專利名稱：地磁場線圖匹配自主導(dǎo)航方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種導(dǎo)航方法，特別是地磁場線圖匹配自主導(dǎo)航方法。
背景技術(shù)：
導(dǎo)航定位技術(shù)在現(xiàn)代科學技術(shù)發(fā)展中處于基礎(chǔ)地位，滲透于各種軍用和民用領(lǐng)域，顯示出越來越重要的作用。然而目前較成熟的導(dǎo)航定位方法在長期導(dǎo)航任務(wù)、無典型地貌特征環(huán)境等條件下尚存在很大的不足，需要其它導(dǎo)航方式的補充。例如潛艇，若僅采用INS技術(shù)，即慣導(dǎo)技術(shù)，雖然可以自主導(dǎo)航且短時精度較高，但是存在積累誤差，而在深水又難以借助其它現(xiàn)有技術(shù)，潛艇不得不定期浮出水面來修正，降低了其隱蔽性和安全性。再如巡航導(dǎo)彈,雖然可以收到無線電導(dǎo)航信號，但戰(zhàn)爭時期信號容易受到敵方的屏蔽和干擾，導(dǎo)航基站本身也容易受到攻擊；此外，當跨海、沙漠和森林等飛行時，由于地形的灰度和紋理基本相同，地形匹配方法也無法實現(xiàn)。
地磁匹配導(dǎo)航的基本原理就是測量出載體當?shù)氐牡卮艌鎏卣髁侩S航跡形成的線圖，并通過與預(yù)先存儲的地磁圖樣做匹配比較，從而實現(xiàn)精確的導(dǎo)航定位。地磁圖就是根據(jù)地磁場強度或方向等參量而繪制的一系列等值線。這些圖樣總體上遵循地球圓球模型形成的規(guī)律，但是也明顯受到地殼的表面分布和局部地理特征的影響，最終形成豐富的特征圖樣。同時，地磁場還具有更多的強度和角度特征量，匹配的可操作性要比地形和圖像更強。
文獻"基于等值線約束的地磁匹配方法[J].空間科學學報，2007， 27(6): 505~511."公開了一種地磁匹配導(dǎo)航方法，該方法借鑒了地形輪廓匹配輔助導(dǎo)航方法，將匹配過程分為粗匹配階段和精匹配階段，利用地磁場等值線約束來輔助INS進行定位。但在實際應(yīng)用中，這些方法也延續(xù)了地形匹配輔助導(dǎo)航方法的不足不能脫離INS獨立工作，在INS存在較大初始定位誤差和航向誤差情況下，由地磁匹配算法得到的定位精度大大降低；對地磁場信息利用不充分，只利用到單個地磁場幅值特征量進行匹配，從而容易陷入誤匹配；在積累一系列的磁測數(shù)據(jù)之后才能進行相關(guān)匹配定位，從而導(dǎo)致導(dǎo)航的實時性較差等。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服傳統(tǒng)地磁匹配導(dǎo)航方法對地磁場信息利用不充分、導(dǎo)航實時性不強和需要依賴INS共同工作等弱點，本發(fā)明提供一種地磁場線圖匹配自主導(dǎo)航方法，按照設(shè)定頻率連續(xù)測量航行器航跡上的多個地磁場特征量，并根據(jù)測量數(shù)據(jù)構(gòu)造對應(yīng)特征量的匹配線圖，根據(jù)匹配相似性準則和匹配結(jié)果融合準則，采用全局最優(yōu)搜索算法將多個特征量的匹配線圖與對應(yīng)的基準圖做匹配比較，得到航行器的位置信息。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案 一種地磁場線圖匹配自主導(dǎo)航方法，其特點是包括下述步驟-
(1) 選擇多個地磁特征量作為匹配特征量；
(2) 在采樣時刻"測量和計算地磁場匹配特征量；
(3) 采用滑動窗口方式構(gòu)造這些地磁特征量的匹配線(4) 采用全局最優(yōu)匹配搜索算法將各個匹配線圖分別與對應(yīng)基準圖做匹配比較，該步驟需要計算匹配線圖的相似性度量值和歸一化相似性度量值，并需要將不同特征量的歸一化度量值融合；
(5) 輸出航行器在采樣時刻f的定位信息；
(6) 在下一采樣時刻r^+l，重復(fù)執(zhí)行步驟2 5,從而實現(xiàn)連續(xù)定位。
首選地磁場矢量強度作為匹配特征量，只有當?shù)卮攀噶繌姸绕鸱^小時，才添加地磁場
角度特征量共同作為匹配特征量；在取觀測點為原點，取地理北向、地理東向和垂直向下分別為x、 j;和z軸的正向的直角坐標系下定義各個地磁特征量，由式(l)計算地磁場其余特征量的值
