水下地磁导航中位场积分迭代法收敛性分析

位场积分迭代法是获取水下地磁数据库的基本技术,对水下地磁导航的实现提供了基础.该算法的收敛性问题没有严格的数学推导,通过压缩映像原理证明了位场积分迭代公式在满足一定条件时的收敛性问题,为获取海域水下磁场数据库的基本技术提供了理论依据.     

地磁匹配用于水下载体导航的初步分析

随着地磁场模型的日趋完善和滤波技术的不断成熟,地磁匹配方法在近几年得到迅速发展,它一般用于近地卫星,还未用于海洋环境.针对这一问题,本文结合地磁场特点和海洋地磁测量的现状,分析了水下地磁匹配的可行性.分别从匹配的地磁模型和测量值中存在干扰磁场两方面,指出了制约该技术发展的几个因素.在此基础上,提出了地磁用于水下载体定位的两条技术途径,一是用小波变换滤去地磁异常,与大尺度地磁模型匹配定位;另外,也提出了利用地磁异常,结合同时定位与构图(SLAM)算法实现自主导航.     

位场向下延拓迭代法收敛性分析及稳健向下延拓方法研究

地磁导航作为一种新的无源导航方式,具有重要的国防意义.构建空间地磁数据库是实现地磁导航的基础,位场延拓是解决地磁数据库构建的有效方法.积分-迭代法是一种解决位场大深度向下延拓的实用方法.本文着重对积分-迭代法的收敛性进行了分析,从数学角度证明积分-迭代法能够收敛到直接下延法理论解.同时对积分-迭代法的抗干扰性进行了初步分析,当观测数据含有噪声时,积分-迭代过程中使得噪声得到累加,影响延拓数据的精度.本文利用正则化方法和递增型维纳滤波方法,提出了波数域位场向下延拓新算法.模型检验表明,新算法稳定、抗干扰能力强、计算速度快.     

水下重力辅助导航中重力测量误差改正研究

重力辅助惯性导航系统是未来水下载体导航的重要方式,实时提供重力测量数据是实现水下载体重力辅助导航的关键技术之一.详细探讨了水下载体重力观测数据的厄特弗斯改正和水平扰动加速度改正的数学模型,通过仿真计算分析了载体的位置、航向角和速度误差对厄特弗斯改正精度的影响.仿真结果表明,航向角误差和速度误差对厄特弗斯改正的影响较大;当V=8节、φ=30°时,载体向北航行时,0.5°的航向角误差造成的厄特弗斯改正误差约0.5mGal,载体向东航行时,0.1节的速度误差造成的厄特弗斯改正误差约0.6mGal;要保证厄特弗斯改正精度在±1mGal以内,则要求航向角误差在±1°以内,且航速测量误差在±0.1节以内.     

地球磁场异常格网(EMAG2)辅助潜艇导航仿真研究

潜艇的惯性导航误差随时间积累.为了实现潜艇的无源导航,可利用地磁场强度异常数据进行辅助导航以修正纯惯性导航的误差.根据全球EMAG2构造西太平洋海域2′×2′总地磁场强度异常格网数据作为基准信息,结合SITAN地磁匹配算法在该海域进行地磁导航仿真计算.仿真结果表明在地磁总强度异常变化较大的区域,地磁辅助潜艇导航精度达到2′左右,与EMAG2的分辨率相当,验证了采用地磁场辅助潜艇导航的可行性.     

基于地磁熵和Hausdorff距离的地磁辅助惯性导航

惯性导航系统可实现自主导航,但存在定位误差随时间增大的缺点.本文采用地磁信息辅助惯性导航,修正其积累误差.文中分析了基于地磁熵的地磁匹配算法以及基于Hausdorff距离的地磁匹配算法的优缺点,提出了一种新算法,即二者相结合分别用于地磁匹配的粗匹配和精匹配过程,将所得匹配结果用于修正惯导系统的位置.仿真结果表明,新算法可克服基于地磁熵的地磁匹配算法易于发散的缺点,提高导航精度.     

海洋地磁参量实时测量野值的在线辨识与改正

地磁参量实时测量野值的在线辨识与改正是影响地磁导航算法定位概率和精度的重要因素.地磁导航定位的研究目前主要集中于匹配定位算法,地磁参量实时测量数据处理的研究较少.本文将多层递阶非平稳时间序列预测模型引入海洋地磁参量实时测量野值在线辨识与改正,利用多层递阶模型对实时测量值进行一步预测,根据迪克松准则进行野值辨识,利用中值滤波和一步预测值对野值进行改正.仿真数据和实测数据的实验室仿真结果表明,本文提出的野值在线辨识与改正算法不仅可以检测全部孤立型野值而且对多数斑点型野值也有较好的辨识效果,对产生野值处信号的复原误差小于5%.     

