專利名稱：一種基于匹配度的地磁輔助導航方法
技術領域：
本發明涉及基于匹配度的地磁輔助導航方法，適用于航空導航技術領域，可應用于 航空器導航定位，也可適用于水下潛器的導航定位。
背景技術：
隨著國民經濟的發展，導航定位技術已日益成為交通管制、救災救護、物流管理、 土地普査、勘測等領域不可或缺的技術手段；軍事領域的精確打擊依賴于高精度、高可 靠的導航手段，并且對自主隱蔽性提出了要求。高精度的定位技術已經成為各國日益關 注和大力發展的關鍵技術。
目前航空導航技術領域用于組合的導航手段比較豐富，主要有慣性導航、衛星導航、 地形輔助導航、重力輔助導航、地磁輔助導航等。慣性導航能夠連續輸出全部導航參數， 可完全自主工作，具有隱蔽性好、不受氣象等條件限制的特點在軍事應用領域得到廣泛 應用，但是它的初始校準時間較長，誤差會隨時間累積，難以長時間高精度工作，并且 體積大、價格昂貴。衛星導航系統精度高，是一種全球全夭候的導航系統，它具有較高 的精度但自主性較差，信號經常受到建筑物、茂密樹林等的遮擋，易受干擾甚至被攻擊， 在實際應用中會受到應用環境和其它國家的制約。地形輔助導航在平原、水面上導航效
果很差；重力輔助導航的儀器設備價格昂貴。地磁輔助導航利用磁傳感器敏感的地磁矢 量進行定位，具有體積小、成本低、隱蔽性強、中高精度、連續導航的特點，當其它導 航方式受限制時，是一種有效的導航手段。
地磁輔助導航的原理是在預先選定的載體軌道中選取某段地區上獨特性好的地磁 場為匹配區域，將其制成基準參考圖并數字化儲存在載體計算機存儲器中，當載體經過 匹配區域時，載體上的傳感器實時地測定飛行軌道上地磁場的總強度值。實時測定的磁 值與預存的地磁圖匹配區域在計算機中進行相關匹配計算，得到的匹配點序列作為載體
的估計軌跡。匹配算法是地磁輔助導航技術的關鍵技術之一。傳統的匹配方法僅利用了 地磁場要素中的總強度信息，在積累一段序列后，在地磁圖上利用輪廓特征使用MAD 或者MSD準則進行匹配定位，由于僅使用地磁要素中的單個要素進行匹配定位，會出現誤匹配的現象，而且在獲得一系列地磁場總強度值后才能進行相關定位，實時性較差。
發明內容
本發明的目的是克服傳統匹配方法中對地磁信息利用不充分的現象，充分利用了 地磁矢量的六要素進行實時定位，消除傳統匹配方法的誤匹配現象，提高匹配的實時性。
本發明的技術解決方案為 一種基于匹配度的地磁輔助導航方法，步驟如下
(1) 選擇匹配區域，分別從總強度，磁傾角，磁偏角，北向強度，東向強度，垂直強 度六幅地磁參考圖上讀取區域中位置點對應的要素值；
(2) 在匹配范圍中，計算實測地磁要素數據與區域位置點的要素值之間的關聯系數；
(3) 通過要素值熵來計算權重；
(4) 根據計算的關聯系數和權重來計算匹配度；
(5) 根據匹配度大小來確定載體的經緯度。
所述步驟(1)的要素為地磁要素中的總強度、磁傾角、磁偏角、北向強度、東向 強度和垂直強度。
所述步驟(2)的關聯系數為灰度關聯系數，關聯系數《(/)的計算方法為
+<formula>formula see original document page 6</formula>《.=!- K; !，(i ",2，…,薩;j' = 1,2，...,6) 式中，A咖表示M。C/)與MiC/)序列絕對差中的最小值；A鵬表示MQ(y')與M,(力序
列絕對差中的最大值；Ai。(L/)表示M。C/)與M,C/)序列之間的絕對差；p表示分辨率，取
