匹配导航

匹配导航——地磁匹配导航

内容

一．必要性

二．研究现状

三．现状分析

四．我们的工作

五．未来的工作

地形匹配导航

61000

6150062000

62500

63000

X /m

63000

204500205000205500206000206500207000

Y/m

真实航迹INS航迹匹配航迹

一、必要性

随着陆地资源的匮乏，近年来国家对海洋资源的开发力度愈来愈大，应用于海底管线探测、水下沉船打捞以及水下资源勘探等领域的水下自制运动载体（如AUV，ROV）的研究得到了快速发展

AUV

ROV

攻击性核潜艇(SSN)必

潜艇导航系统必须是一种功能齐备、复杂而自动化程度极高

有源导航手段：

以

短基线，超短基线，主动声呐为代表的声学导航：1）精度较高；2）需要母船搭载；3）发射声信号隐蔽性差。GNSS：

1）准确性高；2）信号在水中衰减较快；3）水面或近水面导航隐蔽性差。

地形匹配导航定位系统

1）发射声信号隐蔽性差；2）海洋地形特征变化平缓，精度低。

惯性导航系统

1）无源；2）全天候；3）实时提供三维位置及速度；4）导航定位误差随时间积累。

重力辅助导航

1）无源；2）全天候；3）海底重力变化较为平缓区，不稳定；4）匹配序列较长。

因此，研究无源、自主、高精度水下导航定位技术，保证水下导航系统的精度和稳定性显得非常必要和迫切。

地磁：

1）一种基本地球物理学特征存在于地球的每一个角落。

2）地磁场包含7要素，这些要素均可以作为匹配源，保证了匹配的多样性和稳定性。

3）地磁作为矢量数据，具有指向性。

4）地磁无需向外界发射信号。其导航具有无源性、隐蔽性。

期解决现有导航系统存在的问题，为水下潜航器服务。

二、研究现状研究现状

地磁导航系统研究现状

地磁背景场模型研究现状

地磁匹配导航算法研究现状

适配区划分研究现状

研究现状(系统)

20世纪60年代末，美国的E-systems公司提出了基于地磁异常场等值线匹配的MAGCOM系统，从而开始了现代地磁匹配导航系统的研究。

20世纪80年代初，瑞典的lund学院对船只的地磁强度进行了实验，实验中将地磁强度的测量数据与地磁图进行人工比对，确定船只的位置；同时根据距离已知的两个传感器的输出时差，确定船只的速度。

20世纪90年代，美国科学家Pasiaki和BarItzhack提出了通过测量卫星所在位置的地磁场强度自主确定卫星轨道，将地磁导航应用于实践。

研究现状(系统)

直到2000年之后，美国才推出了优于500m的水下地磁导航系统，并计划将其应用于提高巡航鱼雷的命中率。

NASA高戈德空间中心和有关大学对水下地磁导航进行了研究，并进行了大量的地面试验。

波音公司也正在开展基于地磁导航的飞机自动着陆系统。

俄罗斯方面，在2004年进行的“安全-2004”演习中试射的SS-19导弹可以不按照抛物线沿稠密大气层边缘近乎水平飞行，使敌方导弹防御系统无法准确预测来袭导弹弹道，军事专家分析其也可能使用了地磁场等高线匹配制导技术。

研究现状(地磁背景场模型的构建)IGRF （IAGA每5年更新一次）

WMM （BGC、USGC每5年更新一次）

优：范围较大，顾及了全球地磁变化。

缺

：精度较低（100nT-200nT），分辨率低。

2007年二炮指挥学院王仕成等

分析了利用全球地磁场模型进

行匹配导航的可行性，认为其

很难满足匹配导航的精度。

全球地磁场模型

研究现状(地磁背景场模型的构建)✓美国、日本、加拿大、罗马尼亚、蒙古、越南等国每5年更新一次自己国家的区域地磁场模型。

✓中国地磁场模型(CGRF)：由我国地质勘探部门与中科院地质

与地球物理研究所每10年更新一次，目前精度50-150nT。

区域地磁场模型

研究现状(地磁导航算法)

Tercom

✓美国麦道飞机公司研制的机动地形相关系统（MTCS）✓英国不列颠宇航公司（BAE）研制的地形剖面匹配系统(TERPROM)

✓英国费伦蒂公司研制的PENETRATE系统

✓法国萨基姆公司（SAGEM）研制的地形剖面匹配导航

•优点：

1）运算速度较快。

2）对数据采样限制较小。

•缺点：

1）精度较低，无法实现小于格网的定位精度。

2）初始角度偏差较大时，匹配稳定性较差。研究现状(地磁导航算法)

ICCP

ICCP算法通过反复寻找与测量点集最近的对应点集，确定刚性变换（旋转矩阵和平移向量），使两组点集之间残差平方和所构成的目标函数值最小。（上世纪90年代末

Behzad Kamgar-Parsi和Behrooz提出）。

•优点：

1）可以计算出实时的平移量及旋转变量。

2）细部精度高于TERCOM。

•缺点：

1）计算速度较慢。

2）数据采样间隔要求较高。

3）容易产生局部收敛，从而引起误匹配。

SITAN

SITAN系统全称为桑迪亚惯性地形辅助导航系统，是美国Sandia实验室于上世纪80年代末开始研制的一套地形匹配导航算法。

优点：实时性较好。

缺点：初始误差过大时，极易产生滤波发散。