王志剛 顧雪峰

（1.91550部隊(duì) 大連 116023）（2.海軍工程大學(xué)兵器工程系 武漢 430033）（3.海軍工程大學(xué)兵器科研部 武漢 430033）

1 引言

目前，對(duì)于水下潛器的被動(dòng)定位是導(dǎo)航、定位領(lǐng)域研究的一個(gè)熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。水下潛器的慣導(dǎo)系統(tǒng)（Inertial Navigation System，INS）誤差隨時(shí)間積累，因此必須要通過(guò)其它導(dǎo)航方式實(shí)時(shí)或定期修正INS。出于隱蔽性要求，水下潛器又很難利用衛(wèi)星或無(wú)線(xiàn)電信息，此時(shí)利用水下地理特征信息的輔助導(dǎo)航定位就是很好的選擇。常用的輔助導(dǎo)航定位系統(tǒng)有地形、重力輔助導(dǎo)航系統(tǒng)［1～2］等，目前這些輔助導(dǎo)航系統(tǒng)都是以各種匹配算法為核心來(lái)獲得潛器的最佳匹配位置（真實(shí)位置），以實(shí)現(xiàn)對(duì)慣導(dǎo)系統(tǒng)的修正。傳統(tǒng)的匹配算法主要分為單點(diǎn)迭代和序列迭代兩類(lèi)，分別以SITAN［3～4］（Sandia Inertial Terrain－Aided Navigation）和ICCP［5～6］（Interval Closest Contour Point）算法為典型代表。這些匹配算法分別在實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性方面有其優(yōu)點(diǎn)，但是為了保證良好的匹配效果對(duì)潛器的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和初始誤差環(huán)境有很多嚴(yán)格的限制［7］，因而也限制了其應(yīng)用范圍。針對(duì)這一問(wèn)題，本文提出一種直接利用觀測(cè)重力進(jìn)行水下被動(dòng)定位的新模式，應(yīng)用該方法的前提就是確定重力異常與潛器位置（大地經(jīng)、緯度坐標(biāo)）的精確解析表達(dá)式，之后與航空領(lǐng)域的目標(biāo)被動(dòng)定位原理相似，由于觀測(cè)重力中包含了目標(biāo)的位置坐標(biāo)信息，直接通過(guò)非線(xiàn)性濾波算法，就可對(duì)潛器的航行位置進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)。

2 二維高斯樣條函數(shù)逼近

直接利用地球重力進(jìn)行定位，在很大程度上取決于觀測(cè)重力與目標(biāo)所在位置關(guān)系的確定，也就是地球重力場(chǎng)模型的確定。目前常用的各類(lèi)全球重力場(chǎng)模型［8］無(wú)論在階次和精度方面都已經(jīng)達(dá)到了很高的水平，它本質(zhì)上屬于球坐標(biāo)系下的調(diào)和分析，因而應(yīng)用過(guò)程中需要計(jì)算大量的Legendre系數(shù)，使得模型計(jì)算量巨大，而這對(duì)于定位的實(shí)時(shí)性是一大考驗(yàn)，另外現(xiàn)有的大部分全球重力場(chǎng)模型非線(xiàn)性比較嚴(yán)重，也不太利于濾波估計(jì)時(shí)的線(xiàn)性化處理。

近年來(lái)，高斯樣條函數(shù)在醫(yī)學(xué)影像、數(shù)字地形構(gòu)建、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)及地球物理等領(lǐng)域有較為廣泛的應(yīng)用，文獻(xiàn)［8］討論了一維高斯樣條在協(xié)方差函數(shù)代數(shù)確定中的應(yīng)用，文獻(xiàn)［9］采用高斯函數(shù)作為樣條基函數(shù)對(duì)計(jì)算區(qū)域重力異常進(jìn)行二維整體逼近，文獻(xiàn)［10］討論了高斯樣條函數(shù)逼近局部重力異常的相關(guān)影響因素。采用高斯樣條函數(shù)逼近局部重力異常運(yùn)算簡(jiǎn)單且最終解析式是統(tǒng)一的，文章在該樣條逼近函數(shù)的基礎(chǔ)上建立了重力量測(cè)方程并結(jié)合具體的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)方程，成功運(yùn)用擴(kuò)展Kalman濾波實(shí)現(xiàn)了對(duì)潛器位置的最優(yōu)估計(jì)。