tan/ = Z//f
f = V//2+z2 =Vi2+:r2+z2式中，F(xiàn)是地磁場總強度、y是東向分量、z是北向分量、z是垂直分量、//是水平分量、D是磁偏角、/是磁傾角；
采用固定點數(shù)的滑動窗口方式構(gòu)造匹配線圖，即對每個特征量，假設(shè)每次匹配點數(shù)為w
點，在新測量值K到來后，將w,加到該特征量的測量線圖序列中，并將w^從該序列中剔除，留下^^到^間共W個測量值作為新匹配線圖；在每個采樣時刻f,完成磁測任務(wù)之后，即刻
對新匹配線圖與基準圖進行匹配，輸出匹配位置序列的該采樣時刻所對應(yīng)的導(dǎo)航位置。
特征量的匹配相似性準則為MAD準則、MSD準則、NPROD準則或者Hausdroff距離準則，在實際應(yīng)用中，根據(jù)導(dǎo)航要求來選擇一種準則進行相似性匹配；設(shè)w和v為做匹配的兩個序列，序列的點數(shù)為iV， /)0^)或//(>,"為相似性度量值，則各準則的定義為 準則 Z)(w， v)=丄f Jw, — v,I (2)6. MSD準則 D(m， v)=丄t (w, — v,.)2 (3)
c.NPROD準貝iJ 。(") = |>,乂/(、|>'2、1>'2) (4)
A HausdroffS巨離準則 力=max(/2(w, v), /z(v, w》 (5)
5、根據(jù)權(quán)利要求l所述的地磁場線圖匹配自主導(dǎo)航方法，其特征是歸一化方法為
/、/^f" (6)
式中，/和/'e
分別為歸一化前后的相似性度量值，/_和兒 分別為歸一化前的最大和 最小相似性度量值。
融合算法為加權(quán)最大/最小值原則和歸一化和原則，在實際應(yīng)用中，根據(jù)導(dǎo)航要求來合理 選擇一種融合準則；各融合算法的定義為
a.加權(quán)最大/最小值原則
max(^/;、 w2/,:2 ... ^力:w) 當要求目標值為最大
《=
, , — (7)
miniw,力,,w2/7,2 ... vi^力,a,) 當要求目標值為最小
6.歸一化和原則
巧+ (8) 式中，W為匹配特征量的數(shù)目，F(xiàn),為最終的融合相似性度量，為匹配位置在特征j的歸一 化相似性度量值。
全局最優(yōu)匹配搜索算法釆用遺傳算法、模擬退火算法及其混合算法等群體智能算法。 本發(fā)明的有益效果是由于僅依靠地球磁場特征進行自主導(dǎo)航，不受天時和天氣的限制， 也不會在平原和海面等無典型地貌特征的條件下失效，可為軍用和民用航行器提供長航期、 無源、全天時、全天候和全地域的精確定位服務(wù)，特別適合應(yīng)用于巡航導(dǎo)彈、無人機、潛艇 和民航等等高或近似等高運動的特殊場合。利用地磁場的多個特征量共同匹配，也即多線圖 匹配，實現(xiàn)對地磁場信息的充分利用，從而有效地減少誤匹配；采取在每個采樣時刻完成磁 測任務(wù)之后即刻匹配的方式，因此導(dǎo)航實時性較好；可以脫離INS獨立使用。
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作詳細說明。


圖1是本發(fā)明地磁場線圖匹配自主導(dǎo)航方法釆用的地磁場各特征量的定義示意圖。 圖2是本發(fā)明地磁場線圖匹配自主導(dǎo)航方法的流程圖。
具體實施例方式
6參照圖1 2。本發(fā)明采用多個地磁特征量作為匹配特征量。匹配特征量的選擇方法為 首選地磁矢量強度作為匹配特征量，只有當?shù)卮攀噶繌姸绕鸱^小時，才添加地磁角度特征
量共同作為匹配特征量。地磁場總強度A東向分量y、北向分量X、垂直分量Z、水平分量
//、磁偏角Z)、磁傾角/的定義如圖1，圖中所用的直角坐標系取觀測點為原點，取地理北向、 地理東向和垂直向下分別為X、 y和z軸的正向。地磁場的各個特征量之間的數(shù)學關(guān)系為
sini^}7/// tan/ = Z/i/
(9)
只要測得了地磁場東向、北向和垂直分量強度，就可由式(9)計算地磁場其余特征量的值。 在采樣時刻/,測量和計算地磁場匹配特征量。
