重力异常和重力梯度联合辅助导航算法及仿真

重力异常和重力梯度联合辅助导航算法及仿真
， ２ 王虎彪１， ， 王 勇１ ， 许大欣１， 柴 华１ ２
（ 中国科学院测量与地球物理研究所 动力大地测量重点实验室 ， 武汉 ４ 中国科学院研究生院 ， 北京 １ ） １． ３ ０ ０ ７ ７； ０ ０ ０ ４ ９ ２．
摘 要 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 Ｋ 通过对沿航迹重力 ａ ｌ ｍ ａ ｎ 滤波并行算法对重力异常和重力梯度联合辅助 导 航 ， 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 异常和重力梯度信息因子的实时分配 ， 仿真试验 ， 对算法的匹配可靠性和匹配误差进行分析 ， 结果表明 ， 该算法 能 弥 补 单 纯 重 力 异 常 或 重 力 梯 度 匹 配 定 位 精 度不够 、 误匹配以及匹配失效情况的不足 ， 提高现有重力场辅助导航的定位成功率和定位精度 ． 关键词 重力异常 ， 重力梯度 ，并行 Ｋ 权信息因子 ， 联合辅助导航 ａ ｌ ｍ ａ ｎ 滤波 ， ： ／ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ４ ２ ９ ０ ３． ２ ０ １ １． ０ １． ０ １ ２ 中图分类号 Ｐ Ｄ Ｏ Ｉ １ ０． ３ ９ ６ ９ ３ １ ２ 文献标识码 Ａ ｊ
０ 引 言
目前 ， 核潜艇的主要导航系统普遍采用惯性导
航系统 （ ） 由于Ｉ Ｉ ｎ ｅ ｒ ｔ ｉ ａ ｌＮ ａ ｖ ｉ ａ ｔ ｉ ｏ ｎＳ ｓ ｔ ｅ ｍ， Ｉ Ｎ Ｓ ． Ｎ Ｓ ｇ ｙ 的位置误差随时间 积 累 ， 长时间航行时需要进行重 因而人们研究 调和校正才能保证 载 体 的 定 位 精 度 ，
第２ ６卷 第１期 页码 ： ） ２ ０ １ １年 ２月（ １ １ ６～１ ２ ２
地 球 物 理 学 进 展
Ｐ Ｒ Ｏ Ｇ Ｒ Ｅ Ｓ Ｓ Ｉ Ｎ Ｇ Ｅ Ｏ Ｐ ＨＹ Ｓ Ｉ Ｃ Ｓ
Ｖ ｏ ｌ ． ２ ６，Ｎ ｏ ． １ Ｆ ｅ ｂ ． ２ ０ １ １
王虎彪 ， 王 勇， 许大欣 ， 等． 重力异常和重力 梯 度 联 合 辅 助 导 航 算 法 及 仿 真 ． 地 球 物 理 学 进 展， ： ： ２ ０ １ １， ２ ６（ １） １ １ ６～１ ２ ２， Ｄ Ｏ Ｉ ／ １ ０． ３ ９ ６ ９ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ４ ２ ９ ０ ３． ２ ０ １ １． ０ １． ０ １ ２． ｊ ，Ｗ Ｗ ａ ｎ ａ ｎ Ｘ ｕＤ Ｘ， 犲 狋 犪 犾．Ａ ｉ ｄ ｅ ｄｎ ａ ｖ ｉ ａ ｔ ｉ ｏ ｎａ ｌ ｏ ｒ ｉ ｔ ｈ ｍａ ｎ ｄｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈｂ ａ ｓ ｅ ｄｏ ｎｔ ｈ ｅｄ ａ ｔ ａｏ ｆｇ ｒ ａ ｖ ｉ ｔ ｎ ｏ ｍ ａ ｌ ｎ ｄ ｇＨ Ｂ ｇＹ， ｇ ｇ ｙａ ｙａ ） ， ， （ ） ： ， ： ／ ｒ ａ ｖ ｉ ｔ ｒ ａ ｄ ｉ ｅ ｎ ｔ ． 犘 狉 狅 狉 犲 狊 狊 犻 狀犌 犲 狅 犺 狊．（ ｉ ｎＣ ｈ ｉ ｎ ｅ ｓ ｅ ２ ０ １ １ ２ ６ １ １ １ ６ ２ ２ Ｄ Ｏ Ｉ １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ４ ２ ９ ０ ３ ． ２ ０ １ １ ． ０ １ ． ０ １ ２ ． ～１ ｇ ｙｇ ｊ 犵 狆 狔