2.1 二維高斯樣條函數(shù)逼近數(shù)學(xué)原理

即有

不妨設(shè)

則上式可以簡(jiǎn)化為矩陣形式：

則根據(jù)插值條件｛L（xi，yj）＝zi，j｜i＝1，…，m；j＝1，…，n｝，有如下線(xiàn)性方程：

易知X、Y 均為非奇異矩陣，即式（5）有唯一解，解方程即得到系數(shù)矩陣C，將系數(shù)矩陣代入式（2）便得到該局部重力異?；鶞?zhǔn)圖二維高斯樣條函數(shù)逼近解析式。

由式（5）可以看出系數(shù)矩陣C由X、Y與Z唯一確定，而X、Y由矩陣的階數(shù)和ax，ay決定。文獻(xiàn)［9］曾對(duì)求逆計(jì)算誤差與和計(jì)算階數(shù)的關(guān)系進(jìn)行過(guò)詳盡的探討。經(jīng)討論可知：系數(shù)矩陣的求解過(guò)程中如X、Y矩陣階數(shù)過(guò)高且ax、ay過(guò)小或階數(shù)過(guò)低且ax、ay過(guò)大時(shí)，X、Y矩陣的求逆存在較大誤差。而當(dāng)X、Y矩陣階數(shù)小于5或ax、ay值小于5時(shí)，矩陣求逆運(yùn)算誤差較小?？紤]到求逆計(jì)算誤差以及實(shí)際應(yīng)用中用到的格網(wǎng)區(qū)域遠(yuǎn)大于5×5，我們即可采用文獻(xiàn)［10］給出的斐波那契數(shù)列方法對(duì)ax∈［1，s］，ay∈［1，s］區(qū)間內(nèi)進(jìn)行尋優(yōu)。

2.2 二維高斯樣條函數(shù)逼近精度分析

取范圍i為117°E～121°E，j為21°N～25°N，分辨率為2′×2′的衛(wèi)星測(cè)高反演重力異常數(shù)據(jù)作為已知重力異常基準(zhǔn)圖。文章在該已知2′×2′重力異?；鶞?zhǔn)圖的基礎(chǔ)上，取4′×4′格網(wǎng)點(diǎn)處重力異常數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)點(diǎn)，進(jìn)行二維高斯樣條函數(shù)逼近，獲得該范圍局部重力異常基準(zhǔn)圖解析表達(dá)式，并據(jù)此計(jì)算分辨率為2′×2′的重力異常逼近值，然后與已知的2′×2′格網(wǎng)處重力異常值進(jìn)行比對(duì)分析。

最終的仿真結(jié)果如圖1所示，其中圖1（a）為已知2′×2′重力異?；鶞?zhǔn)圖，圖1（b）為由4′×4′重力異?；鶞?zhǔn)圖逼近的2′×2′重力異常基準(zhǔn)圖，由此可以看出二維高斯樣條函數(shù)逼近的局部重力異常基準(zhǔn)圖解析式能較好地描述這一范圍的重力異?；鶞?zhǔn)圖。

圖1（c）、圖1（d）分別為逼近誤差圖及相應(yīng)的誤差統(tǒng)計(jì)圖，表1為誤差統(tǒng)計(jì)表，由圖1、表1可以得出，試算區(qū)域4′×4′格網(wǎng)點(diǎn)處二維高斯逼近計(jì)算值絕對(duì)誤差均值為0.19mGal且99.5%計(jì)算點(diǎn)絕對(duì)誤差小于1mGal，逼近精度可以滿(mǎn)足導(dǎo)航定位要求。鑒于重力二維高斯樣條逼近函數(shù)的連續(xù)形式、與經(jīng)緯度坐標(biāo)具有明確的解析關(guān)系以及自身的高精度，使得這一逼近函數(shù)十分適合用于重力被動(dòng)定位時(shí)所需的量測(cè)方程。

