基于自适应格网数字水深模型的水下地形匹配定位算法-刘现鹏.pdf
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1、第 25 卷第 4 期 中国惯性技术学报 Vol.25 No.4 2017 年 08 月 Journal of Chinese Inertial Technology Aug. 2017 收稿日期: 2017-04-10; 修回日期: 2017-07-28 基金项目: 国家自然科学基金( 41471380) ;国家自然科学基金( 41601498) 作者简介: 刘现鹏( 1991),男,博士研究生,从事水下地形匹配定位研究。 E-mail: ouc_ 联 系 人: 张立华( 1973),男,教授,博士生导师。 E-mail: 文章编号: 1005-6734(2017)04-0488-07 d
2、oi: 10.13695/ki.12-1222/o3.2017.04.012 kkjyjyjyyjmkkmmmmmmmmm 基于自适应格网数字水深模型的水下地形匹配定位算法 刘现鹏,张立华,贾帅东,曹鸿博 ( 1. 海军大连舰艇学院 海洋测绘系,大连 116018; 2. 海军大连舰艇学院 海洋测绘工程军队重点实验室,大连 116018) 摘要: 为了解决当前的水下地形匹配定位算法未考虑格网大小随海底地形变化而自动调整的问题,提出了一种基于自适应格网数 字水深模型的水下地形匹配定位算法。首先 ,引入基于四叉树的自适应格网模型,改进其局部格网的相似性评估指标与构网约束方法;然后,设计匹配区的确定
3、及待匹配航迹的选取策略,给出待匹配航迹的水深值的计算方法,构建出目标匹配定位的地形相关组合算子。实验结果表明:提出的算法相比于基于等距离的规则格网模型的算法有以下优势: 1)在地形特征丰富区域的定位精度明显提高; 2)可以避免出现地形特征越明显匹配定位精度越低的情况; 3)能一定程度地克服水深系统误差对定位精度的影响。 关 键 词: 自适应网格;数字水深模型;地形相关;水下匹配 中图分类号: P229.5 文献标志码: A Underwater terrain matching algorithm based on adaptive grid digital depth model LIU X
4、ian-peng, ZHANG Li-hua, JIA Shuai-dong, CAO Hong-bo (1. Department of Hydrography and Cartography, Dalian Naval Academy, Dalian 116018, China; 2. Key Laboratory of Hydrographic Surveying and Mapping of PLA, Dalian Naval Academy, Dalian 116018, China) Abstract: The underwater terrain aided matching a
5、lgorithm does not take into account that the grid space of reference map should automatically be adjusted with seabed terrains. To solve this problem, a new terrain matching algorithm based on adaptive Digital Grid Model is presented. First, an adaptive grid model based on quadtree is put forward to
6、 improve its local grid evaluation index and the construction method. Then, the strategy used to select the matching regions is designed, and the algorithm for calculating the track depths ready to be matched is given. Finally, the topographic correlation combination operator for object matching and
7、 localization is established. Experiment results show that the proposed method is superior to the traditional algorithm based on regular Digital Depth Model in that: 1) the new method can capture more precious location in the areas with substantial features; 2) the new method can avoid the situation
8、 that more obvious terrain features lead to more lower location precision; and 3) the new method can significantly overcome the system errors influence on the location precision. Key words: adaptive grid; digital depth model; terrain correlation; underwater matching 水下地形匹配由于具有自主、全天候,以及定位精度与航程无关等优点1,
