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水下潜器的地形匹配辅助定位技术研究

刘承香  
【摘要】: 本课题对水下潜器的地形匹配辅助定位技术进行了深入地研究,论文主要成果和工作有: 通过对现有地形匹配技术的研究,结合水下潜器的工作实际,提出了基于ICP(Iterative Closest Point)算法的地形匹配定位系统总体框架。这是一种将图像处理技术应用到地形轮廓匹配的全新思路。 首先研究了数字地图的获取方法。通常数字地图都是通过海底测量的海底水深数据库来形成,针对水深数据库存在保密性等特点,本文提出了一种从电子海图提取水深数据,然后采用Kriging方法进行插值形成数字地图的方法,该方法是进行地形匹配仿真研究的前提,而且它也是海底水深数据库的一个补充。本文还分析了图像处理中常用的匹配单元对于基于ICP算法的地形匹配技术的适用性,指出了采用等值线作为基本匹配单元的优点,并给出了两种从数字地图抽取等值线的方法。 然后,全面展开了基于ICP算法的地形匹配算法研究。通过对ICP算法的基本理论的研究,给出了ICP算法的关键技术;总结了国内外文献中许多学者根据实际应用的不同得到的ICP算法的派生形式。本文对ICP算法在水下潜器的地形匹配应用中的初值和全局最优、求最近点和进行二维变换等问题提出了改进的方法,而且提出了采用IGG方案进行M估计以提高算法的鲁棒性,仿真结果证实此方案的合理性和有效性。针对地形匹配算法的快速性,本文除了采用随机旋转和平移来确定初始变换以外,还提出了基于滑动数据窗的方法。该方法大大减少了寻找最近点的时间,提高了算法的计算速度,增强了算法的实时性。 参考导航系统的精度是影响地形辅助导航系统匹配精度的主要因素之一,尤其参考导航系统的可靠性是影响算法鲁棒性的重要因素,所以本文展开了高精度的容错参考导航系统研究。针对水下潜器的小型化、导航定位精度要求很高的特点本文提出了基于平行滤波器族的组合容错结构,该结构不仅具有传统集中卡尔曼滤波的最优性,又具有联邦滤波的模块化特性,且各滤波器的设计和运行完全独立,大大增强了组合导航系统的容错性。本文还提出了野值存在情况下的容错策略,剔除了野值对滤波精度的影响,减少了 哈尔滨工程大学博士学位论文 面面面面困i面面面面面丽面面困函西面面面面面面面面百面面百面面画百画西面面面面亩亩亩亩面面面百亩面面面面亩亩亩 野值造成的组合模式的频繁切换,增强了系统故障检测的灵敏度。 最后研究了地形辅助导航系统的匹配可靠性以及对系统匹配误差进行了 分析。根据ICP算法的原理,从几何直观的角度研究了地形辅助导航系统匹 配的可靠性,推导了旋转和平移的可靠性公式。针对地形辅助导航系统的工 作原理,指出影响系统匹配误差(包括位置误差和方位误差)的主要误差源 为:数字地图高程噪声、参考导航系统误差和实时测深传感器误差等等,并 就各个误差源对地形辅助导航系统匹配误差的影响给出了定性分析和定量推 导,给出了大量的仿真实例来验证各误差源对匹配误差的影响。


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