運(yùn)載體所承載的重力場(chǎng)傳感 器連續(xù)的三個(gè)采樣點(diǎn)，三個(gè)采樣點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間分別為、、t2和t3時(shí)刻。為了確保匹配算法在大位置誤差時(shí)可用，以及本發(fā)明構(gòu)建的三角形約束模型的特 點(diǎn)，在判斷運(yùn)載體已進(jìn)入重力場(chǎng)適配區(qū)域Ψ時(shí)，選取運(yùn)載體所承載的地球物理場(chǎng)傳感器連 續(xù)的三個(gè)采樣點(diǎn)的地球物理場(chǎng)觀測(cè)值后，記錄三個(gè)采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間分別為、、t2和t3時(shí) 刻。第二步，確定運(yùn)載體重力匹配參考圖的搜索區(qū)域Ω ；根據(jù)運(yùn)載體所承載慣導(dǎo)系統(tǒng) 的誤差分布特性函數(shù)，確定當(dāng)前時(shí)刻慣性系統(tǒng)的距離誤差閾值S，以慣導(dǎo)系統(tǒng)所提供的運(yùn) 載體當(dāng)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(qū)域Ω。目前慣性技術(shù)已非常成熟，所以首先根據(jù)慣導(dǎo)系統(tǒng)的誤差分布特性函數(shù)以及誤差 模型，確定當(dāng)前時(shí)刻慣導(dǎo)系統(tǒng)提供的位置信息的誤差閾值δ，然后以慣導(dǎo)系統(tǒng)提供的運(yùn)載 體當(dāng)前位置為中心，慣導(dǎo)系統(tǒng)的誤差閾值δ為半徑，劃定重力匹配參考圖的搜索區(qū)域Ω， 從而在減小搜索區(qū)域提高搜索速度前提條件下，確保運(yùn)載體真實(shí)位置信息落于重力匹配參 考圖的搜索區(qū)域Ω內(nèi)。第三步，構(gòu)建高精度三角形幾何約束模型，并確定三角形幾何模型的三角空間Γ。利用慣導(dǎo)系統(tǒng)短時(shí)測(cè)量精度高的特點(diǎn)，獲取慣導(dǎo)系統(tǒng)在相鄰時(shí)刻、t2間和t2t3間 的測(cè)得運(yùn)載體行駛的距離信息LpL2,以及運(yùn)載體在t2時(shí)刻的相對(duì)轉(zhuǎn)向角θ，構(gòu)建高精度的 三角型幾何約束模型。如圖3所示，慣導(dǎo)系統(tǒng)的定位方法是采用航位推算原理，根據(jù)航位推算原理可知 慣導(dǎo)系統(tǒng)在短時(shí)內(nèi)具有高精度的測(cè)量值，所以如圖4所示，利用相鄰的、時(shí)刻到t2時(shí)刻這 個(gè)時(shí)間段內(nèi)慣導(dǎo)輸出的距離L1, t2時(shí)刻到t3時(shí)刻這個(gè)時(shí)間段內(nèi)慣導(dǎo)輸出的距離L2,以及在 t2時(shí)刻慣導(dǎo)系統(tǒng)測(cè)得運(yùn)載體的相對(duì)轉(zhuǎn)向角θ構(gòu)建幾何約束模型ABC;然后，選取任意三角 形，假定三角形的邊長(zhǎng)分別為a、b和c，且a > b > c ；用兩個(gè)參數(shù)b/a和c/a來(lái)表示該三角 形，從而把由(x，y)空間中的三個(gè)點(diǎn)構(gòu)成的三角形轉(zhuǎn)換成(b/a，c/a)空間中用一個(gè)點(diǎn)來(lái)表 示，如圖5所示，該空間即為三角形空間Γ，并獲取構(gòu)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(diǎn)％。第四步，利用運(yùn)載體所承載的重力場(chǎng)傳感器在、、t2和t3時(shí)刻所采取的重力值，獲 取運(yùn)載體在ti、t2和t3時(shí)刻對(duì)應(yīng)參考重力場(chǎng)等值線C” C2和C3所包含的點(diǎn)集Pi、P2和P3。 其過(guò)程如下如圖6所示，等值線(；在Ω區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)集PZA、Ci1、…、《,、…氣)(i為自然數(shù)， 0< i <1^，!^表示點(diǎn)集？