發(fā)布時(shí)間：2018-06-28 11:30

  本文選題：地磁導(dǎo)航 + 磁補(bǔ)償��； 參考：《哈爾濱工程大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(Inertial navigation system,INS)能夠在全天候條件下,自主、隱蔽地進(jìn)行連續(xù)三維空間定位和三維空間定向,為載體提供連續(xù)、實(shí)時(shí)的導(dǎo)航參數(shù),在短時(shí)間內(nèi)具有較高的導(dǎo)航精度。但是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航誤差會(huì)隨時(shí)間累積發(fā)散,在長(zhǎng)時(shí)間導(dǎo)航過(guò)程中精度會(huì)降低,需要通過(guò)有效的輔助導(dǎo)航手段進(jìn)行修正。地磁場(chǎng)是地球自身的固有場(chǎng),而且是一個(gè)矢量場(chǎng),地球空間上的任意一點(diǎn)都會(huì)有一個(gè)與其唯一對(duì)應(yīng)的地磁矢量值。因此將地磁場(chǎng)作為輔助慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的研究對(duì)象,具有理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值�，F(xiàn)階段,水下地磁輔助導(dǎo)航存在一些重要的技術(shù)難點(diǎn)如:水下機(jī)器人(Remote Operated Vehicle,ROV)磁干擾場(chǎng)的補(bǔ)償、區(qū)域的地磁場(chǎng)模型、導(dǎo)航區(qū)域的地磁圖適配性評(píng)價(jià)以及地磁匹配算法等。本論文針對(duì)上述問(wèn)題展開(kāi)研究,研究工作主要集中在以下幾個(gè)方面:ROV載體磁干擾的補(bǔ)償算法研究。根據(jù)載體產(chǎn)生的磁干擾場(chǎng)的特點(diǎn)以及在航行中的主要姿態(tài)特征,提出一種基于載體旋轉(zhuǎn)測(cè)量的磁干擾補(bǔ)償算法。傳統(tǒng)的磁補(bǔ)償方法主要是構(gòu)建磁干擾場(chǎng)模型,求解模型參數(shù)。然而傳統(tǒng)方法計(jì)算復(fù)雜,同時(shí)需要學(xué)習(xí)航行,在學(xué)習(xí)航行中會(huì)存在載體姿態(tài)的耦合現(xiàn)象,會(huì)導(dǎo)致參數(shù)求解容易陷入奇異,使得參數(shù)求解變得非常困難,補(bǔ)償精度不容易控制。本文采用載體旋轉(zhuǎn)代替載體的學(xué)習(xí)航行,簡(jiǎn)化模型的學(xué)習(xí)過(guò)程。在ROV載體旋轉(zhuǎn)過(guò)程中得到磁干擾場(chǎng)與旋轉(zhuǎn)角度的關(guān)系,建立對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償模型。在航行過(guò)程中,利用該補(bǔ)償模型對(duì)載體產(chǎn)生的磁干擾場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償,提高補(bǔ)償效率。區(qū)域地磁圖構(gòu)建及地磁圖適配性評(píng)價(jià)算法研究。高精度地磁圖是進(jìn)行地磁輔助導(dǎo)航的前提條件。針對(duì)區(qū)域地磁圖構(gòu)建問(wèn)題,在分析和總結(jié)現(xiàn)有區(qū)域地磁場(chǎng)模型的基礎(chǔ)上,采用泰勒多項(xiàng)式地磁場(chǎng)模型構(gòu)建了高精度區(qū)域地磁圖,給出了模型的最優(yōu)截止階數(shù)和減小邊緣效應(yīng)的措施。地磁信息豐富的區(qū)域有利于INS導(dǎo)航誤差的修正。針對(duì)區(qū)域地磁圖適配性評(píng)價(jià)問(wèn)題,本文基于多屬性決策思想采用主成分分析法提取多個(gè)主要的地磁特征值,對(duì)區(qū)域適配性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。該算法解決了采用單一特征值評(píng)價(jià)不全面的缺陷,且具有求解過(guò)程簡(jiǎn)單、易于應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)。仿真結(jié)果表明:采用主成分分析法獲得的地磁圖適配性評(píng)價(jià)值與該區(qū)域的匹配概率有較好的一致性。地磁匹配算法研究�；�于Hausdorff距離的MAGCOM算法在無(wú)旋轉(zhuǎn)偏差時(shí)精度高,且抗干擾能力強(qiáng)。采用角度限差的ICCP算法對(duì)旋轉(zhuǎn)偏差的處理十分有效,但計(jì)算費(fèi)時(shí)。本文對(duì)兩種算法進(jìn)行組合優(yōu)化,采用誤差橢圓減少組合算法區(qū)域搜索的耗時(shí),采用移位寄存器提高算法的實(shí)時(shí)性。此外,本文還研究了候選區(qū)域地磁圖適配性對(duì)匹配算法修正精度的影響。仿真結(jié)果表明:適配性評(píng)價(jià)值高的區(qū)域有利于提高匹配算法的修正精度。松花湖水域試驗(yàn)研究。為驗(yàn)證以上理論研究的正確性與有效性,開(kāi)展了基于ROV的水下地磁輔助導(dǎo)航試驗(yàn)。試驗(yàn)表明:載體旋轉(zhuǎn)的磁補(bǔ)償算法能夠有效地補(bǔ)償載體產(chǎn)生的磁干擾場(chǎng);采用主成分分析法評(píng)價(jià)的結(jié)果能夠選出適合導(dǎo)航的區(qū)域;在合適的區(qū)域內(nèi),組合算法對(duì)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的累積誤差具有很高的修正精度。
[Abstract]:Inertial navigation system (INS) can carry out continuous three-dimensional space positioning and three-dimensional spatial orientation independently and covertly in all weather conditions, provide continuous and real-time navigation parameters for the carrier, and have high navigation accuracy in a short time, but the navigation error of the inertial navigation system will accumulate with time. In the course of long time navigation, the precision will be reduced, and it needs to be corrected by the effective auxiliary navigation means. The geomagnetic field is the intrinsic field of the earth itself, and it is a vector field, and any point in the earth's space will have a magnetic vector value corresponding to it only. Therefore, the study of the geomagnetic field as an auxiliary inertial navigation system is a study of the geomagnetic field. It has theoretical significance and practical application value. At present, there are some important technical difficulties in underwater geomagnetic auxiliary navigation, such as the compensation of the Remote Operated Vehicle (ROV), the regional geomagnetic field model, the suitability evaluation of the geomagnetic map in the navigation area and the geomagnetic matching algorithm. The research work is mainly focused on the following aspects: the study of the compensation algorithm for ROV carrier magnetic interference. Based