基于奇异指数的地磁辅助导航路径规划算法

基于迭代计算的地磁轮廓线匹配算法解伟男;李清华;奚伯齐;黄黎平;王常虹【摘要】针对惯性/地磁匹配组合导航系统,提出了一种基于迭代计算的地磁轮廓线匹配新算法,可以有效地修正惯导系统的初始位置误差和初始航向误差,并具有较高的实时性.首先以均方差准则建立匹配轨迹和实测地磁特征量的相关性约束,引入匹配曲线的参数化模型,通过泰勒展开并忽略高阶小项,将相关性约束简化为曲线平移位移和航向误差角的多变量表达式.然后依据相关性准则,将地磁匹配问题转化为以曲线平移位移和航向误差角为变量的非线性方程组的求解问题.采用牛顿迭代求解非线性方程组,实现地磁轮廓线匹配.最后仿真结果表明,基于迭代计算的地磁轮廓线匹配方法的最大匹配误差为传统轮廓线匹配方法的18.2％,为等值线约束迭代最近点匹配方法的7.8％,并且所提出的新方法耗时仅为5ms,满足实时匹配要求.【期刊名称】《中国惯性技术学报》【年(卷),期】2015(023)005【总页数】5页(P631-635)【关键词】地磁匹配;轮廓线匹配;迭代;均方差准则【作者】解伟男;李清华;奚伯齐;黄黎平;王常虹【作者单位】哈尔滨工业大学空间控制与惯性技术研究中心,哈尔滨150001;哈尔滨工业大学空间控制与惯性技术研究中心,哈尔滨150001;哈尔滨工业大学空间控制与惯性技术研究中心,哈尔滨150001;哈尔滨工业大学空间控制与惯性技术研究中心,哈尔滨150001;哈尔滨工业大学空间控制与惯性技术研究中心,哈尔滨150001【正文语种】中文【中图分类】V249.3地磁匹配导航以地球的基本物理场为基础，通过线图匹配实现导航定位，具有无源、无辐射、隐蔽性强、误差不随时间累积等众多优点，因此作为近年来新生的辅助惯性导航的手段，在确保武器系统导航信息的安全性、可靠性和自主性方面展现出了巨大的军事潜力[1-3]。

