水下地形导航模型求解与导航区初选策略研究

摘要

水下地形导航是辅助潜器惯性导航的一种方式，本文在水下地形函数插值逼近、水下地形导航模型求解和水下地形导航区初选三个方面进行了研究。
　　 水深是位置的函数简称地形函数，是没有显式表达式的非线性函数。为避免地形线性化处理，采用插值的方式对地形函数进行逼近。把协调Delaunay三角化的思想融入自然邻点插值，提出协调自然邻点插值算法。与约束自然邻点插值相比，协调自然邻点插值简化了构建插值点二阶约束Voronoi单元的过程，使算法易于实施，同时保留了传统自然邻点插值定义域稳定、平滑度高、形函数满足克罗内克尔δ函数特性等优点。提出端点三角形外接圆法进行协调Delaunay三角化中特征约束的细分嵌入，在保证附加点个数和网格质量与现有最好算法持平的基础上，时间复杂度接近线性。实验结果表明协调自然邻点插值比不规则三角网插值的插值误差低、反映细节能力强，可以满足地形导航中逼近地形函数的需要。
　　 水下地形导航系统是一个非线性动态系统，建立了水下地形导航随机微分模型，探索变分法求解导航状态微分方程的可行性，在有限维函数空间里逼近状态概率密度函数。设计了递推伽辽金投影滤波器，使伽辽金投影滤波具有了递推特性。由于多维矩阵相乘编程实现困难，目前递推伽辽金投影滤波还没有用于状态维数大于二的系统。在一维空间进行的实验结果表明，目前递推伽辽金投影滤波可以在有限维函数空间内求得系统状态的概率密度函数，也可以跟踪系统状态的演变，但均方根误差较大，估计方差的收敛速度和光滑性比不上粒子滤波。
　　 采用常用的导航滤波方法对水下地形导航随机微分模型进行差分求解。为适应地形的非线性，提出插值地形导航方法，使用协调自然邻点插值计算由地形图读出的水深。实验结果表明，对于同一种滤波算法，插值地形导航可以有效减少发散现象、降低估计误差和估计误差的波动幅度。
　　 由于高精度水深测量成本高，提出以矢量电子海图中地形数据作为地形导航区初选的数据源。通过实验分析了地形参数与导航误差之间的关系，构建了基于矢量电子海图的水下数字高程模型，发现比例尺大于1∶5万的电子海图可以作为地形导航区初选的数据源。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 水下地形导航的研究背景

1.2 水下地形导航系统的组成与研究现状

1.2.1 惯性导航系统

1.2.2 水深测量系统

1.2.3 水下地形数据库

1.2.4 地形函数的处理

1.2.5 地形导航滤波方法

1.3 论文研究内容与论文结构

第2章 水下地形函数的插值逼近

2.1 自然邻点插值

2.1.1 Delaunay三角化和Voronoi图

2.1.2 常规自然邻点插值

2.1.3 约束自然邻点插值

2.2 一种改进的协调Delaunay三角化方法

2.2.1 协调Delaunay三角化

2.2.2 现有协调Delaunay三角化方法

2.2.3 端点三角形外接圆法算法思想

2.2.4 端点三角形外接圆法算法描述

2.2.5 端点三角形外接圆法附加点个数收敛性说明

2.2.6 端点三角形外接圆法时间复杂度分析

2.2.7 端点三角形外接圆法实验验证

2.3 协调自然邻点插值

2.3.1 协调自然邻点插值算法描述

2.3.2 协调自然邻点插值有效性证明

2.3.3 协调自然邻点插值时间复杂度分析

2.3.4 协调自然邻点插值实验验证

2.4 本章小结

第3章 地形导航随机微分模型变分求解探索

3.1 水下地形导航随机微分模型

3.1.1 模型的建立

3.1.2 状态随机微分方程的弱解

3.2 递推伽辽金投影滤波(RGPF)

3.2.1 RGPF算法原理

3.2.2 投影空间基函数的选取

3.2.3 RGPF算法步骤

3.2.4 RGPF时间复杂度分析

3.3 实验研究

3.4 本章小结

第4章 地形导航随机微分模型的差分求解

4.1 常用非线性滤波方法的滤波过程

4.1.1 EKF滤波过程

4.1.2 UKF滤波过程

4.1.3 PF滤波过程

4.2 “位置速度模型”的差分求解

4.2.1 模型建立

4.2.2 模型求解

4.2.3 仿真研究

4.3 “位置航向航速模型”的差分求解

4.3.1 模型建立

4.3.2 模型求解

4.3.3 仿真研究

4.4 本章小结

第5章 基于矢量电子海图的水下地形导航区初选

5.1 水下地形参数的计算

5.2 地形参数与导航误差之间的关系

5.3 基于矢量电子海图的海底DEM构建方法研究

5.3.1 方法概述

5.3.2 岛屿边界线化简算法

5.3.3 TINDEM的构建

5.3.4 GridDEM的构建

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