工包含的點(diǎn)數(shù))位于區(qū)間[Pltl，Pln]內(nèi)；等值線C2在Ω區(qū)域內(nèi)的點(diǎn) 集己(、、b2、…、6, .人2)“為自然數(shù)，0<1<1^2，L2表示點(diǎn)集P2包含的點(diǎn)數(shù))位于區(qū) 間[P2Q，PJ內(nèi)；以及等值線(3在Ω區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)集P3(q、C2、…、c,、...、)(i為自然數(shù)， 0 < i < L3, L3表示點(diǎn)集P3包含的點(diǎn)數(shù))位于區(qū)間[P3Q，P3n]內(nèi)。
第五步，基于三角形幾何約束模型等值線匹配算法，獲取運(yùn)載體在當(dāng)前時(shí)刻的初 始匹配集尸P^qiml,p2q2m2,...>pjqJmr...,pNqNmN ) (j 為自然數(shù)，1 < j < N，N 為匹
配對(duì)集所包含的匹配對(duì)數(shù)，Pj> Qj> mj分別表示第j個(gè)初始匹配對(duì)在等值線C1、等值線 C2、等值線C3上所對(duì)應(yīng)的點(diǎn))。其過(guò)程如下首先從點(diǎn)集Pp P2和P3中各取一點(diǎn)組成一個(gè)三角形匹配對(duì)^叾·，然后分別計(jì)算 匹配對(duì)所對(duì)應(yīng)三角形各邊邊長(zhǎng)Α、、和Ci (i為自然數(shù)，表示對(duì)應(yīng)的第i個(gè)匹配對(duì))；最后獲 取第i個(gè)匹配對(duì)在三角形空間Γ上的投影點(diǎn)A ；遍歷點(diǎn)集Pp PjPP3中所有點(diǎn)，獲取所有
三角形匹配對(duì)在三角形空間Γ上的投影點(diǎn)集GKQpA.....Qk.....Qm) (k為自然數(shù)，l<k
<M，M為點(diǎn)集Q包含的點(diǎn)數(shù))，計(jì)算投影點(diǎn)A與投影點(diǎn)仏之間的距離/aa，選取/aa 的所 有投影點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的匹配對(duì)組成初始匹配集戶0M( P此m、、p2q2m2、…、PjqJmj、…、PNqNmN ) (j為自然數(shù)，1 < j < N，N為匹配對(duì)集所包含的匹配對(duì)數(shù)，Pj、Qj> Hlj分別表示第j個(gè) 初始匹配對(duì)在等值線C1、等值線C2、等值線C3上所對(duì)應(yīng)的點(diǎn))。。第六步，采用加權(quán)概率估計(jì)模型算法，利用價(jià)值函數(shù)為角度誤差因子和距離誤差 因子的二次函數(shù)這一特點(diǎn)，并計(jì)算初始匹配集中各組數(shù)據(jù)的代價(jià)值，最終獲取精確的初始 匹配值。構(gòu)建的價(jià)值函數(shù)為cost = f(1, α) =M1I^M2Q2 (1)式中1表示匹配點(diǎn)與慣導(dǎo)系統(tǒng)所提供的對(duì)應(yīng)位置點(diǎn)之間的距離參數(shù)，α表示匹配 點(diǎn)的方向角與慣導(dǎo)系統(tǒng)所提供的對(duì)應(yīng)點(diǎn)的方向角之間的夾角，M1表示距離加權(quán)因子，M2表 示角度加權(quán)因子。從匹配對(duì)集^斤中任選一組匹配對(duì)^^，由公式(1)分別計(jì)算匹配對(duì)^ 所對(duì)應(yīng)的三個(gè)匹配點(diǎn)Pj、q」和πι」的匹配代價(jià)值costppcostq」和costm」，可得匹配對(duì)^^ 的匹配代價(jià)值Ci)Si^; = eGS妒廣CGS埼y + C(>s加"選取中最小值所對(duì)應(yīng)的一組匹配 對(duì)為運(yùn)載體最終的初始匹配值。以上所述僅是重力輔助慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中重力圖匹配初始對(duì)準(zhǔn)方法，應(yīng)當(dāng)指出，幾 何約束模型的構(gòu)建過(guò)程中提出了、、t2和t3時(shí)刻為三個(gè)相鄰時(shí)刻，如果運(yùn)載體在某個(gè)時(shí)間 段內(nèi)做嚴(yán)格的直線運(yùn)動(dòng)，用戶可以根據(jù)實(shí)際需要并結(jié)合慣導(dǎo)系統(tǒng)的累積誤差特性，可取、、 、和ti+n(i,n為自然數(shù)，i彡2)，其中必須保證運(yùn)載體在、到、時(shí)刻內(nèi)和、到ti+n內(nèi)做嚴(yán) 格的直線運(yùn)動(dòng)，這些使用也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。本發(fā)明說(shuō)明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。