目前，地磁匹配算法主要分为两大类：第一类是轮廓线匹配算法，该算法具有原理简单，适用范围广，对初始误差要求低等优点。

智能导航系统中的路径规划与优化技术研究随着人们生活水平的提高和科技的进步，智能导航系统已经成为现代社会中不可或缺的一部分。

而对于导航系统来说，路径规划与优化是其中最为重要的环节之一。

本文将结合实际案例，探讨智能导航系统中的路径规划与优化技术研究。

一、路径规划技术在智能导航系统中，路径规划技术是最基本的技术之一。

路径规划技术是指根据用户提供的起点和终点位置，寻找一条最优路径，使得出行时间最短或路程最短等指标最优化的一种技术。

路径规划技术的基本原理是将街道网格划分为路口和道路，然后通过搜索算法找到起点到终点的最短路径。

目前常使用的搜索算法有Dijkstra算法和A*算法。

Dijkstra算法是一种贪心算法，也是常用的最短路径算法。

它是以贪心的方式来搜索最短路径，即始终选择离起点最近的节点。

虽然Dijkstra算法可以找到最短路径，但由于它需要对整个图进行搜索，所以它的时间复杂度较高。

因此，在处理大型数据时，Dijkstra算法的效率可能会变得十分低下。

相对于Dijkstra算法而言，A*算法具有更好的性能。

A*算法是一种基于启发式搜索的算法。

它通过估计从当前位置到目标位置的距离，来选择下一步最优的路径。

由于A*算法的启发式函数具有较强的优化能力，所以相比于Dijkstra算法，它更加高效。

二、路径优化技术除了路径规划技术外，路径优化技术也是智能导航系统中不可或缺的部分。

路径优化技术是指在已知起点和终点的前提下，采用一定的方法来优化路径的行驶情况，使得出行时间更加节省或更加安全稳定。

例如，在某些场景下，用户在导航时往往需要避开拥堵的区域，此时可以通过实时交通信息来进行路径优化。

系统可以通过实时监控交通状况，根据路况调整导航路线，避开拥堵的路段，从而大大缩短行驶时间。

除了交通状况外，路径的优化还可以考虑其他的因素，如道路状况、车辆类型等。

例如，在行驶时，长时间连续刹车容易导致刹车片负荷过大，从而影响车辆使用的寿命。

智能导航系统中的路径规划算法优化与应用实践智能导航系统作为现代交通领域的重要应用，帮助人们高效、便捷地规划出行路线。

路径规划算法作为智能导航系统的核心技术之一，其优化与应用实践对于提升导航系统的准确性、有效性和用户体验至关重要。

本文将围绕智能导航系统中的路径规划算法优化与应用实践展开，探讨相关研究进展和应用案例。

一、路径规划算法优化的挑战与机遇1.1 最短路径算法优化最短路径算法是路径规划中最基本、最常用的算法之一。

传统的最短路径算法主要基于图论，如迪杰斯特拉算法和弗洛伊德算法。

然而，随着智能导航系统数据规模和复杂性的增加，传统的最短路径算法面临着计算效率低、时间成本高等挑战。

因此，研究人员提出了一系列优化算法，如A*算法、D*算法和基于蚁群的算法等，以提高最短路径算法的效率和准确性。

1.2 实时路径规划算法优化智能导航系统需要实时地为用户提供最佳出行路线，而实时路径规划算法是实现这一目标的关键。

实时路径规划算法不仅需要考虑交通道路的实际情况，还需要考虑实时交通信息、车辆流量和道路拥堵等因素。

因此，研究人员提出了一系列实时路径规划算法，如Dijkstra-Synchronized算法和基于模拟的动态路由算法等，以实现高效、准确的实时路径规划。

二、路径规划算法应用实践案例2.1 基于智慧城市的路径规划应用智慧城市是近年来兴起的城市发展模式，智能导航系统在智慧城市中具有广泛的应用前景。

智慧城市中的路径规划算法需要考虑城市交通状况、公共交通运营情况以及城市基础设施等因素。

例如，通过收集和分析城市交通数据，智能导航系统可以实时监测交通情况并为用户提供最佳出行路线，以缓解城市交通拥堵问题。

2.2 基于智能交通的路径规划应用智能交通是目前交通领域的研究热点，路径规划算法在智能交通中扮演着重要角色。

智能交通中的路径规划算法需要考虑车辆流量、交通信号灯以及道路网络等因素。

例如，通过与交通信号灯的联动，智能导航系统可以根据实时交通情况为驾驶员提供最佳的信号灯绿灯通行策略，从而提高道路通行效率。

AbstractIn modern society，Outdoor road perplexing，Inside the building is also changing。

