一种基于计算几何三角匹配算法的重力匹配方法组成比例

本发明专利技术公开了一种基于计算几何三角匹配算法的重力匹配方法。本发明专利技术将重力场背景图均转化为投影坐标，并进行三角网格剖分，并将重力异常值信息作为三角形高程信息，利用三角剖分后重力场背景图局部信息与惯导指示航迹实时信息，从几何层面上全面考虑到了重力场三维信息，有效地提升重力匹配定位的精度。本发明专利技术得到的匹配三角形是由实时航迹三角形匹配而来的，误差发散程度远远小于传统重力匹配算法，并且算法每次运算的时间少，计算复杂度低，实时性强，适用于水下潜器长航时高精度自主匹配定位。配定位。配定位。

【技术实现步骤摘要】
一种基于计算几何三角匹配算法的重力匹配方法


[0001]本专利技术涉及导航、制导与控制
，具体涉及一种基于计算几何三角匹配算法的重力匹配方法。

技术介绍

[0002]惯性导航系统由于能够实时地为载体提供位置、速度、姿态等导航定位信息，在陆、海、空、天各类载体中广泛应用。但是惯性导航系统的导航误差会随时间积累，长期导航精度会变差，所以需要借助外界其他信息对其进行辅助导航。重力场是地球的固有物理场，重力仪等测量仪器可以实时获得所在位置的重力异常信息，由于重力异常信息具有良好的时空位置特征，且不破坏水下航行器的隐蔽性，因此使用重力辅助惯性导航系统，能够安全、有效地提高惯性导航系统的导航定位精度。
[0003]重力匹配定位算法是重力辅助惯性导航系统的核心。传统的重力匹配算法按照采样方式可以分为序列匹配算法和单点匹配算法。序列匹配算法需要在匹配之前获得较多数量的采样点，因此算法的实时性较差，最终获得的匹配位置会存在一定延时。而单点匹配需要较高精度的初始位置，线性化方法选用不当或者线性化的误差较大的话，会出现滤波发散的情况。传统的重力匹配算法对重力场背景图的栅格信息、几何拓扑信息没有进行充分挖掘利用，无法充分考虑重力场的三维特征，会导致匹配定位出现较大误差。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术提供了一种基于计算几何三角匹配算法的重力匹配方法，能够有效利用重力场和惯性导航指示轨迹的几何拓扑信息，通过三角形法向量匹配获得最接近真实航迹的轨迹信息，从而提高重力匹配导航的精度和实时性。
[0005]本专利技术的基于计算几何三角匹配算法的重力匹配方法，包括如下步骤：
[0006]步骤1，将重力场背景图栅格点信息以及水下潜器实时的航迹经纬度、重力异常值进行预处理：将经纬度坐标转化为投影坐标，将重力异常值转化为高程信息；
[0007]步骤2，对预处理后的重力场背景图以及惯性导航航迹进行三角形网格划分；
[0008]步骤3，以惯性导航航迹中重力异常局部极值为划分依据，取每一段重力异常波峰
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波谷或波谷
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波峰作为一个匹配单元；
[0009]步骤4，针对各匹配单元，搜索法向量与航迹三角形法向量最接近，且法向量与水平面的夹角与航迹三角形法向量与水平面夹角最接近的重力场三角形；该重力场三角形即为满足图形匹配的重力场匹配三角形；
[0010]步骤5，根据步骤4得到的重力场匹配三角形，采用基于重力异常比例的匹配点获取算法，获得航迹点对应的重力匹配点；所有重力匹配点的连线，即为最终的匹配航迹。
[0011]较优的，利用下式进行重力异常值变化值Δg与高程信息Z的转化：
[0012][0013]其中，Z(h)为海拔为h处的重力异常值转化的高程信息；g0为大地水准面上的基准重力值异常值；g(h)为高度为h时的重力异常值，Δg为重力异常变化值。
[0014]较优的，所述步骤2中，利用Delaunay三角剖分算法进行三角剖分。
[0015]较优的，所述步骤4中，所述搜索范围为：惯导航迹三角形周围半径为R的圆形区域。
[0016]较优的，所述圆形区域半径R为：
[0017]R＝R0+nr
[0018]其中，R0代表初始匹配时圆形区域的半径，一般与重力场背景图的分辨率有关；n代表匹配次数，r代表圆形区域半径变化率，一般与重力仪测量频率相关。
[0019]较优的，所述步骤4中，三角形法向量匹配准则为：
[0020][0021]其中，v
i
表示惯性导航轨迹单元中的三角形法向量，v
ij
表示重力场背景图三角形法向量，dis(v
i
,v
ij
)表示法向量v
i
与v
ij
之间的距离。
[0022]较优的，所述步骤5中，航迹匹配点采用如下方式获得：
[0023]将惯性导航航迹三角形ABC和重力场匹配三角形abc的三个顶点的重力异常值信息取出，并将其按照从小到大的顺序依次排列；假设序列为：Z(A),Z(B),Z(C)，以及Z(a),Z(b),Z(c)；计算Z(A)与Z(B)、Z(C)的差值，得到Z(B)将Z(A)Z(C)划分的比例，设为k，即
[0024][0025]将Z(a)Z(c)按照所述比例k进行划分，得到其上的固定特征点，记为P，即
