面向水下地磁导航的地磁测量误差补偿方法研究

摘要

长航时高精度自主导航技术是发展水下自主航行器（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）亟待解决的瓶颈技术之一。惯性导航系统（Inertial Navigation System,INS）因其能够提供自主性及全维导航信息而成为 AUV的核心导航设备。但是，惯性导航系统存在导航误差随时间累积的固有弱点，单独使用难以满足AUV的任务需求。地磁匹配导航技术可为 AUV提供隐蔽性好的外部校正信息源，用以修正 INS的累积误差，是当前导航技术领域研究的热点。论文紧密结合水下地磁导航技术的发展需求，重点研究了强干扰环境下地磁测量误差补偿、观测数据空间分布对地磁测量误差补偿的影响以及水下惯性/地磁匹配方法等，并通过试验初步验证了研究成果应用的技术可行性。
　　本研究主要内容包括：⑴深入分析了地磁测量误差传播特性，对影响地磁测量精度的各类误差源进行了一体化建模。在分析和测试载体动态干扰磁特性变化的基础上，提出一种利用载体的运动约束来提高载体干扰场的稳定性和可补偿性的方法，有效地简化了地磁测量误差在线补偿问题；给出了地磁测量误差补偿算法的框架，可供实际工程中解决相关问题参考。⑵给出了基于约束总体最小二乘估计的地磁测量误差补偿方法。论文对传统的地磁测量误差补偿方法进行了分析和改进，针对参数模型线性化过程中地磁测量噪声特性发生改变、噪声相关的特点，采用约束总体最小二乘方法来抑制观测方程两边测量噪声对参数估计的影响，并且充分利用测量噪声之间的相关性，进一步提高了参数估计精度。仿真和车载磁定向试验结果验证了该算法的有效性。⑶提出了一种基于伸展粒子群优化策略的地磁测量误差补偿方法。针对参数模型非线性强、公式计算复杂的特点，采用粒子群优化策略进行全局性搜索，避免了解析类优化算法性能依赖于初值的缺点。伸展函数技术嵌入粒子群优化搜索策略，提高了算法跳出局部最优点的能力，增加了算法的全局收敛性和鲁棒性。室内实验和外场试验结果均表明，该算法的参数估计精度要高于现有的解析类算法。⑷采用D优化设计方法，实现有限空间约束下的磁力仪转动编排优化。在磁力仪标定过程中，对磁力仪进行多姿态的转动，可以充分激励地磁测量误差，提高模型参数的可辨识度。但是，由于磁力仪捷联在导航载体上，其机动能力受到较大的限制，难以完全满足磁力仪的转动要求。D优化设计是从实验设计的角度出发，在该设计原则下寻找磁力仪在允许的转动空间内的最优编排。仿真试验表明该方法有效减小了地磁观测方程中观测矩阵的条件数，提高了地磁测量误差补偿算法的稳定性。该方法可以指导AUV在标定区内的机动航迹规划。⑸针对船载三轴磁力仪（shipboard three component magnetimeter，STCM）标定所面临的病态问题，将截断总体最小二乘估计与 L曲线准则相结合，给出了一种改进的地磁测量误差补偿方法。对船载三轴磁力仪标定问题的病态性进行了深入分析，针对磁力仪特定的安装环境和机动条件，将总体最小二乘解估计进行奇异值分解，并按照 L曲线准则截除受测量噪声影响较大的解成分，获得稳定的解估计。仿真和试验结果表明，基于该方法的地磁测量误差补偿算法能够有效地减小病态性问题的影响，获得稳定的高精度参数估计。⑹提出了一种基于树搜索的水下惯性/地磁匹配定位算法。在详细分析现有地磁匹配算法的基础上，结合补偿后的地磁测量信号特性和AUV运动特性，采用误差有界的思想描述地磁测量信号的误差以及惯性导航误差，并将地磁匹配定位问题转化为树搜索问题，进而采用宽度优先搜索策略和相关匹配准则搜索得到最佳匹配轨迹。水下AUV搭载试验结果表明，采用本文所给出的地磁测量误差补偿方法对地磁场数据进行处理后，偏差能降至10nT的量级；基于树搜索的地磁匹配导航算法能够有效修正AUV的位置误差，位置均方根误差由修正之前的2.5km减小到139m。

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第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究进展

1.3 本文拟解决的主要问题

1.4 论文的研究内容、组织结构和主要贡献

第二章 地磁测量误差补偿问题综合分析

2.1 地磁场基本理论

2.2 地磁测量误差分析与建模

2.3 载体干扰磁场动态特性测试

2.4 地磁测量误差补偿算法分析

2.5 本章小结

第三章 约束总体最小二乘地磁测量误差补偿方法

3.1 引言

3.2 约束总体最小二乘算法

3.3 仿真试验结果

3.4 车载磁定向导航试验

3.5 本章小结

第四章 伸展粒子群优化地磁测量误差补偿方法

4.1 引言

4.2 伸展粒子群优化算法

4.3 实验室实验结果

4.4 基于AUV的外场试验

4.5 本章小结

第五章 基于D优化设计方法的磁力仪标定编排优化

5.1 引言

5.2 D优化设计方法

5.3 D优化设计问题求解

5.4 仿真试验结果

5.5 本章小结

第六章 病态情况下地磁测量误差补偿方法

6.1 引言

6.2 船载磁测误差补偿病态问题

6.3 截断总体最小二乘方法与L曲线准则

6.4 仿真实验验证

6.5 船载试验验证

6.6 本章小结

第七章 水下地磁匹配导航试验

7.1 引言

7.2 地磁匹配算法

7.3 惯性/地磁匹配组合导航系统样机

7.4 试验航迹规划

7.5 水下搭载试验结果

7.6 本章小结

第八章 结论与展望

8.1 全文总结

8.2 研究展望

附录 A 系数矩阵Fi(i- 1, 2, ..的.,1表0)达式

附录 B 牛顿迭代法中梯度和Hessian矩阵的推导

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果