水下地磁導(dǎo)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(yuǎn)航程方向的發(fā)展，水下長航時高精度自主導(dǎo)航已成為發(fā)展?jié)摵狡髫酱鉀Q的瓶頸技術(shù)之一。地磁導(dǎo)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(diǎn)，將地磁導(dǎo)航同慣性導(dǎo)航進(jìn)行組合可以有效滿足潛航器的導(dǎo)航任務(wù)需求。地磁導(dǎo)航的核心在于獲取精準(zhǔn)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(guān)，還與地磁圖的適配性有著重要的關(guān)系。本文針對水下地磁導(dǎo)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(jìn)一步為潛航器的導(dǎo)航定位提供支持。首先，結(jié)合水下環(huán)境以及地磁導(dǎo)航特點(diǎn)對水下地磁導(dǎo)航適配性問題的約束條件進(jìn)行分析，并進(jìn)一步建立了水下地磁導(dǎo)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(jìn)行了討論：一方面從慣性導(dǎo)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(gòu)建了基本適配特征體系，給出了適配性評價指標(biāo)匹配概率的合理定義，并在此基礎(chǔ)上建立了面向地磁適配性分析的數(shù)據(jù)庫。然后，重

3、點(diǎn)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(nèi)容包括：⑴將合成特征同匹配概率之間的相關(guān)系數(shù)作為基因表達(dá)式編程的適應(yīng)度函數(shù)，并通過模仿生物學(xué)的遺傳過程使合成特征不斷進(jìn)化，最終將基因表達(dá)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(jìn)化合成特征。該方法在特征合成時可以實(shí)現(xiàn)對基本適配特征的自適應(yīng)選取，同時還能夠生成豐富的合成特征數(shù)學(xué)構(gòu)型，為此所構(gòu)建的進(jìn)化合成特征能夠有效融合各基本適配特征的內(nèi)在優(yōu)勢。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，構(gòu)建的

4、進(jìn)化合成特征具有較好的穩(wěn)健性，經(jīng)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(jī)實(shí)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(jī)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(jī)參數(shù)；同時，為滿足實(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用遺傳算法從特征選擇和參數(shù)優(yōu)化兩個角度同時對支持向量機(jī)進(jìn)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(jié)果還具有較低的誤判風(fēng)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(jìn)行了分析；與此同時，通過對Gabor濾波和灰度共生矩陣參數(shù)的合理設(shè)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(yīng)神經(jīng)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(bǔ)模型，并進(jìn)一步構(gòu)建了面向地磁方向適配性分析的層次決策方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明

6、，構(gòu)建的決策方案是有效的，它可以根據(jù)給定候選匹配區(qū)的特點(diǎn)自適應(yīng)地選擇恰當(dāng)?shù)姆较蜻m配性分析方法，并且能夠獲得比單獨(dú)使用Gabor濾波或者灰度共生矩陣更優(yōu)的分析結(jié)果。⑷在上述理論研究成果的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了水下地磁導(dǎo)航適配性分析綜合仿真實(shí)驗(yàn)。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(jìn)行了適配區(qū)和適配方向的選取實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明優(yōu)選出的適配區(qū)和適配方向具有較