when one of us is away，We are more and more cannot do without the help of a navigation system In a strange or familiar place. The outdoor navigation system has been quite mature, But the indoor navigation system not been applied for the study of indoor navigation, The key point is that modeling and indoor navigation algorithm for indoor positioning, Until now, the indoor positioning has not been able to use the mature scheme; The indoor map does not form a unified standard; At the same time indoor navigation algorithms need to be designed for a particular situation, These are worthy of further investigation and verification of the part. Aiming at the above problem, we put forward a kind of path planning algorithm in space, and the path planning system from the map building algorithm optimization and Implementation.Aiming at the problem in path planning，In this paper, the space structure of the minimum unit location in the room is simulated by the simplified room profile diagram. Using Delaunay triangulation to determine the path points outside the room, the special adjacency table storage map is designed, which provides the data for the algorithm. On this basis, using A* algorithm as the basic algorithm of indoor path planning; According to the speed of convergence of nodes and different functions, the H (n) is determined, and the value function of the target node is h (n) when the distance is small. The data structure and storage of the OPEN and CLOSED table are optimized and the algorithm efficiency is improved. At the same time, according to the principle of the outdoor highway network, this paper presents a multi story path planning algorithm, and analyzes its algorithm. With the premise of the full connection between floors, the algorithm can plan the route of the starting point to the destination more efficiently.Finally, taking the laboratory project as an example, the practical application of the path planning algorithm is carried out. The path planning of indoor and multi - layered indoor is preliminarily realized. The empirical results show that the optimization path planning algorithm is real and feasible.Keywords：Indoor path planning；Indoor map；triangulation；A* algorithm目录摘要 (I)ABSTRACT (II)1 绪论1.1 研究背景与意义 (1)1.2 室内导航系统的国内外研究现状 (2)1.3 本文的组织结构 (4)2 室内导航关键技术研究2.1 室内定位 (6)2.2 室内地图建模 (9)2.3 最短路径算法 (13)3 室内导航的地图与算法设计3.1 室内地图的构建和存储 (18)3.2 基于单层空间的算法优化 (25)3.3 基于多层空间的算法优化 (32)3.4 总结 (37)4 室内路径规划的实现1.4 路径规划的相关网络接口 (38)1.5 路径规划的客户端实现 (39)1.6 路径规划的服务器实现 (42)1.7 路径规划结果分析 (47)5 结论与展望2.4 结论 (49)2.5 工作展望 (49)致谢 (51)参考文献 (52)1 绪论1.8研究背景与意义现代社会中，户外路况错综复杂，建筑的内部情况也不断变化。

摘要地形辅助导航技术（TAN）是利用地形高度特征实现精确定位的自主、全天候低空导航技术，它和卫星导航、惯性导航一样，是当今世界重要的军事导航技术，在作战飞机，尤其是无人机、巡航导弹等远程精确打击武器上有着重要的应用，而地形高度匹配方法是地形辅助导航的关键技术之一。

本文主要研究了目前比较成熟的两种地形高度匹配方法，即地形轮廓匹配方法（TE RCOM）和桑地亚地形辅助导航方法（SITAN）。

这两种方法在原理上是不同的，有各自不同的适用范围和一些固有的缺陷。

本文对以上两种地形辅助导航方法，尤其是对SITAN 方法进行了改进，主要工作包括以下几个部分：1．介绍了数字高程模型技术和地形随机线性化技术，及其对于地形匹配导航的重要意义。

利用二维随机过程构建了仿真实验用的模拟地形，同时对地形匹配性能分析方法进行了研究。

2．研究了捷联惯导系统的工作原理、基本算法以及惯性器件的误差模型，编写了捷联惯导仿真算法。

仿真实验分为加入惯性器件误差与未加惯性器件误差两种情况，对比仿真结果，表明惯性导航系统误差随时间累计而增大，导航精度远不能满足无人机长时间飞行的要求。

3．研究了TERCOM方法的工作原理及其优缺点，针对其缺陷引入了衰减记忆地形轮廓匹配方法。

4．研究了SITAN方法的工作原理和优缺点，提出利用衰减记忆地形轮廓匹配方法改进SITAN算法。

新的地形辅助导航算法克服了一般SITAN算法对于初始定位误差敏感的缺点，在初始误差较大的情况下定位精度仍然较好并且可以有效的抑制滤波发散，仿真结果说明该方法的可靠性和适用范围均优于一般的SITAN方法。

