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。

三、现状分析及存在问题
以IGRF为代表的国际地磁参考场模型和CGRF为代表的区域地磁场
模型精度过低难以满足地磁匹配导航的需要。

同时地磁数据处理研究也亟待进行。

地磁导航虽然已经开展了TERCOM、ICCP以及SITAN方面的研究，也
已投入到地形匹配等方面的应用中，但针对这几种方法的环境适用性研究以及误匹配研究较少。

而且这三种方法均存在自身的局限性，如何实现三者有机融合的研究目前仍是空白。

无论是潜艇还是导弹等军用设备，在实际应用前必须进行必要的
适配导航区域的选择，进而使载体的途经区域内包含有更多的地磁特征，最终才能实现更好、更稳定的导航。

目前在这方面的研究较少。

海洋地磁测量及数据处理
海洋地磁区域背景场模型构建
海洋地磁导航方法及改进
不同地磁特征下的最优匹配算法研究
海洋地磁导航误匹配诊断技术
基于TERCOM、ICCP以及SITAN联合的海洋地磁准实时导航方
法研究
基于地磁共生矩阵的地磁导航适配区及适配航向确定
海洋地磁导航误差综合分析
海洋地磁、INS及压力传感器导航信息融合
海洋地磁匹配导航系统设计
四、我们的工作及存在的问题
海洋地磁测量：
1）介绍测量所需的传感器2）拖鱼的安装定位3）日变站的架设4）船磁测量5）测量流程
研究内容（一）
海洋地磁测量及数据处理
海洋地磁数据处理：
1）地磁数据滤波2）船磁建模3）日变改正4）磁异常计算
5）测量精度评定
研究内容（一）
1）不同分辨率数据对地磁场模型精度的影响2）地磁特征对地磁建模精度的影响
3）截止阶数、曲面参数等与模型精度的关系
关键技术：
研究内容（二）
TERCOM：
1）介绍算法原理，并分析其优缺点。

2）针对对初始角度误差较为敏感的缺陷，提出一种基于自适应角度探测的TERCOM改进算法。

3）将Hussdorff距离引入其中，作为一种新的相关性度量指标。

研究内容（三）
海洋地磁导航方法及改进SITAN：
1）介绍了SITAN算法的工作原理。

2）研究了地磁线性化技术。

3）研究了滤波发散监测机制。

P
…M Nψ
ψ
2
1）TERCOM
TERCOM算法主要基于格网平移机制。

导航稳定性直接受背景场相关性影响，因此该算法的稳定性从
•计算地磁背景场相关长度以确定合适的匹配航迹长度
•分析背景场在航迹平行方向的相关性
两方面来研究。

不同地磁特征下的最优匹配导航算法研究
研究内容（四）
2）ICCP
ICCP算法的核心就是刚性变化，因此该算法的稳定主要从
•平移量的可靠性与等值点分布关系
•旋转量的稳定性与等值点分布关系
两方面进行研究。

研究内容（四）
The corresponding MSD
导航方法研究
基于地磁共生矩阵的地磁导航适配区及适配航向确定
研究内容（七）
通过对这些参量进行显著性分析，最后确定出地磁导航适配
地磁适配航向的选择。

及误差量级对地磁导航最终精度产生的影响。

基于地磁、INS以及压力传感器的数据融合算法
研究内容（九）
设计Kalman抗差自适应滤波模型，实现地磁匹配、惯性导航与压力计数据的深度融合。

地磁导航结果
惯导导航结果
压力传感器深度+-
INS GNS Kalman 滤波X G
X I X 压力传感器
五、还需要解决的问题最优高精度海洋局部地磁场模型构建方法
海洋地磁导航误匹配诊断
适配区划分及适配航向确定
导航算法的准确性、实时性
地磁导航误差综合分析
谢谢各位
Thank you for your attention。