水下地磁匹配导航定位关键技术研究

王胜平

东华理工大学 测绘工程学院，江西 南昌 310033

惯性导航（inertial navigation system，INS）具有自主、无源导航的特点，但其定位误差会随时间积累，难以满足载体长时间精密水下导航需要。地磁匹配导航以地球固有物理特征地磁为匹配对象，通过线图匹配实现导航，具有无源、隐蔽性强和匹配特征明显等优点，可以实现对INS积累误差的修正，是一种极佳的辅助INS水下导航手段。因此，研究以惯性导航为主，地磁匹配导航为辅的水下组合导航技术，可以满足水下潜艇导航对精度和隐蔽性的双重要求，也成为目前的研究热点。

论文在分析国内外研究现状的基础上，开展如下研究：

（1）海洋地磁数据测量与数据处理。地磁测量及数据处理是地磁匹配导航中背景场建立和实测地磁序列准确获取的基础。本研究以局部船载实测海洋地磁数据作为研究对象，首先给出船载海洋地磁测量系统的组成。并在此基础上，介绍船载海洋地磁测量及数据获取流程。

针对已获取的实测海洋地磁数据，开展手工编辑与FFT低通滤波相结合的地磁数据质量控制、日变改正、八方位船磁模型改正等海洋地磁数据处理研究，进而获得了稳定的地磁场强度数据。在此基础上，结合IGRF（international geomagnetic reference field）模型，准确计算了地磁异常值。最后，采用交叉点以及重复测线，对测量精度进行评定，为地磁匹配导航提供了准确而稳定的地磁数据。

（2）局域海洋地磁场模型建立。鉴于IGRF以及CGRF（chinese geomagnetic reference field）模型精度较低，难以满足匹配导航精度需求的现状，采用船载实测局部海洋地磁强度数据，探讨泰勒多项式、勒让德多项式、多面函数、样条函数、矩谐分析、球冠谐分析等局域海洋地磁场建模理论。其中，对不同建模方法最优模型参数的确定、不同分辨率数据对背景场模型精度的影响、特征地磁量与地磁背景精度的关系以及分区建模等关键问题进行了深入研究。通过试验分析，对于1∶10 000海洋地磁测量数据，实现了优于5nT的地磁背景场模型精度。并通过对上述模型精度进行比较，最终确定了分区多面函数法作为最优局域海洋地磁场模型建立方法。

（3）TERCOM、ICCP地磁匹配导航算法及改进。匹配算法是地磁匹配导航的核心。在研究TERCOM（terrain contour matching）、ICCP（iterative closest contour point）的基础上，分析这两种算法的局限性，认为导致TERCOM匹配导航精度较差原因在于仅顾及了平移变换而未考虑INS角误差引起的旋转变换；引起ICCP易出现局部收敛原因在于初始位置偏差过大。据此，提出自适应角度探测TERCOM改进算法、预平移ICCP改进算法，显著削弱了上述问题的影响。

在此基础上，根据TERCOM与ICCP在精度及速度上的互补性，研究了一种基于TERCOM与ICCP联合的地磁匹配导航算法。该算法试验结果表明，在背景场精度小于5nT、实测地磁序列误差小于2nT时，导航精度小于200m。同时联合算法导航时间仅为传统TERCOM算法的1／2，ICCP算法的1／6，提高了导航速度。

（4）SITAN地磁匹配导航算法及改进。SITAN（sandia inertial terrain aided navigation）算法稳定性差，容易产生滤波发散。基于此，研究基于改进TERCOM与ICCP辅助的SITAN改进算法。改善了SITAN算法在初始位置误差过大时，滤波收敛慢或容易滤波发散的缺陷。

（5）海洋地磁匹配导航误匹配诊断。误匹配严重影响着水下地磁匹配导航的精度和可靠性，且在深海环境下无法采用外部导航手段进行诊断。

为此，提出一种基于相似度极值探测的TERCOM误匹配诊断技术，以及基于M值与角度结合的ICCP算法误匹配探测方法；针对SITAN算法出现的误匹配，给出了以稳健的TERCOM与ICCP匹配结果为参考，辅助检测误匹配的思想；借助INS外源信息，提出一种基于距离和角度约束的误匹配综合诊断和修正方法，在实现现有3种导航算法误匹配综合诊断的基础上，可将TERCOM误匹配修复至2倍格网长度以内。

（6）导航区域适配性能分析及适配航向选择。采用熵、粗糙度等统计参量，实现对匹配区地磁变化特征的描述，并结合匹配试验对其显著性进行分析，进而实现适配区性能分析；在此基础上，提出一种基于地磁共生矩阵适配航向的确定方法，实现了水下潜航器在0°、45°、90°、135°四个角度中最优航向的选择。

（7）水下地磁导航系统组成及误差分析。研究地磁匹配辅助INS水下组合导航系统的组成、配置以及各单元的功能；分析影响组合导航系统导航精度的误差源。