１ 期
王虎彪 ， 等： 重力异常和重力梯度联合辅助导航算法及仿真
１ １ ７
１］ 设计了多种辅 助 导 航 方 法 ［ （ 如Ｇ 无线电 Ｐ Ｓ 导 航、
辅助导航 、 声纳辅助导航 、 地形辅助导航等 ） ， 但这些 辅助导航手段均要 牺 牲 水 下 运 载 体 的 隐 蔽 性 ， 使其 安全受到威胁 ． 地球 重 力 场 是 地 球 固 有 的 物 理 特 性 之 一 ， 通过
犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋 Ｉ ｎｖ ｉ ｅ ｗｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｓ ｈ ｏ ｒ ｔ ａ ｅ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｅ ｒ ｒ ｏ ｒ ｏ ｆ Ｉ ｎ ｅ ｒ ｔ ｉ ａ ｌＮ ａ ｖ ｉ ａ ｔ ｉ ｏ ｎＳ ｓ ｔ ｅ ｍｗ ｉ ｌ ｌ ｂ ｅ ｃ ｕ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｄａ ｌ ｏ ｎ ｉ ｔ ｈｔ ｈ ｅ ｒ ｉ ｓ ｅｏ ｆ ｇ ｇ ｙ ｇｗ ， ｔ ｉ ｍ ｅ ｔ ｈ ｅｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｆｇ ｒ ａ ｖ ｉ ｔ ａ ｉ ｄ ｅ ｄｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ｗ ａ ｔ ｅ ｒｎ ａ ｖ ｉ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｗ ａ ｓａ ｒ ｏ ｕ ｓ ｅ ｄｇ ｅ ｎ ｅ ｒ ａ ｌｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｅ ｓ ｔ ．Ｔ ｈ ｅｃ ｏ ｍ ｂ ｉ ｎ ｅ ｄ ａ ｉ ｄ ｇ ｙｏ ｙ ｇ ｎ ａ ｖ ｉ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｆ ｏ ｒｇ ｒ ａ ｖ ｉ ｔ ｎ ｏ ｍ ａ ｌ ｎ ｄｇ ｒ ａ ｖ ｉ ｔ ｒ ａ ｄ ｉ ｅ ｎ ｔ ｉ ｓｍ ａ ｄ ｅｂ ｓ ｉ ｎ ｈ ｅｐ ａ ｒ ａ ｌ ｌ ｅ ｌ ａ ｌ ｏ ｒ ｉ ｔ ｈ ｍｏ ｆｍ ｕ ｌ ｔ ｉ ｌ ｅｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ａ ｄ ａ ｔ ｉ ｖ ｅ ｇ ｙａ ｙａ ｙｇ ｙｕ ｇｔ ｇ ｐ ｐ ， ａ ｎ ｄｔ ｈ ｅ ｉ ｎ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｆ ａ ｃ ｔ ｏ ｒｏ ｆｇ ｒ ａ ｖ ｉ ｔ ｎ ｏ ｍ ａ ｌ ｎ ｄｇ ｒ ａ ｖ ｉ ｔ ｒ ａ ｄ ｉ ｅ ｎ ｔａ ｌ ｏ ｎ ｈ ｅｓ ｈ ｉ ｒ ａ ｃ ｋｗ ａ ｓａ ｌ ｌ ｏ ｃ ａ ｔ ｅ ｄｉ ｎ ｅ ｓ ｔ ｉ ｍ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｙａ ｙａ ｙｇ ｇｔ ｐｔ ， ， ｒ ｅ ａ ｌｔ ｉ ｍ ｅ ａ ｎ ｄｔ ｈ ｅ ｎ ｔ ｈ ｅｏ ｔ ｉ ｍ ａ ｌｅ ｓ ｔ ｉ ｍ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｆ ｏ ｒｔ ｈ ｅｐ ｏ ｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎｏ ｆｔ ｈ ｅｓ ｕ ｂ ｍ ａ ｒ ｉ ｎ ｅｗ ａ ｓｇ ｅ ｔｖ ｉ ａｔ ｈ ｅｗ ｅ ｉ ｈ ｔ ｅ ｄｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ． ｐ ｇ ， ， ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｅ ｘ ｅ ｒ ｉ ｍ ｅ ｎ ｔ ｓｗ ｅ ｒ ｅｉ ｍ ｌ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｅ ｄ Ｔ ｈ ｒ ｏ ｕ ｈｓ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｉ ｎ ｗ ｏｓ ａ ｉ ｌ ｉ ｎ ｏ ｕ ｒ ｓ ｅ ｓｉ ｎｔ ｈ ｅｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒｒ ｅ ｉ ｏ ｎ ｐ ｐ ｇ ｇｔ ｇｃ ｇ ， ａ ｎ ｄｔ ｈ ｅｍ ａ ｔ ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｌ ｉ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｎ ｄｅ ｒ ｒ ｏ ｒｗ ｅ ｒ ｅａ ｎ ａ ｌ ｚ ｅ ｄ ．Ｔ ｈ ｅｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓｓ ｈ ｏ ｗｔ ｈ ａ ｔ ｃ ｏ ｍ ａ ｒ ｅ ｄｗ ｉ ｔ ｈｏ ｎ ｅｏ ｆｇ ｒ ａ ｖ ｉ ｔ ｎ ｏ ｍ ａ ｌ ｇｒ ｙａ ｙ ｐ ｙａ ｙ ， ｔ ｈ ｅｍ ｅ ｔ ｈ ｏ ｄｃ ａ ｎａ ｃ ｈ ｉ ｅ ｖ ｅｇ ｏ ｏ ｄｐ ｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｎ ｃ ｅｉ ｎｓ ｏ ｍ ｅａ ｓ ｅ ｃ ｔ ｓｏ ｆ ａ ｉ ｄ ｅ ｄｎ ａ ｖ ｉ ａ ｔ ｉ ｎａ ｎ ｄｇ ｒ ａ ｖ ｉ ｔ ｒ ａ ｄ ｉ ｅ ｎ ｔａ ｉ ｄ ｅ ｄｎ ａ ｖ ｉ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｐ ｇ ｙｇ ｇ ，ｍ ， ｏ ｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｎ ｒ ｒ ｏ ｒ ｉ ｓ ｍ ａ ｔ ｃ ｈ ｉ ｎ ｎ ｄｆ ａ ｉ ｌ ｕ ｒ ｅｍ ａ ｔ ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ｎ ｄｉ ｔｗ ｉ ｌ ｌｈ ｅ ｌ ｏｂ ｅ ｔ ｔ ｅ ｒｍ ａ ｔ ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ｔ ｅａ ｎ ｄｈ ｉ ｈ ｅ ｒｐ ｏ ｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｎ ｐ ｇｅ ｇａ ｇ ｐｔ ｇｒ ｇ ｇ ａ ｃ ｃ ｕ ｒ ａ ｃ ｏ ｒ ｔ ｈ ｅｅ ｘ ｉ ｓ ｔ ｉ ｎ ｒ ａ ｖ ｉ ｔ ｉ ｄ ｅ ｄｎ ａ ｖ ｉ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ． ｙｆ ｇｇ ｙａ ｇ ，ｇ ，ｐ ，ｗ ， 犓 犲 狑 狅 狉 犱 狊 ｒ ａ ｖ ｉ ｔ ｎ ｏ ｍ ａ ｌ ｒ ａ ｖ ｉ ｔ ｒ ａ ｄ ｉ ｅ ｎ ｔ ａ ｒ ａ ｌ ｌ ｅ ｌＫ ａ ｌ ｍ ａ ｎＦ ｉ ｌ ｔ ｅ ｒ ｅ ｉ ｈ ｔ ｅ ｄｉ ｎ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｆ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ｃ ｏ ｍ ｂ ｉ ｎ ｅ ｄ ａ ｉ ｄ ｇ ｙａ ｙ ｙｇ ｇ 狔 ｎ ａ ｖ ｉ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｇ
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收稿日期 ２ ０ １ ０ ０ ９ １ ５； ０ １ ０ １ ２ ２ ０． 修回日期 ２ 基金项目 国家自然科学基金项目 （ ）和中国科学院知识创新工程重要方向项目 （ ） 联合资助 ． ４ １ ０ ７ ４ ０ ５ １， ４ ０ ９ ７ ４ ０ ４ ４ ｋ ｚ ｃ ｘ ２ ｗ １ ２ ５ ｙ 作者简介 王虎彪 ， 男， 博士 ， 副研究员 ， 从事卫星测高与重力辅助导航研究 ．（ ：ｗ ） １ ９ ７ ３ 年生 ， Ｅ ｍ ａ ｉ ｌ ａ ｎ ｈ ｂ ｓ ｃ ｈ ． ｗ ｈ ｉ ． ａ ｃ ． ｃ ｎ ＠ａ ｇ ｇ ｇ 男， 研究员 ， 主要从事大地测量与地球动力学研究 ． （ ： ） １ ９ ６ ４ 年生 ， Ｅ ｍ ａ ｉ ｌ ｗ ａ ｎ ｈ ｉ ． ａ ｃ ． ｃ ｎ 通讯作者 王勇 ， ＠ｗ ｙ ｇ ｇ ｇ
［ ］ ２
２ 重力辅助导航基本原理
重力辅助导航系统是利用高分辨率的重力图组 成的基本信息数据库特征获取载体位置信息的导航 技术 ．重力匹配 导 航 系 统 通 常 由 惯 性 导 航 系 统 、 重 重力传感器 、 高性能计算机和匹配 力背景场数据库 、 算法组成 ．潜艇 在 行 驶 过 程 中 ， 惯性导航系统给出 主 要 是 位 置 信 息） ， 通过该位 时间序列的导航参 数 （ 置信息在重力背景场数据库中找到相应的指示重力 重力异 常 或 重 力 梯 度 ） ， 同时海洋重力仪 场参量值 （ （ 或重力梯度仪 ） 实 时 测 量 相 应 的 重 力 场 参 量 数 据， 将仪器测量 的 重 力 场 参 量 数 据 和 Ｉ Ｎ Ｓ指示位置的 通过一定的匹配算法 ， 重力场参量数据输给计算机 ， 从而获得潜艇精确的匹配位置 信息 ．重 力场 匹配 算 法主要有相关匹配算法和滤波 算法 等 ．目前 相关 匹 配算法研究 较 多 Biblioteka Baidu 主 要 是 Ｔ Ｅ Ｒ Ｃ ＯＭ 算 法 和 Ｉ Ｃ Ｃ Ｐ 算法 ， 滤波算法主 要是 基于 Ｋ ａ ｌ ｍ ａ ｎ 滤 波的 Ｓ Ｉ ＴＡＮ 算法 ．由于 Ｋ ａ ｌ ｍ ａ ｎ 滤波 方 法 的 实 时 性 优 于 相 关 匹