基于改进A*算法的水下重力匹配导航路径规划

水下重力匹配导航作为辅助手段,能够有效克服惯性导航系统在水下长时间航行产生的误差积累.重力场的不规则性,使得不同海域重力场适配性存在差异,重力特征变化显著的海域匹配精度较高,反之精度较低.在适配性评价基础上,对导航路径进行规划有助于提高作业任务可行性,合理规避不利因素.本文采用重力异常标准差、粗糙度等特征参数对海域重力场适配性进行评价,形成重力场适配格网参考图,引入A^*算法规划起始点和目标点间路径,达到了有效规避非适配区、提高航路设计合理性的目的.传统A^*算法存在的问题是,规划路径折线较多、线路总弯曲度大,本文设计了一种改进方法,通过前后向对比分析,对单个路径节点逐个进行筛选过滤,有效减少了冗余航向调整,实现了路径的平滑优化.     

基于IGRF的地磁基准图技术

地磁导航需要获得目标区域的地磁基准图。研究了基于国际地磁参考场的地磁场要素计算和等值线绘制方法。以给定目标区域的经纬高为输入,计算高阶地磁球谐函数获取地磁矢量并计算地磁场要素,修正了因地球扁率带来的数据差异。采用具有虚节点的移动矩形网格算法来绘制地磁参数等值线,生成目标区域的地磁基准图。采用C#实现了地磁基准图软件,测试表明,获得的地磁等高线数据满足使用要求,等值线精度较高。     

基于遗传算法的磁通门磁力仪观测数据一致性校正

在对全国地磁台站磁通门磁力仪记录数据的质量效能评估中发现,多个台站存在同台观测仪器的记录数据曲线不一致问题.针对这类问题,研究人员对多种地磁观测数据影响因素进行了定性或定量的分析.本文通过分析格值系数及姿态角对磁通门磁力仪记录数据的影响规律,建立磁通门磁力仪三轴校正模型,构建目标函数,并利用遗传算法对模型进行求解,测定仪器姿态角和格值系数,根据测定结果对记录数据进行一致性校正.数值模拟计算和台站实测实验结果表明:利用该算法解算的格值系数精度优于0.002,姿态角精度优于0.15°.根据解算结果计算,日变幅为50 nT时引入的日变形态不一致误差小于0.13 nT,满足国家地磁台网对地磁相对记录数据日变形态不一致误差的要求.     

地磁总场测量阵列对磁性目标定位的方法

提出了用地磁总场对磁性目标定位的方法.以远场磁偶极子原理构建了地磁总场的测量阵列,设计了阵列对目标的定位算法,求解中采用二重梯度算法消除了地磁总场随时间变化和空间分布不均匀对目标定位的影响.实验验证了这种二重梯度算法的有效性.利用MATHCAD对定位算法中的非线性方程组进行了仿真,采用LINGO软件求解了阵列方程组.在松花江沿岸某地,用光泵磁传感器阵列对航行中的目标船进行了定位实验,所测磁场数据曲线与理论曲线完全吻合,证明了定位算法物理模型的正确性.提出了改进的磁场梯度偏置定位算法,进一步提高了目标定位精度.实验证明了这种地磁总场目标定位方法的可行性.     

海洋地球物理导航

本文分析了海洋地球物理导航在水下航行器应用研发中的重要价值,总结了地球物理导航的理论方法,指出了海洋地球物理导航中有待解决的关键技术问题及其发展方向,阐明了海洋地球物理导航与惯导系统的组合是实现实时、连续、精确、安全隐蔽、完全自主水下导航的理想途径.     

基于IGRF13和WMM2020模型的地磁匹配特征量的选择

地磁导航具有极好的自主性、隐蔽性以及抗干扰性,而且近几年越来越引起广泛的关注和研究．在地磁匹配导航系统中,地磁特征量对导航性能有极大的影响,而且特征量数据之间有较大的差异,因此选择最佳的地磁匹配特征量是实现高性能地磁匹配导航的重要任务．本文采用了最新的国际地磁参考场模型IGRF13与世界地磁模型WMM2020研究分析了地磁场分量随时间及空间的变化情况,进而选择出匹配效果最佳的地磁匹配特征量．首先基于两种模型数据,通过用坡度的概念来描述导航区域的七个地磁匹配特征量随空间变化的情况,最终排除坡度较小的角度类地磁场特征量;其次,因地磁场的时间变化分析可以从点和区域两个方面进行,故采用控制变量法,分别计算出两个模型的单点以及区域的地磁信息熵值,以此来分析地磁匹配特征量随时间变化的情况．然后,通过基于两种地磁模型数据的计算与分析,结果均发现垂直分量Z是最佳的地磁特征量．最后,在导航区域分别基于模型数据和实测数据进行定位实验,进一步验证了分析的结果,为地磁匹配导航提供了可靠的依据．     

台站地磁观测数据精度提高方法

在当前多种地磁日常数据处理方法基础上,探讨提高地磁观测数据精度的问题.通过使用一种改进的地磁观测基线值计算方法,能有效减小外磁场变化对观测结果的影响,考虑到基线值日变化等因素,使用高阶多项式拟合基线值日变化曲线.利用该方法处理的地磁数据与实测数据进行结果比对后,发现此方法能有效提高地磁观测数据的精度和质量.     

