基于迭代計算的慣性/地磁匹配定位方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種組合導航定位技術，具體涉及一種基于迭代計算匹配算法的慣性 /地磁匹配定位方法。
【背景技術】
[0002] 慣性/地磁匹配導航就是將預先選定的運動載體軌道區(qū)域地磁場的某種特征值 制成參考圖存入載體計算機中，當載體飛越這些區(qū)域時，安裝在載體內(nèi)的傳感器實時測定 地磁場的有關特征值并構(gòu)成實時圖，實時圖與預存的參考圖在計算機中進行相關匹配，確 定實時圖在參考圖中的匹配點，從而計算出運動載體的實時位置信息。由于地磁匹配導航 以地球的固有磁場為基礎進行導航定位，因此具有無源、無輻射、隱蔽性強、誤差不隨時間 累積等眾多優(yōu)點。
[0003] 傳統(tǒng)的輪廓匹配算法是慣性/地磁匹配導航定位采用的主要匹配算法之一，其具 有原理簡單，適用范圍廣，對初始誤差要求低等優(yōu)點。然而該算法要求根據(jù)慣性導航系統(tǒng)輸 出的參考航跡（即指示航跡）形狀，遍歷有效范圍內(nèi)所有平行于參考航跡的序列，并通過相 關性準則確定最優(yōu)的匹配結(jié)果。首先，該算法只能修正慣性導航系統(tǒng)的位置誤差，而忽略了 慣性導航系統(tǒng)的航向誤差，匹配精度差；其次，該算法采用遍歷的手段進行大范圍搜索，匹 配速度慢，實時性差。上述兩個因素從根本上制約了慣性/地磁導航技術的發(fā)展和應用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服現(xiàn)有技術下的上述缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種基于迭代計算的慣 性/地磁匹配定位方法，本方法可以同時修正慣性導航系統(tǒng)的初始位置誤差和初始航向誤 差，提高載體定位精度，同時采用迭代算法求解匹配結(jié)果，提高載體定位的實時性。
[0005] 本發(fā)明的技術方案是： 一種基于迭代計算的慣性/地磁匹配定位方法：定義匹配位置偏移量和角度偏移量變 量，按照匹配位置偏移量和角度偏移量對慣性導航系統(tǒng)的指示航跡進行平移和旋轉(zhuǎn)以構(gòu)建 匹配航跡，建立指示航跡上各點的地磁場特征量測量值與匹配航跡上相對應點的地磁場特 征量參考值的均方差約束，迭代計算出匹配位置偏移量和角度偏移量，從而得到最優(yōu)匹配 航跡。
[0006] 所述迭代計算是以慣性導航系統(tǒng)指示航跡上各個待匹配點對應的位置測量值、 地磁場特征量測量值、來自地磁數(shù)據(jù)庫的地磁場特征量參考值為已知參數(shù)，計算匹配位置 偏移量的增量和角度偏移量的增量，用所述增量對應更新所述匹配位置偏移量和角度偏移 量，將更新后的所述匹配位置偏移量和角度偏移量投入到迭代計算的下一循環(huán)，直至滿足 迭代計算的終止條件，用最后得到的所述匹配位置偏移量和角度偏移量對各個待匹配點的 位置進行修正，將該修正后的待匹配點位置值作為匹配定位結(jié)果。修正后的待匹配點位置 值即為最優(yōu)匹配航跡上的點的位置值。
[0007] 所述更新優(yōu)選為線性更新。
[0008] 迭代計算中所述匹配位置偏移量和角度偏移量的初始值優(yōu)選為0。
[0009] 所述地磁場特征量包括總磁場強度、水平磁場強度、東向分量、北向分量、垂直分 量、磁偏角、磁傾角及磁場梯度中的一種或多種。
[0010] 所述地磁場特征量參考值優(yōu)選為至少包括地磁場強度參考值和地磁場強度的梯 度參考值。