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權(quán)利要求
1.重力輔助慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中重力圖匹配的初始匹配方法，其特征在于步驟如下第一步，判斷運(yùn)載體已進(jìn)入重力場(chǎng)適配區(qū)域Ψ，選取運(yùn)載體所承載的重力場(chǎng)傳感器連 續(xù)的三個(gè)采樣點(diǎn)，三個(gè)采樣點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間分別為、、t2和t3時(shí)刻；第二步，確定運(yùn)載體重力匹配參考圖的搜索區(qū)域Ω首先根據(jù)運(yùn)載體所承載慣導(dǎo)系統(tǒng)的誤差分布特性函數(shù)，確定當(dāng)前時(shí)刻慣性系統(tǒng)的距離 誤差閾值I然后以慣導(dǎo)系統(tǒng)所提供的運(yùn)載體當(dāng)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(qū)域Ω，從而在減小搜索區(qū)域提高搜索速度前提條件下，確 保運(yùn)載體真實(shí)位置信息落于重力匹配參考圖的搜索區(qū)域Ω內(nèi)；第三步，構(gòu)建三角形幾何約束模型，并構(gòu)建三角空間Γ ；第四步，利用運(yùn)載體所承載的重力場(chǎng)傳感器在、、、和t3時(shí)刻所采取的重力值，獲取運(yùn) 載體在、、t2和t3時(shí)刻對(duì)應(yīng)參考重力場(chǎng)等值線C” C2和C3所包含的點(diǎn)集Pp P2和P3 ；第五步，基于三角形幾何約束模型等值線匹配算法，獲取運(yùn)載體在當(dāng)前時(shí)刻的所有初 始匹配對(duì)灼仏mr/^2m2、... AqjTnr...、pNqNmN，這些初始匹配對(duì)組成的集合定義為初始 匹配集尸βΜ，j為自然數(shù)，1 < j < N，N為匹配對(duì)集ΡβΜ所包含的匹配對(duì)數(shù)，Pj、q」、Iiij分 別表示第j個(gè)初始匹配對(duì)在等值線C1、等值線C2、等值線C3上所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)；第六步，采用加權(quán)概率估計(jì)模型算法，利用價(jià)值函數(shù)為角度誤差因子和距離誤差因子 的二次函數(shù)，計(jì)算初始匹配集中各組數(shù)據(jù)的代價(jià)值，最終獲取精確的初始匹配值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的重力輔助慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中重力圖匹配的初始匹配方法，其特 征在于所述第三步構(gòu)建三角形幾何約束模型，并構(gòu)建三角空間Γ的其過(guò)程為首先獲取 慣導(dǎo)系統(tǒng)在相鄰時(shí)刻、t2間和t2t3間的測(cè)得運(yùn)載體行駛的距離信息LpL2,以及運(yùn)載體在t2 時(shí)刻的相對(duì)轉(zhuǎn)向角θ，構(gòu)建高精度的三角型幾何約束模型；然后，選取任意三角形，假定三 角形的邊長(zhǎng)分別為a、b和c，且a > b > c ；用兩個(gè)參數(shù)b/a和c/a來(lái)表示該三角形，從而把 由X，y空間中的三個(gè)點(diǎn)構(gòu)成的三角形轉(zhuǎn)換成b/a，c/a空間中用一個(gè)點(diǎn)來(lái)表示，該空間即為 三角形空間Γ。