关键字：地形轮廓匹配导航，桑地亚地形辅助导航，数字高程模型，捷联惯导系统，卡尔曼滤波0ABSTRACTTerrain-aided navigation (TAN) is an autonomous, all-weather an low altitude navigation technique of using variations of terrain elevation below aircrafts to produce a position estimation which can be very accurate. Like satellite navigation and Inertial Navigation System (INS), TAN has many important applications in navigation of long-range, autonomous, and precision-strike weapons such as modern aircrafts, unmanned aircraft vehicles (UAV), and cruise missiles. Terrain Elevation Matching (TEM) strategy is one of the key techniques in TAN.This dissertation researches two well-rounded strategies of TAN, which are Terrain Contour Matching(TERCOM) and Sandia terrain-aided navigation system(SITAN).These two strategy are different in principle and application range, also they have some inherent limitation. The investigations of this paper focus on improvement of the two strategies, especially on the improvement of SITAN. The main work of this dissertation has 5 aspects as follow:Firstly, this paper introduces two technologies, digital elevation model (DEM) and terrain random linearization which are key technologies to TEM. The simulated digital maps are produced by computer on the basis of that the two-dimensional statistical model of terrain can be described by planar non-stationary random process. The method to evaluate the terrain matching performance is also discussed.Secondly, the Strapdown Inertial Navigation System (SINS) working principle, basic algorithm and error model of inertial components are researched. The simulation experimentis made by the SINS simulation program. From the comparison between simulation result without inertial components error and result with inertial components error, the SINS error is cumulative and its precision can not meet the navigation requirement of long-range UAV.In the third part, the TERCOM working principle and its advantages and limitations are referred. To conquer the limitations, this paper introduces a new TEM strategy based on fading memory (FMTEM).In the last part, the SITAN working principle and its advantages and limitation are discussed, and an improvement of SITAN based on FETEM is proposed. The new approach is not as sensitive to initial location error as SITAN, its performance of navigation precision and Kalman filter astringency are still good even in the situation of large initial location error .The simulation results show that the new approach is more reliable and has large application than SITAN.Keywords: TERCOM, SITAN, Digital Elevation Model, Strapdown Inertial Navigation System, Kalman Filter目录第一章绪论 (1)1.1课题背景与问题提出 (1)1.2国内外研究现状 (2)1.3课题来源和研究目标 (4)1.4论文的内容组织安排 (4)第二章数字地图的建立及地形性能分析 (6)2.1数字地图概述 (6)2.2数字高程地图获取 (6)2.2.1 二维随机过程描述法 (6)2.2.2用分形学中W-M函数产生 (8)2.3数字地形匹配性能分析 (9)2.3.1地形起伏度 (9)2.3.2地形剖面相似度 (9)2.4选取两块地形及其分析结果 (10)2.4.1匹配区域a,b的地形起伏标准差 (10)2.4.2匹配区域a,b的地形剖面相似系数 (10)第三章捷联式惯导模型的建立与解算方法 (12)3.1捷联式惯导（SINS）系统概述 (12)3.2惯性导航常用坐标系 (13)3.2.1地心惯性坐标系 (13)3.2.2地球坐标系 (14)3.2.3地理坐标系 (14)3.2.4机体坐标系 (14)3.2.5平台坐标系 (15)3.2.6导航坐标系 (15)3.2.7常用参数说明 (15)3.3捷联惯导解算过程 (17)3.3.1位置参数即时修正 (17)3.3.2姿态矩阵即时修正 (17)3.3.3捷联惯导力学编排 (22)3.4 惯性仪表误差模型 (25)3.4.1陀螺仪误差模型 (26)3.4.2加速度计误差模型 (26)3.5捷联惯导算法软件实现 (26)3.5.1捷联惯导算法计算流程 (26)3.5.2捷联惯导算法仿真及数据 (27)3.6本章小节 (36)第四章TERCOM辅助导航研究 (37)4.1 TERCOM辅助导航原理 (37)4.2 TERCOM辅助导航方法的特点 (38)4.3 对一般TERCOM方法的改进 (38)4.4本章小节 (42)第五章SITAN辅助导航研究及其算法改进 (43)5.1SITAN辅助导航原理 (43)5.2SITAN算法的数学模型 (44)5.3地形随机线性化技术 (46)5.4SITAN算法仿真研究 (49)5.4.1仿真参数选取 (49)5.4.2数字仿真实验 (50)5.4.3仿真数据分析 (53)5.5以改进的TERCOM算法降低SITAN算法的初始误差 (53)5.6本章小节 (54)结论与展望 (56)论文总结 (56)论文展望 (57)参考文献 (59)攻读硕士学位期间取得的学术成果 (61)致谢 (62)第一章绪论1.1课题背景与问题提出在现代军事技术中，导航占据着十分重要的地位，有着极其广泛的应用，它已从航空航海服务的航行保障手段，发展成了为各种军事操作和武器装备提供关键的位置、速度与时间信息的传感器，是现代战争的重要信息源。