采用固定點數(shù)的滑動窗口方式構(gòu)造匹配線圖，即對每個特征量，假設(shè)每次匹配點數(shù)為V 點，在新測量值",到來后，將",加到該特征量的測量線圖序列中，并將w,j從該序列中剔除， 留下w^+,到w,間共7V個測量值作為新匹配線圖。在每個釆樣時刻完成磁測任務(wù)之后，即刻對 新匹配線圖與基準圖進行匹配，輸出匹配位置序列中該采樣時刻對應(yīng)的導(dǎo)航位置。該方式不 需要像傳統(tǒng)的地磁匹配導(dǎo)航需要等到積累了一段測量序列后才能進行相關(guān)匹配，因此可以實 現(xiàn)連續(xù)定位，從而提高了匹配的實時性。
全局最優(yōu)匹配搜索算法可采用遺傳算法、模擬退火算法及其混合算法等群體智能算法來 搜索匹配位置，這些搜索算法能夠較好地收斂于全局最優(yōu)解。遺傳算法、模擬退火算法及其 混合算法等群體智能算法為行業(yè)內(nèi)人士所共知的方法，在此不再贅述。
特征量的匹配相似性準則選擇為MAD準則、MSD準則、NPROD準則和Hausdroff距 離準則。設(shè)"和v為做匹配的兩個序列，序列的點數(shù)為M "0,v)或i/(w，v)為相似性度量值， 則各準則的定義如下
a. MAD準則 6. MSD準則 c. NPROD準貝(J
<formula>formula see original document page 7</formula>在實際應(yīng)用中，根據(jù)導(dǎo)航要求來合理選擇一種準則進行相似性匹配。
歸一化的目的是統(tǒng)一不同特征量的相似性度量值的數(shù)量級,'歸一化公式如下
(14)<formula>formula see original document page 8</formula>其中，/和,、
分別為歸一化前后的相似性度量值，/^和厶,。分別為歸一化前的最 大和最小相似性度量值。
可采用的融合算法為加權(quán)最大/最小值原則或者歸一化和原則。各融合算法的定義如下
a.加權(quán)最大/最小值原則
max(V,:, W2力:2 ... w":w) 當要求目標值為最大
巧
min(w,力,,w2/;,2 ... Ww力，w) 當要求目標值為最小
6.歸一化和原則
^=/;,1+/;.2+...+/;,w (i6) 式中，w為匹配特征量的數(shù)目，F(xiàn),為最終的融合相似性度量，/;,;為匹配位置在特征j'
的歸一化相似性度量值因為每種特征的測量精度有差異，因此引進權(quán)值we[O，l]， w越大，
則對應(yīng)特征的信噪比越高，該特征的可信度越大。在實際應(yīng)用中，根據(jù)導(dǎo)航要求來合理選擇 一種融合準則。
下面以采用遺傳算法作為全局最優(yōu)匹配搜索算法為例子，說明本發(fā)明。 1.遺傳操作算法的設(shè)計
①編碼方式采用實值"初始位置+初始速度+測點加速度"的編碼形式。例如個體
1000 999 101.4 98.1 8.5 9.4 ...|,其中1000和999代表航行器在x-y坐標系上的初始位
置，101.4和98.1代表x吵軸上的初始速度，8.5和9.4代表到達第一個測量點的x-;/上的加速度， 余下基因為到達其他測量點的加速度。
② 初始種群產(chǎn)生由運動約束和上次的匹配結(jié)果產(chǎn)生匹配航跡。在首次匹配時，由加速 度約束、初速度誤差約束和初位置誤差約束隨機產(chǎn)生初始種群> 往后匹配的初始種群中的初 位置和初速度由上一次匹配的定位結(jié)果加上滿足誤差約束的隨機量產(chǎn)生，加速度由加速度約 束產(chǎn)生，加速度約束根據(jù)航行器的運動先驗知識來確定。
③ 適應(yīng)度計算先由個體的初始位置、初始速度和測點加速度按式⑨推算出每個測點 的位置(/V A)，然后選擇MSD準則按式(10)計算個體的每個特征量的相似性度量值，按式(14)
歸一化相似性度量，最后選擇加權(quán)最小值原則按式(15)融合各個特征量的歸一化相tU生度量， 作為最終適應(yīng)度值。
a/ (17)
式中，v、"和r分別為航行器的速度序列、加速度序列和采樣時間間隔。
"(",v) = +|>,—v,)2 (18)
式中，V為某特征量的測量序列一匹配線圖，M為將遺傳個體轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的位置序列P后 在該特征量基準圖中的基準地磁數(shù)據(jù)，若f不在網(wǎng)格交叉點上，則由雙線性插值法計算該點 處的地磁基準數(shù)據(jù)。