[0011] 迭代計算的終止條件可以是以下任意一種，也可以是兩種的組合：條件（1)，迭代 次數(shù)達到預設次數(shù)；條件（2)，所述匹配位置偏移量的增量和角度偏移量的增量小于預先 設定值。
[0012] 所述基于迭代計算的慣性/地磁匹配定位方法優(yōu)選包括如下步驟： 步驟1，以慣性導航系統(tǒng)給出的包括當前時刻在內(nèi)的n個時刻 的位置為待匹配點，慣性導航系統(tǒng)給出待匹配點的位置測量值經(jīng)度 A和煒度X，磁傳感器給出待匹配點的地磁場強度測量值?;; q = 1L ?，n為大于2的整數(shù)， i=l時對應表示當前時刻； 步驟2,從預先存儲的地磁數(shù)據(jù)庫中讀取或計算得到對應于待匹配點的地磁場強度參 考值?;4、地磁場強度的梯度參考值和?^，其中表示地磁場強度在經(jīng)度方向的梯度 在第，點位置上的取值，表示地磁場強度在煒度方向的梯度在第，點位置上的取值； 步驟3,初始化匹配位置偏移量和角度偏移量M=[Az 4v af = [0 0 Of ; 步驟4:更新迭代參數(shù)G和好：
【主權項】
1. 一種基于迭代計算的慣性/地磁匹配定位方法，其特征在于定義匹配位置偏移量和 角度偏移量變量，按照匹配位置偏移量和角度偏移量對慣性導航系統(tǒng)的指示航跡進行平移 和旋轉(zhuǎn)以構(gòu)建匹配航跡，建立指示航跡上各點的地磁場特征量測量值與匹配航跡上相對應 點的地磁場特征量參考值的均方差約束，迭代計算出匹配位置偏移量和角度偏移量，從而 得到最優(yōu)匹配航跡。
2. 如權利要求1所述的基于迭代計算的慣性/地磁匹配定位方法，其特征在于迭代計 算以慣性導航系統(tǒng)指示航跡上各個待匹配點對應的位置測量值、地磁場特征量測量值、來 自地磁數(shù)據(jù)庫的地磁場特征量參考值為已知參數(shù)，計算匹配位置偏移量的增量和角度偏移 量的增量，用所述增量對應更新所述匹配位置偏移量和角度偏移量，將更新后的所述匹配 位置偏移量和角度偏移量投入到迭代計算的下一循環(huán)，直至滿足迭代計算的終止條件，用 最后得到的所述匹配位置偏移量和角度偏移量對各個待匹配點的位置進行修正，將該修正 后的待匹配點位置值作為匹配定位結(jié)果。
3. 如權利要求2所述的基于迭代計算的慣性/地磁匹配定位方法，其特征在于所述更 新為線性更新。
4. 如權利要求2或3所述的基于迭代計算的慣性/地磁匹配定位方法，其特征在于迭 代計算中所述匹配位置偏移量和角度偏移量的初始值均為〇。
5. 如權利要求1所述的基于迭代計算的慣性/地磁匹配定位方法，其特征在于所述地 磁場特征量包括總磁場強度、水平磁場強度、東向分量、北向分量、垂直分量、磁偏角、磁傾 角及磁場梯度中的一種或多種。
6. 如權利要求1、2、3、4或5所述的基于迭代計算的慣性/地磁匹配定位方法，其特征 在于所述地磁場特征量參考值至少包括地磁場強度參考值和地磁場強度的梯度參考值。
7. 如權利要求1、2、3、4、5或6所述的基于迭代計算的慣性/地磁匹配定位方法，其特 征在于迭代計算的終止條件是以下任意一種或兩種條件的組合：條件（1)，迭代次數(shù)達到 預設次數(shù)；條件（2)，所述匹配位置偏移量的增量和角度偏移量的增量小于預先設定值。
8. 如權利要求1、2、3、4、5、6或7所述的基于迭代計算的慣性/地磁匹配定位方法，其 特征在于包括如下步驟： 步驟1，以慣性導航系統(tǒng)給出的包括當前時刻在內(nèi)的n個時刻 的位置為待匹配點，慣性導航系統(tǒng)給出待匹配點的位置測量值經(jīng)度 巧和煒度乃，磁傳感器給出待匹配點的地磁場強度測量值?;i，| =1L ?，n為大于2的整數(shù)，i=l時對應表示當前時刻； 步驟2,從預先存儲的地磁數(shù)據(jù)庫中讀取或計算得到對應于待匹配點的地磁場強度參 考值？^、地磁場強度的梯度參考值7^和，其中表示地磁場強度在經(jīng)度方向的梯度 在第2點位置上的取值，？k表示地磁場強度在煒度方向的梯度在第；點位置上的取值； 步驟3,初始化匹配位置偏移量和角度偏移量4vaf= [〇 〇 ; 步驟4:更新迭代參數(shù)G和好：
步驟5,計算匹配位置偏移量的增量和角度偏移量的增量A1 :
(3) 舟3娶審新I7WF1位置偏移量和角度偏移量：
(4) 步驟7,判斷是否滿足終止迭代條件，若滿足則停止迭代并跳到步驟8,否則重復執(zhí)行 步驟4-步驟7 ; 終止迭代條件為①、②中任意一個或兩個：①迭代次數(shù)達到預設次數(shù)；②匹配位置偏 移量的增量和角度偏移量的增量的2范數(shù)小于設定值，SP (5) 其中e為預先設定的迭代最小誤差； 步驟8,根據(jù)迭代計算得到的匹配位置偏移量和角度偏移量M，按公式（6)計算輸出匹 配結(jié)果，
其中為第I時刻匹配結(jié)果的位置經(jīng)度，>Vi為第：時刻匹配結(jié)果的位置煒度。
9. 如權利要求8所述的基于迭代計算的慣性/地磁匹配定位方法，其特征在于所述地 磁場強度為地磁場總強度、地磁異常場總強度或者地磁場總強度在地理坐標系下某一方向 的分量； 當所述地磁場強度為地磁場總強度時，所述磁傳感器采用標量磁強計或者三軸矢量磁 強計，從所述磁傳感器直接獲得所述地磁場強度測量值； 當所述地磁場強度為地磁異常場總強度時，所述磁傳感器采用標量磁強計或者三軸矢 量磁強計，從所述磁傳感器測得地磁場總強度，并根據(jù)地球磁場模型計算出地磁異常場總 強度作為所述地磁場強度測量值； 當所述地磁場強度為地磁場總強度在地理坐標系下某一方向的分量，所述磁傳感器采 用三軸矢量磁強計，依據(jù)所述磁傳感器的三軸矢量測量值以及載體的姿態(tài)計算出地磁場總 強度測量值在地理坐標系下該方向的分量作為所述地磁場強度測量值。
10. 如權利要求9所述的基于迭代計算的慣性/地磁匹配定位方法，其特征在于按照與 所述迭代計算相同的步驟進行二次迭代，用二次迭代最后得到的匹配位置偏移量和角度偏 移量對各個待匹配點的二次迭代初始值進行修正，將該修正后的待匹配點位置值作為匹配 定位結(jié)果，前后兩次迭代的不同之處是二次迭代將前一次迭代得到的修正后的待匹配點位 置值作為二次迭代初始值。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于迭代計算的慣性/地磁匹配定位方法，步驟包括：從慣性導航系統(tǒng)讀取待匹配位置測量值，從磁傳感器讀取磁場強度信息；根據(jù)慣性導航系統(tǒng)指示的位置，從地磁數(shù)據(jù)庫中讀取對應位置的地磁場強度信息和地磁場強度的梯度信息；初始化匹配位置偏移量和角度偏移量；更新迭代參數(shù)；計算匹配位置偏移量和角度偏移量的增量；更新匹配位置偏移量和角度偏移量；根據(jù)終止迭代條件判斷是否重復迭代；計算輸出匹配定位結(jié)果。本發(fā)明能夠修正慣性導航系統(tǒng)的初始位置誤差和初始航向誤差，提高了載體的定位精度；而且本發(fā)明以數(shù)值迭代方法替代了傳統(tǒng)輪廓匹配方法中的遍歷求解手段，改善了定位算法的計算效率，提高了載體定位的實時性。
【IPC分類】G01C21-08, G01C21-16
【公開號】CN104697523
【申請?zhí)枴緾N201510147032
【發(fā)明人】解偉男, 李清華, 黃黎平, 王常虹
【申請人】哈爾濱工業(yè)大學
【公開日】2015年6月10日
【申請日】2015年3月31日