一种改善区域地磁场模型边界效应的方法

针对目前建立区域地磁场模型截断阶数受限,地磁图精度偏低等缺陷,研究了运用Taylor多项式拟合法建立区域地磁场模型所存在的边界效应问题.从理论上深入分析了产生边界效应误差的根源,提出了采用边界插值约束的Taylor多项式拟合法,在改善区域地磁模型边界效应的同时,提高了模型拟合的截断阶数,进而绘制出较高精度的区域地磁场图,同时对该技术和现有补充国际地磁参考场值方法进行了比较分析,最后进行了仿真试验.试验证明,该技术具有优于补充国际地磁参考值的方法,能克服现有区域地磁场模型的边界效应问题,提高了区域地磁场模型的拟合精度.     

子午工程二期自动磁通门经纬仪

地磁台站观测有相对记录和绝对观测2种，相对记录数据需经基线值改正后方可得到地磁场要素的实际值.磁通门经纬仪是获取基线值的基本设备之一，在地磁观测中发挥着重要作用.目前台站采用的磁通门经纬仪需人工操作，人为因素会对观测数据质量产生影响，因在偏远地区和环境恶劣地区无法实现地磁绝对观测，造成地磁绝对观测的空间覆盖空白.子午工程二期将在我国大陆地区首次开展自动化磁偏角和磁倾角地磁绝对观测，必将推动地磁绝对观测技术创新与发展.自动磁通门经纬仪是我国自主研发的磁偏角和磁倾角自动化观测设备，采用无磁材料和压电电机，通过优化设计与改进加工工艺，以及引入多参量误差补偿算法，有效克服和消除了系统误差，提高了测量精度.该设备在河北涉县台、吉林合隆台、陕西乾陵台和北京白家疃台等台站开展了长时间的实际观测，并与台站的人工磁通门经纬仪观测结果进行了对比.结果表明，自动磁通门经纬仪的主要性能指标达到了人工磁通门经纬仪水平.该设备也通过了中国地震局前兆设备入网测试，功能和性能指标符合地磁台站地磁绝对观测要求.     

基于MATLAB软件对地磁含噪信号降噪处理算法的新研究

拟通过MATLAB软件对地磁信号因其受到外界高频干扰的影响,进行降噪处理。通过小波分析和数学形态学融合算法所设计的滤波器,同时将该算法所设计的滤波器与小波分析算法所设计的滤波器两者之间进行对比分析,并且计算出降噪后的地磁信号相对于未受干扰记录到的原始地磁正常信号的均方误差值,同时对降噪信号滤波结果相对与未受干扰记录到的原始地磁正常信号对比分析,分别求其信噪比的大小,综合考虑两种不同算法的滤波器对地磁含噪信号处理的优势和劣势。通过仿真测试后,进而得出小波分析与数学形态学融合算法所设计的滤波器能最大化的还原地磁记录到的真实信号。通过该算法的新研究,可以对地磁相对观测数据批量直接处理提供新思路,同时也能提高地磁相对观测数据的内在质量。     

基于统计建模的地磁匹配特征量选择

本文从地磁导航的实际需要出发,提出了地磁场平静变化建模与地磁匹配特征量的选择问题,并通过季节性ARIMA模型对地磁场的7个分量分别进行了建模.从建模结果来看,如果能够解决调水平精度的问题,Z分量和I分量是最优良的地磁匹配分量;如果调水平的精度达不到要求,那么F分量不失为一种明智的选择.另外,本文还提出了地磁场最小扰动分量的概念,并用主成分分析的方法对此进行了初步的尝试.     

重力异常和重力梯度联合辅助导航算法及仿真

鉴于潜艇的惯性导航系统误差随时间积累的缺陷,重力无源辅助导航近几年成为水下潜艇辅助导航研究的热点和前沿问题.采用多模型自适应Kalman滤波并行算法对重力异常和重力梯度联合辅助导航,通过对沿航迹重力异常和重力梯度信息因子的实时分配,加权处理得到潜艇位置的最优实时估计.选取不同特征区域的2条航线进行仿真试验,对算法的匹配...     

最新国际地磁参考场模型IGRF11研究

详细阐述了国际地磁参考场模型IGRF11的建模原理、 数据来源、 球谐系数及误差来源等. 以NOAA/NGDC候选地磁场模型为例, 分析了数据的选取原则和校正方法. 在MATLAB环境下, 研制了该模型的可视化软件, 为制备地磁仿真基准图提供了最有可能和最为便捷的途径, 能有效使用国际公开数据, 减少外场地磁实测工作量和成本, 对地磁导航工程化具有重要的价值. 对模型检验值和实测值与模型计算值进行比较, 结果表明, 软件计算结果是正确的、 可靠的; 对IGRF11与WMM2010模型的异同点进行比较, 结果表明, WMM2010的模型精度要高于IGRF11, 具有更为广阔的适用范围. 最后, 从模型长期变化估算角度入手, 分析了引起IGRF11模型计算精度低的原因.