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的重力輔助慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中重力圖匹配的初始匹配方法，其特 征在于所述第五步基于三角形幾何約束模型等值線匹配算法，獲取運(yùn)載體所有可能位置 的初始匹配集的過(guò)程為首先從點(diǎn)集Pp P2和P3中各取一點(diǎn)組成一個(gè)三角形匹配對(duì) J^i ；然后分別計(jì)算匹配對(duì)所對(duì)應(yīng)三角形各邊邊長(zhǎng)ai、bi和Ci，i為自然數(shù)，表示對(duì)應(yīng)的第 i個(gè)匹配對(duì)；最后把第i個(gè)匹配對(duì)投影到三角形空間，并判斷該匹配對(duì)投影點(diǎn)與三角形幾何 約束模型在三角空間的投影點(diǎn)之間的距離Xi ；遍歷點(diǎn)集P1UPP3*所有點(diǎn)，選取I 的所有匹配對(duì)組成初始匹配集，ξ為用戶設(shè)定的允許誤差閾值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的重力輔助慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中重力圖匹配的初始匹配方法，其特 征在于所述第六步采用加權(quán)概率估計(jì)模型算法，利用價(jià)值函數(shù)為角度誤差因子和距離誤 差因子的二次函數(shù)這一特點(diǎn)，計(jì)算初始匹配集中各組數(shù)據(jù)的代價(jià)值，取代價(jià)值最小的那組 數(shù)據(jù)為運(yùn)載體最終初始匹配位置的具體過(guò)程如下a.構(gòu)建的代價(jià)函數(shù)為cost = f (1, α ) (1)式中1表示匹配點(diǎn)與慣導(dǎo)系統(tǒng)所提供的對(duì)應(yīng)位置點(diǎn)之間的距離參數(shù)，α表示匹配點(diǎn)的方向角與慣導(dǎo)系統(tǒng)所提供的對(duì)應(yīng)點(diǎn)的方向角之間的夾角；b.從匹配對(duì)集^^中任選一組匹配對(duì)^^，由公式(1)分別計(jì)算匹配對(duì)^所 對(duì)應(yīng)的三個(gè)匹配點(diǎn)P」、qj和πι」的匹配代價(jià)值costpj、Costqj和costm」，可得匹配對(duì)凡義 的匹配代價(jià)值cos^^7 = cos妒Zcos均Zcosiw廣選取cosi^中最小值所對(duì)應(yīng)的一組匹配 對(duì)為運(yùn)載體最終的初始匹配值。
全文摘要
重力輔助慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中重力圖匹配的初始匹配方法，根據(jù)慣導(dǎo)系統(tǒng)短時(shí)測(cè)量精度高的特點(diǎn)，利用慣導(dǎo)系統(tǒng)在相鄰時(shí)刻t1t2間和t2t3間測(cè)得的運(yùn)載體行駛的距離信息L1、L2，以及測(cè)得運(yùn)載體在t2時(shí)刻的相對(duì)轉(zhuǎn)向角θ，利用這三個(gè)參數(shù)構(gòu)建高精度幾何約束模型，并結(jié)合重力傳感器在t1、t2和t3時(shí)刻測(cè)得的重力值所對(duì)應(yīng)的等值線C1、C2和C3，基于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(fā)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(diǎn)，可應(yīng)用于地形/地磁/重力輔助慣性導(dǎo)航等無(wú)源導(dǎo)航系統(tǒng)中的初始匹配。
文檔編號(hào)G01C21/20GK102128625SQ20101059297
公開日2011年7月20日 申請(qǐng)日期2010年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月8日
發(fā)明者房建成, 朱莊生 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)