9、非常适用于水下潜器的自主导航。研究表明,影响水下地形匹配定位精度的主要因素有地形信息的丰富程度2、数字地形模型的精度3以及地形匹配导航算法的优劣4。 近年来,随着海洋测绘技术的发展,水下地形匹配导航逐渐成为研究的热点,国内外学者对地形匹配导航算法开展了大量的研究工作1,5-6,提出了地形相关匹配算法、基于扩展卡尔曼滤波和基于直接概率准则的匹配算法4。其中,基于扩展卡尔曼滤波和基于万方数据第 4 期 刘现鹏等 : 基于自适应格网数字水深模型的水下地形匹配定位算法 kkjyjy mmmmmm- 489 - 直接概率准则的算法分别受限于地形线性化和模型先验信息的获取, 因而其适用条件比较苛刻。 与之
10、相比,基于地形相关性的算法原理简单,最为经典,并已被应用于巡航导弹的辅助导航。但目前此类算法采用的数字地形模型仍是等距离的规则格网模型6-7, 这种模型不能随海底地形变化自动调节格网距离大小,从而限制了地形相关匹配算法的定位精度,而自适应格网能够有效地克服这一问题。同时,自适应格网在数字地形模型构建领域中已经取得了许多的成果,如自适应格网模型的抗差构建方法8、基于区域平均垂直不确定度的构建方法9和自适应格网模型精度的定量调控方法10,这些成果为将自适应格网模型应用于水下地形匹配定位奠定了一定的基础。 因此,本文提出一种基于自适应格网数字水深模型( Digital Depth Model, DD
11、M)的水下地形相关性匹配算法( Terrain Correlation Matching, TCM) :首先,引入基于四叉树的自适应格网模型,改进其局部格网的精度评价指标与构网约束方法;然后,根据惯性导航系统( Inertial Navigation System, INS)的位置、航速、 航向信息, 设计匹配区及待匹配航迹的选取策略,给出待匹配航迹水深的求解方法,并构建一种选取最优匹配的地形相关组合算子,最终实现匹配定位。 1 水下地形匹配格网DDM 的自适应构建 规则格网模型由于采用等距离剖分地形的方式进行构建, 不能根据地形的复杂程度来自动调整局部格网的大小, 因此这种模型可能造成对地形
12、复杂区域的描述不够细致而对地形简单区域的描述过于繁琐的情形。 为此,不少学者提出了构建自适应格网模型的方法8-10。 本节引入基于四叉树的自适应格网模型10,改进其局部格网模型的精度评价指标和构网约束方法,具体流程如图 1 所示。 图 1 给出了构建水下地形匹配格网 DDM 的基本流程,其中,已有算法的基本流程为图 1 中不包含虚线框的部分9。具体流程为: 采用距离反比平方插值算法构建原始格网, 并判断格网的整体精度是否满足预设指标,若满足要求则转 ,否则转流程 ; 判断格网各局部的精度是否满足要求, 若满足则认为构建的自适应格网整体精度和局部精度均达到预设指标,输出构建的自适应格网,否则转流
13、程 ; 对格网进一步剖分, 剖分出的子网格被存储在四叉树的子叶节点中,然后转流程 ,递归循环直至构网完成。 在这一流程的基础上, 本文首先提出如图 1 虚线框中所示的基于地形相似性的精度指标; 其次, 为避免因局部格网精度阈值设置的不合理而导致构网失败9, 提出如图 1 中虚线框中基于地形固有信息量的局部格网精度约束改进方法。 构建原始格网满足整体精度是满足局部精度局部格网剖分选取构网原数据否否结束输出自适应格网是开始基于四叉树进行重新组织基于地形相似性的精度指标评估基于地形固有信息量的局部格网精度约束图 1 自适应格网 DDM构建的流程图 Fig.1 Flow chart of adapti
14、ve digital depth model 1.1 局部格网模型的精度指标改进 在构建面向水下地形匹配的自适应格网 DDM 时,控制好模型面与真实海底地形的相似性是关键。长期以来,这种相似性用 DDM 与真实海底地形差异的中误差来描述9-10,具体计算公式如下: ()21niiizzzn-(1)式中,iz 表示在局部格网中选取的检查点水深9, n 表示检查点个数,iz表示这些检查点对应位置的模型插值水深。 然而,将这种精度表示方法应用于面向水下地形匹配的自适应格网 DDM 构建时,仍有一些不足。如图 2a 所示, 黑色实线 O1、 O2、 O3、 O4表示真实海底,红色虚折线 P1、 P2、
15、 P3、 P4和蓝色虚折线 P1、 P2、 P3、P4分别表示构建的两组 DDM 模型面。显然,模型面P1、 P2、 P3、 P4与真实海底的几何相似性要高于模型面 P1、 P2、 P3、 P4,但是若采用公式 (1)表示 DDM模型的精度,则模型面 P1、 P2、 P3、 P4的精度(图2a 中 所示)要低于模型面 P1、 P2、 P3、 P4的精度 (图万方数据- 490 - 中国惯性技术学报 kkjyjyjyyjmkkmmmmmmmmm第 25 卷 2a 中 所示) ,这与实际是不相符的。 为解决这一不足, 本文以模型水深与原始水深差值的标准差作为相似性评估指标,如图 2b 所示,其具体
16、公式为 ()21niizzzn-(2) iiizzz -(3) 式中:iz 表示局部格网中检查点 (1,2,)ii n 的原始水深;iz表示这些原始水深对应位置的模型插值水深,插值算法采用双线性插值算法9;iz 表示模型插值水深与对应位置原始水深的水深差; z 表示其平均值。 P1P3O2O4O3O1P2P4P1P2P3P4P1P2P3P4P1P2P3P4O3O4O2O1ab图 2 模型面与真实海底地形的差异示意图 Fig.2 Difference between DDM and the seabed 1.2 局部格网模型的约束方法改进 为实现格网 DDM 的自适应构建,需要预先设定DDM 构