[0026]Z(P)＝k*ΔZ(ac)+Z(a)
[0027]由点P处和点b的重力异常值大小判断该值位于ab边或bc边上，若Z(c)＞Z(b)＞Z(P)＞Z(a)，则其位于ab边；若Z(c)＞Z(P)＞Z(b)＞Z(a)，则其位于bc边上；假设其位于bc上，则将对应的点设为活动特征点，记为Q点，按照重力异常值从小到大的顺序排列为b,Q,c，根据点Q的重力异常值在bc上所占比例，确定点Q的位置；分别连接点P和点b、点Q和点a，两条线段的交点即为匹配点H。
[0028]有益效果：
[0029](1)本专利技术将重力场背景图均转化为投影坐标，并进行三角网格剖分，并将重力异常值信息作为三角形高程信息，利用三角剖分后重力场背景图局部信息与惯导指示航迹实时信息，从几何层面上全面考虑到了重力场三维信息，有效地提升重力匹配定位的精度。本专利技术得到的匹配三角形是由实时航迹三角形匹配而来的，误差发散程度远远小于传统重力匹配算法，并且算法每次运算的时间少，计算复杂度低，实时性强，适用于水下潜器长航时高精度自主匹配定位。
[0030](2)基于重力异常值的空间校正公式可直接将重力异常值转化为高程信息，方便快捷。
[0031](3)本专利技术采用的Delaunay三角剖分算法进行三角剖分，能将重力场背景图中提供的重力场点集的几何特征表现出来，准确地对重力场的信息进行描述，且算法的可行性较高，复杂度较小。
[0032](4)本专利技术基于重力场背景图的分辨率、重力仪测量频率确定重力三角形与航迹三角形匹配时的搜索范围，提高搜索效率及准确性。
[0033](5)本专利技术利用航迹三角形三个顶点的重力异常值及其比例关系，确定重力匹配三角形中与航迹点实际对应的匹配点，计算简单、匹配精度高。
附图说明
[0034]图1为本专利技术实施例基于计算几何三角匹配算法的重力匹配方法的流程图；
[0035]图2为本专利技术实施例基于重力异常比例的匹配点获取算法原理图。
具体实施方式
[0036]下面结合附图并举实施例，对本专利技术进行详细描述。
[0037]本专利技术提供了一种基于计算几何三角匹配算法的重力匹配方法，首先将重力背景图转换到投影坐标系；然后通过三角剖分算法，对重力场背景图和惯性导航指示航迹进行三角剖分，并按照重力异常值的波峰
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波谷/波谷
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波峰对其进行匹配单元划分，在每一个单元内，按照三角形法向量平行且距离短的原则，选择最优匹配三角形，并获得最优匹配航迹，有效地提升重力匹配定位的精度。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于计算几何三角匹配算法的重力匹配方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，将重力场背景图栅格点信息以及水下潜器实时的航迹经纬度、重力异常值进行预处理：将经纬度坐标转化为投影坐标，将重力异常值转化为高程信息；步骤2，对预处理后的重力场背景图以及惯性导航航迹进行三角形网格划分；步骤3，以惯性导航航迹中重力异常局部极值为划分依据，取每一段重力异常波峰
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波谷或波谷
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波峰作为一个匹配单元；步骤4，针对各匹配单元，搜索法向量与航迹三角形法向量最接近，且法向量与水平面的夹角与航迹三角形法向量与水平面夹角最接近的重力场三角形；该重力场三角形即为满足图形匹配的重力场匹配三角形；步骤5，根据步骤4得到的重力场匹配三角形，采用基于重力异常比例的匹配点获取算法，获得航迹点对应的重力匹配点；所有重力匹配点的连线，即为最终的匹配航迹。2.如权利要求1所述的基于计算几何三角匹配算法的重力匹配方法，其特征在于，利用下式进行重力异常值变化值Δg与高程信息Z的转化：其中，Z(h)为海拔为h处的重力异常值转化的高程信息；g0为大地水准面上的基准重力值异常值；g(h)为高度为h时的重力异常值，Δg为重力异常变化值。3.如权利要求1或2所述的基于计算几何三角匹配算法的重力匹配方法，其特征在于，所述步骤2中，利用Delaunay三角剖分算法进行三角剖分。4.如权利要求1所述的基于计算几何三角匹配算法的重力匹配方法，其特征在于，所述步骤4中，所述搜索范围为：惯导航迹三角形周围半径为R的圆形区域。5.如权利要求4所述的基于计算几何三角匹配算法的重力匹配方法，其特征在于，所述圆形区域半径R为：R＝R0+nr其中，R0代表初始匹配时圆形区域...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓志红，王宇，刘绩宁，赵生武，张文喆，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：