on the characteristics of the magnetic interference field produced by the carrier and the main attitude characteristics of the navigation, a magnetic interference compensation algorithm based on the vector rotation measurement is proposed. The main method of the transmission of the magnetic interference is to construct the magnetic interference field mode. However, the traditional method is complicated and needs to learn navigation. There will be a coupling phenomenon of carrier attitude in learning and navigation, which will lead to the parameter solution easy to fall into the singularity, making the parameter solution very difficult and the compensation precision is not easy to control. This paper uses the carrier rotation instead of the carrier to learn navigation, simplification The relationship between the magnetic interference field and the rotation angle is obtained in the ROV carrier rotation process, and the corresponding compensation model is established. In the course of navigation, the compensation model is used to compensate the magnetic interference field produced by the carrier in real time and improve the compensation efficiency. The high precision of the regional geomagnetic map construction and the geomagnetic map adaptation evaluation algorithm. Geomagnetic map is the precondition for geomagnetic auxiliary navigation. Aiming at the problem of regional geomagnetic map construction, based on the analysis and summary of the existing regional geomagnetic field model, the high precision regional geomagnetic map is constructed by using the Taylor polynomial geomagnetic field model. The optimal cut-off order and the measures to reduce the edge effect are given. The geomagnetic information is rich. The region is beneficial to the correction of INS navigation error. In view of the suitability evaluation of regional geomagnetic map, this paper uses the principle component analysis method to extract a number of major geomagnetic features based on the multi attribute decision thinking method, and makes a comprehensive evaluation on the regional suitability. The algorithm solves the problem of incomplete evaluation by using a single eigenvalue and has solved the problem. The simulation results show that the matching probability of the geomagnetic map adaption obtained by the principal component analysis method is in good agreement with the matching probability of the region. The geomagnetic matching algorithm is studied. The MAGCOM algorithm based on Hausdorff distance has high precision and strong anti-interference ability when it has no rotation deviation, and the angle difference ICCP is used. The algorithm is very effective for the rotation deviation processing, but the calculation is time-consuming. In this paper, the two algorithms are combined and optimized, the error ellipse is used to reduce the time consuming of the region search, and the shift register is used to improve the real-time performance of the algorithm. In addition, this paper also studies the influence of the candidate region geomagnetic map adaptation on the correction accuracy of the matching algorithm. The real results show that the region with high suitability evaluation is helpful to improve the correction accuracy of the matching algorithm. In order to verify the correctness and effectiveness of the above theoretical research, a ROV based underwater geomagnetic auxiliary navigation test is carried out to verify the correctness and effectiveness of the above theoretical research. The experiment shows that the magnetic compensation algorithm of the carrier rotation can effectively compensate the carrier generation. The magnetic interference field, which is evaluated by the principal component analysis method, can select the area suitable for navigation. In the appropriate area, the combined algorithm has a high correction accuracy for the cumulative error of the inertial navigation system.
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TP242;TN96

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本文編號(hào)：2077847