水下地磁導航適配性研究.pdf

1、潛航器是人類探索和開發(fā)海洋的重要工具。隨著潛航器趨于深海遠航程方向的發(fā)展，水下長航時高精度自主導航已成為發(fā)展?jié)摵狡髫酱鉀Q的瓶頸技術之一。地磁導航具有全天候、全地域、無輻射、高隱蔽性以及誤差不隨時間等優(yōu)點，將地磁導航同慣性導航進行組合可以有效滿足潛航器的導航任務需求。地磁導航的核心在于獲取精準的匹配位置信息，而匹配精度不僅與所采用的匹配算法有關，還與地磁圖的適配性有著重要的關系。本文針對水下地磁導航中的適配性問題展開研究，目的在于選取出

2、高可靠性的地磁適配區(qū)和地磁適配方向，并進一步為潛航器的導航定位提供支持。首先，結合水下環(huán)境以及地磁導航特點對水下地磁導航適配性問題的約束條件進行分析，并進一步建立了水下地磁導航適配性問題的基本框架。接著從該框架出發(fā)，針對適配性問題的研究前提進行了討論：一方面從慣性導航系統(tǒng)誤差傳播的角度建立了候選匹配區(qū)的尺寸模型；另一方面構建了基本適配特征體系，給出了適配性評價指標匹配概率的合理定義，并在此基礎上建立了面向地磁適配性分析的數據庫。然后，重

3、點研究了地磁區(qū)域適配性和方向適配性的分析方法。
　　本研究主要內容包括：⑴將合成特征同匹配概率之間的相關系數作為基因表達式編程的適應度函數，并通過模仿生物學的遺傳過程使合成特征不斷進化，最終將基因表達式編程搜索得到的基本適配特征的最優(yōu)組合作為地磁進化合成特征。該方法在特征合成時可以實現(xiàn)對基本適配特征的自適應選取，同時還能夠生成豐富的合成特征數學構型，為此所構建的進化合成特征能夠有效融合各基本適配特征的內在優(yōu)勢。實驗結果表明，構建的

4、進化合成特征具有較好的穩(wěn)健性，經其優(yōu)選出的適配區(qū)具有較高的平均匹配概率。⑵將候選匹配區(qū)的分類問題統(tǒng)一在模式識別的框架下，利用遺傳算法和支持向量機實現(xiàn)對候選匹配區(qū)的自組織優(yōu)化分類。其中，將支持向量機用作候選匹配區(qū)的分類器，而遺傳算法則用于自組織選取利于分類的最優(yōu)特征子集以及優(yōu)化支持向量機參數；同時，為滿足實際問題需求，還引入一對一策略用以解決候選匹配區(qū)的多分類問題。實驗結果表明，利用遺傳算法從特征選擇和參數優(yōu)化兩個角度同時對支持向量機進行

5、優(yōu)化，可以顯著提高候選匹配區(qū)的分類正確率，并且得到的分類結果還具有較低的誤判風險。⑶利用Gabor濾波和灰度共生矩陣分別從頻域和空域的角度對候選匹配區(qū)的方向適配性進行了分析；與此同時，通過對Gabor濾波和灰度共生矩陣參數的合理設定，使得提取出的方向適配特征與方向匹配概率之間具有較好的一致性；然后，利用自適應神經模糊推理系統(tǒng)建立了Gabor濾波和灰度共生矩陣之間的互補模型，并進一步構建了面向地磁方向適配性分析的層次決策方案。實驗結果表明

6、，構建的決策方案是有效的，它可以根據給定候選匹配區(qū)的特點自適應地選擇恰當的方向適配性分析方法，并且能夠獲得比單獨使用Gabor濾波或者灰度共生矩陣更優(yōu)的分析結果。⑷在上述理論研究成果的基礎上，進行了水下地磁導航適配性分析綜合仿真實驗。一方面分析了向下延拓對地磁圖適配性的影響，并指出向下延拓會使地磁圖的適配性能得到一定程度的提升；另一方面，利用論文提出的適配性分析方法進行了適配區(qū)和適配方向的選取實驗，結果表明優(yōu)選出的適配區(qū)和適配方向具有較