選擇算子采用輪盤賭選擇法和精英保護策略，重組算子采用線性重組法，變異算子采 用均勻變異。
停機準則采用閾值和迭代次數(shù)限制。若個體的MSD值小于閾值，或者迭代已達到 最大迭代次數(shù)，則終止迭代，取最佳適應(yīng)度對應(yīng)的個體為匹配解。 2.基于遺傳算法的匹配方法的實現(xiàn)步驟 基于上述的遺傳操作設(shè)計，匹配方法的具體實現(xiàn)步驟如下
(1) 取北向、東向和垂直方向地磁強度作為匹配特征量；基準圖己將實際地理位置網(wǎng)格 化，采用矩陣形式記錄網(wǎng)格交叉點位置的地磁數(shù)據(jù)，網(wǎng)格規(guī)格為100xl00m，并存儲于航行器 的計算機中；航行器貼近海平面以150m/s的平均速度飛行。
(2) 設(shè)定遺產(chǎn)參數(shù)為種群數(shù)150個，重組率0.95，變異率O.IO，最大迭代次數(shù)70次。 航行器的運動約束為加速度范圍-35 35m/s2，初位置誤差范圍-100 100m,，初速度誤差范 圍國20 20m/s。
(3) 在每次匹配時，每個匹配線圖的匹配點數(shù)取為IO個點。當航行器開始工作后，三軸 磁強計按照1Hz的采樣頻率連續(xù)采集航跡上的IO個測點的北向、東向和垂直方向地磁強度， 同一特征量的數(shù)據(jù)按照采集的先后順序排成一個序列，3個序列就構(gòu)成了 3個匹配線圖，首 次匹配就利用這3個匹配線圖；此后，從獲得第U個測點的數(shù)據(jù)開始，就由固定10個點數(shù) 的滑動窗口方式構(gòu)造每個匹配特征量的匹配線圖。
(4) 在采樣時刻f完成磁測之后，即刻應(yīng)用遺傳算法對匹配線圖進行匹配搜索，完成一次 匹配的遺傳操作的子步驟為
① 按照上述的編碼方式和初始種群產(chǎn)生辦法產(chǎn)生100個初始個體，并按照MSD準則和 加權(quán)最小值原則計算各個體的適應(yīng)度值；
② 對種群做選擇、交叉和變異操作；
③ 重新按照MSD準則和加權(quán)最小值原則計算計算新個體的適應(yīng)度值； 判斷滿足停機準則否，若滿足，則輸出種群中適應(yīng)度最好的個體作為最優(yōu)解，按式(n)
將最優(yōu)個體轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的位置序列，；若不滿足，則迭代執(zhí)行步驟②-④。
(5) 輸出位置序列中該采樣時刻所對應(yīng)的位置。
(6) 在下一采樣時刻~&1，測量地磁場矢量，當磁測任務(wù)完成之后，即刻按照上述步驟 3~5對磁測數(shù)據(jù)進行匹配，從而實現(xiàn)連續(xù)定位。
權(quán)利要求
1、一種地磁場線圖匹配自主導(dǎo)航方法，其特征在于包括下述步驟(1)選擇多個地磁特征量作為匹配特征量；(2)在采樣時刻t，測量和計算地磁場匹配特征量；(3)采用滑動窗口方式構(gòu)造地磁匹配特征量的匹配線圖；(4)采用全局最優(yōu)匹配搜索算法將各個匹配線圖分別與對應(yīng)基準圖做匹配比較，該步驟需要計算匹配線圖的相似性度量值和歸一化相似性度量值，并需要將不同特征量的歸一化度量值融合；(5)輸出航行器在采樣時刻t的定位信息；(6)在下一采樣時刻t＝t+1，重復(fù)執(zhí)行步驟2～5，從而實現(xiàn)連續(xù)定位。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的地磁場線圖匹配自主導(dǎo)航方法，其特征是首選地磁場矢量強 度作為匹配特征量，只有當?shù)卮攀噶繌姸绕鸱^小時，才添加地磁場角度特征量共同作為匹 配特征量；在取觀測點為原點，取地理北向、地理東向和垂直向下分別為x、少和z軸的正向 的直角坐標系下定義各個地磁特征量，由式(l)計算地磁場其余特征量的值sinD = r/// tan/ = Z/i7 sin/ = Z/F式中，F(xiàn)是地磁場總強度、F是東向分量、Z是北向分量、Z是垂直分量、H是水平分量、D 是磁偏角、/是磁傾角；
