基于ercom算法的地磁匹配算法研究

基于ercom算法的地磁匹配算法研究

1水下地形匹配算法地磁聯(lián)合算法是地磁導(dǎo)航技術(shù)的核心，是確定定位系統(tǒng)是否能夠正確定位的關(guān)鍵。地磁匹配導(dǎo)航算法可以借鑒已研究的水下地形、重力輔助導(dǎo)航匹配定位算法來(lái)進(jìn)行改進(jìn),以滿足導(dǎo)航定位的需求。劉飛等人對(duì)Hausdorff算法進(jìn)行了研究［1］;謝仕民等人分別采用MAD法和基于Hausdorff距離的匹配算法仿真,仿真結(jié)果表明基于Hausdorff距離的匹配算法具有更高的抗干擾能力和容錯(cuò)能力［2］;BehzadK.P將一種稱為迭代最近點(diǎn)(IterativeClosestPoint)的圖像對(duì)準(zhǔn)算法應(yīng)用到水下航行器的導(dǎo)航上,提出了ICCP算法［3］;劉承香對(duì)ICCP算法在水下地形匹配中的應(yīng)用做了深入研究［4］;王向磊等提出一種MonteCarlo方法和MSD相結(jié)合的匹配算法［5］。國(guó)內(nèi)外的較多匹配算法忽略了地磁場(chǎng)本身的日變、磁暴等因素。本文針對(duì)地磁場(chǎng)本身的日變、磁暴等影響匹配算法精度的因素,設(shè)計(jì)出可以將地磁日變看做恒定值的RC算法,并驗(yàn)證了其可行性。2地磁匹配算法2.1水下地磁場(chǎng)日變與基準(zhǔn)數(shù)據(jù)的日變關(guān)系地磁場(chǎng)自身存在日變,以及由此積累的月變、年變等,是影響導(dǎo)航的關(guān)鍵因素。地磁場(chǎng)的日變使得地磁實(shí)時(shí)測(cè)量序列可能與基準(zhǔn)磁圖間存在較大的偏離,而地磁場(chǎng)的月變積累等使得匹配時(shí)地磁場(chǎng)的真實(shí)分布偏離數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的基準(zhǔn)地磁場(chǎng)。另外通過(guò)已進(jìn)行的研究比較得出,地磁場(chǎng)日變化目前無(wú)法有效的對(duì)其建模,同時(shí)地磁場(chǎng)的日變不同的區(qū)域并不一致,這使得海上實(shí)測(cè)的地磁基準(zhǔn)數(shù)據(jù)無(wú)法完全采用陸地日變數(shù)據(jù)糾正。上述均會(huì)導(dǎo)致匹配定位結(jié)果存在較大誤差,甚至使得傳統(tǒng)的匹配算法定位結(jié)果無(wú)法使用。由于地磁存在日變,而我們的地磁基準(zhǔn)數(shù)據(jù)又不能實(shí)時(shí)改變,因此針對(duì)水下地磁導(dǎo)航基準(zhǔn)區(qū)域?yàn)榫植繀^(qū)域以及實(shí)時(shí)測(cè)量累積的測(cè)點(diǎn)序列較短,上述問(wèn)題從理論上可以簡(jiǎn)化為實(shí)時(shí)測(cè)量階段地磁日變保持恒定,數(shù)學(xué)上可以歸納為附加測(cè)量噪聲的測(cè)量序列與基準(zhǔn)數(shù)據(jù)之間存在一個(gè)恒定的未知大小差值,這對(duì)于月變累積至年變產(chǎn)生的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)偏移同樣適應(yīng)。問(wèn)題的解決即可針對(duì)如何在存在未知差值的情況下,尋找有效的匹配判定規(guī)則判定測(cè)量序列的強(qiáng)度分布起伏信息與真實(shí)序列的強(qiáng)度分布一致。2.2匹配特征量選取準(zhǔn)則根據(jù)地磁場(chǎng)理論,描述地磁場(chǎng)的主要特征量可以分為兩類:一類是角度類,包括磁偏角D和磁傾角I;另一類是強(qiáng)度類,包括總強(qiáng)度B、北向強(qiáng)度X、東向強(qiáng)度Y、水平強(qiáng)度H和垂直強(qiáng)度Z［6］。地磁匹配特征量的選擇是指綜合考慮地磁場(chǎng)特征量長(zhǎng)期變化的穩(wěn)定程度、短期變化的影響程度、與地理位置的相關(guān)程度、在匹配區(qū)域的特征信息,結(jié)合現(xiàn)有測(cè)量設(shè)備的性能指標(biāo)等因素,從以上地磁特征量中選取一個(gè)或幾個(gè)作為地磁匹配特征量［7］。匹配特征量的選取準(zhǔn)則為:1特征量的長(zhǎng)期變化比較穩(wěn)定;2特征量的短期變化影響較小;3特征量與地理位置密切相關(guān);4特征量的測(cè)量設(shè)備滿足導(dǎo)航要求;5特征量的特征信息滿足匹配要求。以上5個(gè)準(zhǔn)則中,準(zhǔn)則3~5是關(guān)鍵,而準(zhǔn)則1~2是在經(jīng)過(guò)準(zhǔn)則3~5選擇的基礎(chǔ)上,為提高匹配概率和精度而采取的進(jìn)一步措施。首先,在7個(gè)常用的地磁特征量中,由于磁偏角D在地磁南北極、磁傾角I在地磁赤道附近變化才比較顯著［8］,且考慮到飛行器高速飛行時(shí)難以進(jìn)行精確的角度和方位測(cè)量,依據(jù)特征量初選準(zhǔn)則3和準(zhǔn)則4,首先排除選取角度類特征量,從剩余的5個(gè)強(qiáng)度類特征量中選取匹配特征量。再次,在地磁場(chǎng)的各種短期變化中,磁暴和地磁脈動(dòng)與磁力勘探的關(guān)系最為密切,而影響范圍廣、幅度大的則是磁暴。由于磁暴對(duì)水平強(qiáng)度H的影響特別顯著,依據(jù)選取準(zhǔn)則2,在可能的情況下盡量不選H作為匹配特征量。另外,由于變化磁場(chǎng)約占地磁場(chǎng)的1%,某些擾動(dòng)變化的周期相當(dāng)短暫,其影響也是區(qū)域性的,這種區(qū)域性的影響可采取相應(yīng)的濾波措施予以減弱或消除,在此對(duì)其他短期變化的影響未予考慮。2.3la參各自利elation算法針對(duì)附加測(cè)量噪聲的測(cè)量序列與基準(zhǔn)數(shù)據(jù)之間存在一個(gè)恒定的未知大小差值,匹配過(guò)程應(yīng)該首先確定載體的大概位置,即首先確定差值的近似范圍。我們采用基于TERCOM算法改進(jìn)的相對(duì)相關(guān)(RelativeCorrelation,RC)判定算法。該算法利用TERCOM算法真實(shí)航跡與慣導(dǎo)指示航跡方向平行的假設(shè),將每條待匹配航跡的序列值減去其平均值,與減去測(cè)量序列平均值的序列進(jìn)行相關(guān)計(jì)算,求解相關(guān)度最大即結(jié)果最小的可能航跡做為匹配航跡,具體匹配算法采用MAD、MSD判定規(guī)則,如式(1),(2):其中TＲ、DＲ為相對(duì)的推估強(qiáng)度序列的特征函數(shù)與相對(duì)的實(shí)測(cè)強(qiáng)度序列的特征函數(shù)。各自序列均值的去除是為了克服地磁日變、月變等引入的偏移誤差,同時(shí)均值的去除也降低了測(cè)量噪聲的影響,尤其避免了在減去初始值時(shí)第一個(gè)測(cè)量值中噪聲引起的定位偏移。3匹配特征量的選擇根據(jù)匹配特征量的選取準(zhǔn)則,依次選取年變化量、每千米變化量較小,且數(shù)據(jù)較穩(wěn)定的變化量作為研究的匹配量。具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1-4.表1至表4是以30″為間隔時(shí)4個(gè)方向上的地磁數(shù)據(jù),由于表中數(shù)據(jù)均為變化量,為分析比較方便起見(jiàn),所有數(shù)值均取其絕對(duì)值,單位為nT。對(duì)以上數(shù)據(jù)分析可以看出:1在該區(qū)域內(nèi),除東西方向上Z與B在單位距離內(nèi)的變化量大體相當(dāng)外,其余3個(gè)方向上Z的變化量明顯高于其余特征量,并且在取不同間隔的情況下結(jié)論是一致的。依據(jù)特征量選取準(zhǔn)則3,在該區(qū)域內(nèi)可選擇Z作為匹配特征量;2在該區(qū)域內(nèi),Z的絕對(duì)年變化量最小,且地表高程對(duì)Z的影響比F、X、H均小,依據(jù)特征量選取準(zhǔn)則1,選擇Z作為匹配特征量最佳。采用真實(shí)地磁格網(wǎng)數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)磁圖進(jìn)行仿真驗(yàn)證。測(cè)量序列是圖中任一序列附加高斯白噪聲并位置偏移得到的,高斯噪聲的標(biāo)準(zhǔn)差是地磁幅值變化范圍的2%,同時(shí)測(cè)量序列偏移地磁日變中常見(jiàn)的較大值30nT。如圖1所示,其中測(cè)量序列人為的提升以便于顯示。執(zhí)行RC匹配算法并與CC的代表性算法TERCOM匹配算法比較。為檢驗(yàn)噪聲的多樣性,我們?cè)诓煌乃惴ㄆヅ溥^(guò)程中加入不同的噪聲,分別取每種定位算法執(zhí)行10次。結(jié)果如圖2所示,其中一些執(zhí)行結(jié)果重疊。通過(guò)比較可以看出,(1)在匹配次數(shù)相同的情況下,RC算法的定位偏移在0值左右浮動(dòng),而TERCOM算法的定位偏移較大。(2)分別比較兩條基于RC算法和基于TERCOM算法的曲線可以看出,在加入不同噪聲的情況下,兩條基于RC算法的曲線變化較小,而基于TERCOM算法的曲線則出現(xiàn)明顯的變化。說(shuō)明在不同噪聲的影響下,RC算法的穩(wěn)定性高于TERCOM算法。4rc法對(duì)于匹配區(qū)域的限定RC算法較TERCOM算法在理論上很好的克服了地磁日變、月變等的