17、建的约束方法。为此,国内外学者提出了采用局部格网 DDM 精度阈值的约束方法9,但这些方法大多以单一固定阈值作为局部格网 DDM 的约束条件, 势必存在一些不足: 一方面, 若选择的阈值过大,则会导致 DDM 的整体精度偏低;另一方面,若选择的阈值过小,则可能导致在部分海区的构网失败。本文在此基础上,突破传统单一固定阈值的方法,以地形标准差表示海底地形的固有信息量11,重点保证地形复杂区的模型精度,并采用 DDM 与海底地形的相似性作为评估指标,提出一种基于地形固有信息量自适应调整的局部格网 DDM 约束阈值的确定方法: ()1221niizzzkn-ll)(4) 式中:z 表示局部格网精度的
18、约束阈值;iz 表示局部格网区域包含的检查点水深值; z 表示其平均值; n 表示局部格网区域检查点的个数; k 为控制模型整体精度的协调因子,该因子由构网区海底地形标准差与局部地形标准差的比给定nk ,其 中 , 为根据原始水深计算的构网区地形标准差,n 为第 n 个局部格网区的地形标准差。 2 基于自适应格网DDM的水下地形匹配模型 2.1 匹配区的确定及待匹配航迹的选取 在地形匹配导航过程中,根据潜器的速度和航向等信息实时计算潜器的 INS 指示位置,从而获得其水平航迹(如图 3 中红色折线所示) ;然后,以开始匹配定位时 3 倍的 INS 定位误差标准差为搜索范围1(如图 3 中 3所
19、示虚线圆) ,确定匹配区的范围(如图 3中虚线包围的区域) ;最后,通过平移变换,在匹配区内均匀地选取 m 条与潜器的 INS指示航迹平行的轨迹作为待匹配航迹序列。需要说明的是:在地形匹配过程中,随着 INS 累积误差的增大,匹配区的范围必然有所增大,本文重点探讨基于自适应格网 DDM 水下地形匹配定位的实现,且文献 12表明:现代惯性导航陀螺和加速度计的精度可以分别达到 10-4()/h 和10-6g 水平,因此在匹配过程中匹配区发散的量比较小,本文参考了文献 1的处理方法,暂不考虑匹配区增大的问题。 此外, 匹配区中选取的待匹配航迹数 m 的数值越大, 匹配区划分得越细致, 匹配定位的精度
20、也更高,因此 m 的数值需要根据定位任务的规划精度来确定:20(3 )m , 其中, 表示 INS 定位误差标准差,0 表示潜航器任务规划中定位需求的最低精度。 在获取这些待匹配航迹序列时,需要预先确定INS 指示航迹每次移动的方位及距离。以图 3 中红色O 点为例,该点将被平移至 Oi,其 中 Oi为在虚线圆中均匀分布的第 i 个位置。为便于计算,我们将该点的采样范围由虚线圆拓展为如图 3 中的实线矩形。此时,匹配区的范围被扩充至图 3 中 P1、 P2、 P3、 P4、 P5、 P6包围的区域,并可得待匹配航迹序列的计算公式: ins32i, jiXX m(5) ins32i, jjYY
21、m(6) 图 3 匹配区域选取示意图 Fig.3 Schematic diagram of the matching area 万方数据第 4 期 刘现鹏等 : 基于自适应格网数字水深模型的水下地形匹配定位算法 kkjyjy mmmmmm- 491 - 式中,ins ins(,)X Y 表示 INS 输出的目标航迹, (,)i, j i, jXY表示根据 INS 航迹求取的第 (, )ij号航迹, m 表示在待匹配区中选取的待匹配航迹数, 1 i, j , m 。 2.2 待匹配航迹的水深值计算 在获得待匹配航迹后,还需进一步求解待匹配航迹的水深序列 Z。如图 3 所示,图中红色、黄色方块表示
22、的是构建自适应格网的初始格网。 首先, 根据待匹配航迹的水深地理坐标 (, )i, j i, jx y ,求取其所在的初始格网编号: minx i, j xpxxd-(7) minyi,j ypyyd-(8) 式中,xp 、yp 分别表示初始格网编号,minx 、miny 表示自适应格网 DDM 的地理坐标下限,xd 、yd 分别表示初始格网 x 和 y 方向的格网距离。 然后, 判断该初始格网是否被剖分, 如果该格网未被剖分, 则以双线性内插算法9计算航迹点 (, )i, j i, jx y 的水深i, jz : min min max minmaxmax minmax11 11i, j x
23、 ,y x ,yxy xyx,y x,yxy xyxy xyzz zdd ddxy xyzzdd dd - - -ll llll ll) ) ) -ll llll l l) ) )(9) 式中,min mini, j x ,yxx- ,min mini, j x ,yxx y- ,min minx,yx 、 min minx,yy 分别表示格网 ()x yp ,p 的四个节点地理坐标的最小值,xd 、yd 表示该格网 x 和 y 方向的格距。 如果该格网含有子格网,则采用递归的方式找到航迹点 (, )i, j i, jx y 所在的最终格网,然后以公式 (9)计算其水深。寻找最终格网的方法如表
24、 1 所示。 表1 最终格网的寻找伪代码 Tab.1 Pseudo-codes used to find the last grid 最终格网子节点的查找算法( LGI) 输入: 潜航器 INS 位置ipos ,自适应格网 DDM 输出: 最终格网节点 1. 函数 LGI 开始 (位置ipos , 格网节点 Grid) ; 2. 如果格网节点 Grid不包含子节点, 输出该节点,函数结束; 3. 循环开始(遍历 Grid 的四个子节点) ; 4. 查找包含位置ipos 的子节点; 5. 如果该子节点无子节点; 6. 输出该子节点,函数结束; 7. 否则 8. 调用 LGI 函数 (位置 ,子节
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