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水下导航系统的地磁匹配算法研究

作　者: 胡晓
导　师: 李希灿
学　校: 山东农业大学
专　业: 地图制图学与地理信息工程
关键词: 水下地磁导航地磁场模型地磁匹配特征量匹配算法 Hausdorff
分类号: U666.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

海洋科学探索、海洋矿产资源勘探正向深海区域拓展,相应的水下潜器及其相关技术研究开发日显重要,其中导航定位问题因水下环境的特殊性正逐步变成水下探索的瓶颈,急需解决。首先,水下导航依赖的信息较少,像卫星导航系统的信号在水下严重衰减;其次,目前水下潜器所采用的主导航系统——惯性导航系统,其误差随时间积累而必须依靠其它信息定期进行校正。因此寻找全域自然源辅助导航手段成为深海探测的重要保障,而地磁场恰恰具有这样的导航特点。本文依托国家863课题“水下地磁导航关键技术与原型系统研究”、博士后基金“水下导航系统的地磁匹配关键技术研究”等两项课题进行研究。论文首先简述了水下地磁导航的目的和意义,对水下地磁导航技术的国内外研究进展进行了系统回顾与总结。分析了建立地磁场模型的主要方法、地磁场模型的误差来源,并总结出地磁模型研究的科学价值。其次、根据实际测量数据,通过分析从七个地磁特征量中选取了地磁场垂直强度为地磁匹配的特征量,并对影响地磁匹配定位的日变、月变等关键因素进行了分析,研究得出地磁日变可视为噪声。设计了基于Hausdorff距离的改进算法,并运用HD算法对地磁匹配导航进行了模拟,在噪声幅值相同、噪声幅值不同、匹配次数相同的三种情况下,比较了HD算法与CC算法,结果表明HD算法的匹配次数和精度均高于CC算法,HD算法的稳定性及抗干扰能力较强。最后,建立了地磁辅助惯性导航系统仿真平台,对水下运载体、陀螺仪、加速度计、捷联式惯性导航系统、海洋磁力仪进行了分析和地磁匹配模拟实验,为将来进行半实物仿真及原型系统实现奠定了基础。本文对地磁匹配算法进行了详细研究和改进。实验证明,改进后取得的效果满足导航定位的要求。

全文目录

摘要  6-7
ABSTRACT  7-9
1 绪论  9-13
  1.1 研究目的和意义  9-10
  1.2 国内外研究现状  10-11
  1.3 研究内容与方法  11-13
2 水下地磁导航系统理论基础  13-18
  2.1 地磁匹配导航的基本原理  13
  2.2 水下地磁导航定位的制约因素  13-15
    2.2.1 地磁图和地磁场模型的制约  14
    2.2.2 环境磁场的影响  14
    2.2.3 变化磁场的影响  14-15
  2.3 水下地磁异常的解决途径  15-16
    2.3.1 基于小波多尺度变换的地磁匹配  15-16
    2.3.2 基于SALM 的地磁异常定位  16
  2.4 水下地磁导航可行性分析  16-17
  2.5 本章小结  17-18
3 适合地磁匹配的地磁场模型的建立  18-28
  3.1 地球磁场模型  18-19
  3.2 建立地磁场模型的主要方法  19-23
  3.3 局部区域地磁场模型的建立  23-24
  3.4 地磁场模型的误差来源  24-25
    3.4.1 磁力仪误差  24
    3.4.2 定位误差  24
    3.4.3 地磁场模拟误差  24-25
    3.4.4 数据处理产生的误差  25
  3.5 地磁场模型研究的科学价值  25-27
  3.6 本章小结  27-28
4 水下导航地磁特征量选取的研究  28-33
  4.1 地磁特征量  28-29
  4.2 地磁特征量的选取  29-31
    4.2.1 地磁特征量的选取准则  29-30
    4.2.2 依据实测数据的地磁特征量的分析与选取  30-31
  4.3 本章小结  31-33
5 水下地磁导航匹配算法  33-44
  5.1 常用地磁匹配算法分析  33-36
    5.1.1 最小距离度量法  34
    5.1.2 相关度量法  34-35
    5.1.3 迭代最近点算法（ICP）  35-36
  5.2 基于Hausdorff 距离的改进算法  36-43
    5.2.1 地磁场影响匹配定位的关键因素分析  36-38
    5.2.2 基于Hausdorff 距离的改进算法  38-42
    5.2.3 实验与仿真分析  42-43
  5.3 本章小结  43-44
6 半实物仿真与原型系统的设计与研制  44-51
  6.1 半实物仿真与原型系统的设计  44-46
  6.2 系统仿真建模  46-48
  6.3 半实物仿真与原型系统的实现  48-50
  6.4 本章小结  50-51
7 结论  51-52
参考文献  52-62
致谢  62-63
攻读学位期间发表论文与参加的项目  63-64
附件  64

水下导航系统的地磁匹配算法研究

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