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的地磁場線圖匹配自主導(dǎo)航方法，其特征是采用固定點數(shù)的滑 動窗口方式構(gòu)造匹配線圖，即對每個特征量，假設(shè)每次匹配點數(shù)為W點，在新測量值w,到來 后，將w加到該特征量的測量線圖序列中，并將",^從該序列中剔除，留下w,—^到",間共iV 個測量值作為新匹配線圖；在每個采樣時刻(完成磁測任務(wù)之后，即刻對新匹配線圖與基準圖進行匹配，輸出匹配位置序列的該采樣時刻所對應(yīng)的導(dǎo)航位置。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的地磁場線圖匹配自主導(dǎo)航方法，其特征是特征量的匹配相似 性準則為MAD準則、MSD準則、NPROD準則或者Hausdroff距離準則，在實際應(yīng)用中，根 據(jù)導(dǎo)航要求來選擇一種準則進行相似性匹配；設(shè)t/和v為做匹配的兩個序列，序列的點數(shù)為 見"(",力或i/(",力為相似性度量值，則各準則的定義為a. mad準則 6. msd準則 c. nprod準則<formula>formula see original document page 0</formula>d Hausdrofffi巨離準則 i/(w,v) = max(/z(w,v), /j(v,m)) (5)
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的地磁場線圖匹配自主導(dǎo)航方法，其特征是歸一化方法為<formula>formula see original document page 3</formula>式中，/和/、
分別為歸一化前后的相似性度量值，厶j口兒。分別為歸一化前的最大和 最小相似性度量值。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的地磁場線圖匹配自主導(dǎo)航方法，其特征是融合算法為加權(quán)最 大/最小值原則和歸一化和原則，在實際應(yīng)用中，根據(jù)導(dǎo)航要求來合理選擇一種融合準則；各 融合算法的定義為 .加權(quán)最大/最小值原則<formula>formula see original document page 0</formula>.歸一化和原則當要求目標值為最大 當要求目標值為最小<formula>formula see original document page 0</formula>式中，；v為匹配特征量的數(shù)目，《為最終的融合相似性度量，y^為匹配位置在特征/的歸一化相似性度量值。
7、根據(jù)權(quán)利要求l所述的地磁場線圖匹配自主導(dǎo)航方法，其特征是全局最優(yōu)匹配搜索 算法采用遺傳算法、模擬退火算法及其混合算法等群體智能算法。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種地磁場線圖匹配自主導(dǎo)航方法，首先按照設(shè)定頻率連續(xù)測量航行器航跡上的多個地磁場特征量，并將測量數(shù)據(jù)按照固定點數(shù)的滑動窗口方式構(gòu)造對應(yīng)特征量的匹配線圖；根據(jù)匹配相似性準則和匹配結(jié)果融合準則，采用全局最優(yōu)搜索算法將多特征量的匹配線圖與基準圖做匹配比較，得到航行器的位置信息。該技術(shù)充分利用了地磁場多特征量的特點來計算航行器的精確位置，在長航期條件下沒有導(dǎo)航積累誤差，特別適用于海洋、平原等無典型地貌特征環(huán)境下的導(dǎo)航，能夠滿足未來巡航導(dǎo)彈、無人機和潛艇等航行器無源、全天時、全天候、全地域的導(dǎo)航要求，也可以應(yīng)用于民用領(lǐng)域。
文檔編號G01C21/24GK101520328SQ20091002180
公開日2009年9月2日 申請日期2009年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月1日
發(fā)明者劉瑩瑩, 軍 周, 施桂國, 葛致磊, 高智剛 申請人:西北工業(yè)大學