圖1 局部重力異?；鶞?zhǔn)圖二維高斯逼近仿真實(shí)驗(yàn)

表1 計(jì)算值和真值比較（單位：mGal）

3 水下被動(dòng)定位模型的建立

水下被動(dòng)定位較水面與航空領(lǐng)域的被動(dòng)定位難度更大，究其原因就是在強(qiáng)調(diào)隱蔽性的前提下水下可利用的觀測(cè)量更少，即便有可用的觀測(cè)量其解析形式也十分復(fù)雜，因而當(dāng)今潛器的水下定位、導(dǎo)航多是基于特定的地理信息數(shù)字圖，通過(guò)采用各種匹配算法和觀測(cè)信息在數(shù)字圖上估算出潛器的位置坐標(biāo)，這類(lèi)方法的核心就是匹配算法，但是匹配算法在應(yīng)用時(shí)為了保證具有好的定位效果，對(duì)潛器的初始誤差、運(yùn)動(dòng)模式具有諸多限制，且有的匹配算法還不能保證定位的實(shí)時(shí)性（如ICCP算法），能保證實(shí)時(shí)性的又容易出現(xiàn)誤匹配（如Sitan算法）。水面和航空領(lǐng)域的被動(dòng)定位相對(duì)簡(jiǎn)單，它只需要建立合適的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)方程再由具體的觀測(cè)方程，將真實(shí)觀測(cè)量中所包含的我們感興趣的目標(biāo)狀態(tài)（如經(jīng)、緯度坐標(biāo)）通過(guò)非線(xiàn)性濾波技術(shù)［11～14］估算出來(lái)。

建立潛器狀態(tài)方程如下：

其中

其中F（k）、Γ（k）為k時(shí)刻的狀態(tài)和擾動(dòng)矩陣，φ（k）和λ（k）為k時(shí)刻的潛器經(jīng)緯度坐標(biāo)，Vφ、Vλ為潛器在緯度和經(jīng)度方向上的運(yùn)動(dòng)速度，T為采樣間隔，v（k）為零均值過(guò)程白噪聲。在目標(biāo)定位領(lǐng)域這一建模方式包含了目標(biāo)所有的勻速和勻加速運(yùn)動(dòng)情況。

對(duì)于水下潛器定位的觀測(cè)值取為重力儀觀測(cè)重力

其中γ＝9.780325（1＋0.00530244sin2（φ）－0.00000587sin2（2φ））為 WGS84橢球正常重力公式。

設(shè)

其中

z（φ，λ）為水下定位時(shí)將要采用的量測(cè)值，式（7）就是本文最終建立的量測(cè)方程。

式（7）與經(jīng)、緯度坐標(biāo)是一種非線(xiàn)性關(guān)系，本文在對(duì)潛器位置誤差進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)時(shí)采用的是經(jīng)典的擴(kuò)展卡爾曼濾波（EKF），因而需要對(duì)式（7）進(jìn)行泰勒展開(kāi)的線(xiàn)性變換。

將式（7）分別對(duì)φ、λ求導(dǎo)可得

其中

對(duì)式（7）進(jìn)行泰勒展開(kāi)并舍去泰勒展開(kāi)高階項(xiàng)，并直接給出線(xiàn)性化后的量測(cè)方程如下

其中H（k）為線(xiàn)性化后的量測(cè)矩陣，W（k）為觀測(cè)噪聲。

由狀態(tài)方程（6）及線(xiàn)性化后的量測(cè)方程（9）通過(guò)非線(xiàn)性濾波算法就可對(duì)目標(biāo)的水下位置進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)。

4 仿真分析

以2.2節(jié)給出的區(qū)域范圍，i為117°E～121°E，j為21°N～25°N，分辨率為2′×2′的衛(wèi)星測(cè)高重力異常數(shù)據(jù)作為已知重力基準(zhǔn)圖進(jìn)行仿真分析。水下潛器初始位置為（21.5°，121.7°），北向和東向航速分別為 9nmile／h 和 －5nmile／h，加速度都為1nmile／h2，整個(gè)仿真階段取為100個(gè)采樣點(diǎn)，采樣間隔為6min，總航行時(shí)間為10h；重力儀測(cè)量數(shù)據(jù)的仿真采用重力異常數(shù)據(jù)加入測(cè)量噪聲的方法?，F(xiàn)今海洋重力儀的動(dòng)態(tài)精度已經(jīng)達(dá)到1mGal量級(jí)（如L＆R的S型海洋重力儀），因此重力測(cè)量誤差一般取方差為1mGal2的白噪聲，另外，考慮到各種數(shù)據(jù)濾波及誤差綜合影響（如交叉耦合、厄特沃什改正），取一項(xiàng)白噪聲作為濾波估計(jì)的誤差噪聲，這個(gè)綜合值根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取為9mGal2。采用50次的蒙特卡羅仿真，結(jié)果如圖2～圖5所示。

表2 定位誤差統(tǒng)計(jì)表（單位：海里）

圖2、圖3為基于重力觀測(cè)值的水下被動(dòng)定位示意圖，由兩圖可以看出估計(jì)航跡在大部分的航行階段都能較好地反映真實(shí)航跡，只是由于運(yùn)動(dòng)模式轉(zhuǎn)換在航行轉(zhuǎn)彎時(shí)有一定程度的波動(dòng)，由以上分析可以得出結(jié)論：

圖2 重力被動(dòng)定位示意圖

圖3 定位放大示意圖

圖4 緯度誤差示意圖

圖5 經(jīng)度誤差示意圖

1）以觀測(cè)重力作為量測(cè)值是可以用來(lái)提取潛器位置坐標(biāo)的，由圖2、圖3的被動(dòng)定位示意圖可以看出，估計(jì)航跡在大部分的航行階段都能較好地反映真實(shí)航跡，這說(shuō)明文章建立的量測(cè)方程是有效的，通過(guò)非線(xiàn)性濾波算法對(duì)量測(cè)值中的目標(biāo)位置信息進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)，可實(shí)現(xiàn)潛器的被動(dòng)導(dǎo)航與定位。

2）圖4、圖5、表2給出的是本文重力被動(dòng)定位方法的定位誤差及統(tǒng)計(jì)結(jié)果，在10h的航行階段最大緯度誤差不超過(guò)4.02海里，平均緯度誤差只有0.74海里，最大經(jīng)度誤差2.28海里，平均經(jīng)度誤差0.59海里，從以上數(shù)據(jù)及誤差示意圖可以得出結(jié)論，雖然經(jīng)緯度誤差存在一定程度上的波動(dòng)，但總體的定位誤差已經(jīng)不隨時(shí)間積累，這使得該定位模式在水下可長(zhǎng)期使用。

5 結(jié)語(yǔ)

被動(dòng)定位在軍事領(lǐng)域具有極高的應(yīng)用價(jià)值，文章將該原理引入潛器的水下被動(dòng)定位，首先基于二維高斯樣條函數(shù)逼近的重力場(chǎng)模型建立所需的量測(cè)方程，隨后通過(guò)非線(xiàn)性濾波技術(shù)對(duì)水下潛器的位置坐標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)。該定位方法使用簡(jiǎn)單，無(wú)需使用傳統(tǒng)的匹配算法，因而避免了匹配算法對(duì)潛器的初始環(huán)境以及慣導(dǎo)誤差等的種種限制，最終的仿真結(jié)果證明，直接由實(shí)測(cè)重力數(shù)據(jù)對(duì)水下潛器進(jìn)行定位是可行的，它的定位誤差不隨時(shí)間積累，另外隨著海洋重力數(shù)據(jù)測(cè)量精度的不斷提高，最終的定位精度也必將得到進(jìn)一步的提高。

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