值范圍為Pe(G，1)， 一般取0.1 0.5; m^表示匹配區中包含的候選匹配位置點總個數；& 為實際導航要求的經度允許誤差指標，s,為實際導航要求的緯度允許誤差指標；AZ為 地磁圖經度方向網格大小，A義為地磁圖緯度方向網格大小；M。(刀表示由M;組成的參 考值；M,C;')表示匹配區域第i個位置對應的第j個屬性值；M^表示歸一化后的屬性值；M;. 表示各個要素中的最優值；Ky.,J = l,2,...,6為總強度、磁傾角、磁偏角、北向強度、 東向強度和垂直強度六幅地磁參考圖中位置點(A,A)對應的地磁要素值，《；為第j個特
性要素下的實測地磁值，《;表示尺y與尺；序列之間的絕對差，x;^表示《;序列中的最
大值；《f表示《序列中的最小值。
所述步驟(3)中權重^.，;' = 1，2...，6的計算方法為<formula>formula see original document page 7</formula>
式中，^表示第j個要素下各個比較序列貢獻度的不一致程度；^表示第i個位置在 第j個要素的貢獻總量；/7y.表示匹配區域中第i個位置在第J:個要素的貢獻度；^為實際導 航要求的經度允許誤差指標，^為實際導航要求的緯度允許誤差指標。AI為地磁圖經 度方向網格大小，A/l為地磁圖緯度方向網格大小，《表示i^.與i^序列之間的絕對差； 尤^/ = 1,2,...,6為總強度、磁傾角、磁偏角、北向強度、東向強度和垂直強度六幅地 磁參考圖中位置點OL,，A,)對應的地磁要素值，《；為第j個特性要素下的實測地磁值；
""m表示匹配區中包含的候選匹配位置點總個數。 所述步驟(4)中匹配度/7,的計算方法為
—" 〃<formula>formula see original document page 8</formula>上式中，丐表示第j要素的權重在權重序列^.,y、l,2,…,6中的排序數，^表示第j要
素關聯系數在關聯系數序列《C/),7'-l,2,…,6中排序數。為實際導航要求的經度允許誤
、
差指標，^為實際導航要求的緯度允許誤差指標。AZ為地磁圖經度方向網格大小，A義 為地磁圖緯度方向網格大小。
所述步驟(5)中載體經緯度的確定方法為最大匹配度相應的位置i所對應的經緯度 (丄,，A,)為匹配點，即基于匹配度的地磁輔助導航方法計算的載體的位置。
本發明的原理是地球表面上存在的地磁場是一個矢量場，其特征和所有磁場一樣
可以通過六個要素來表示，如圖2所示。地磁坐標系取x軸沿地理子午線的方向，指向 地理正北，y軸沿緯圈的方向，指向地理正東；z軸垂直向下，以向下為正，xoy所在的 平面為水平面。地磁場矢量相對于坐標系占據方位OA。矢量在x軸上的投影稱為北向 分量，在y軸上的投影稱為東向分量，在z軸上的投影稱為垂直分量，各個分量的大小 為強度，并用X、 Y、 Z來分別表示，則X表示北向強度，Y表示東向強度，Z表示垂 直強度。矢量在水平面上的投影稱為水平分量H，矢量所在的垂直平面zOB稱為磁子午 面，而地理子午面與磁子午面之間的夾角(xOB)稱為磁偏角D。水平面與地磁矢量之間 的夾角AOB稱為磁傾角I。由上述定義可以知道地磁矢量由北向東的磁偏角為正磁偏角， 由北向西的磁偏角為負磁偏角。當地磁矢量由地表指向下方時，傾角I為正，在北半球 是這樣，而在南半球矢量指向上方，傾角I為負。飛行載體將預先選定的軌道中某段地 區的地磁場六要素——總強度，磁傾角，磁偏角，北向強度，東向強度，垂直強度分別 制成地磁要素參考圖并儲存在計算機存儲器中，當載體飛越匹配區時，載體上的傳感器 實時測量匹配區中地磁場的六個要素值。實時測定韻六個地磁要素值與預存的地磁參考 圖匹配區域中位置點相應的要素值在計算機中計算關聯系數。
本發明中的關聯系數選取灰度關聯系數。地磁輔助導航的基本原理就是在匹配區中 憑借實測地磁信號與載體存儲地磁圖的相似關系尋找最佳匹配點。灰色系統理論中的灰 色關聯系數依靠信息覆蓋描述、分析、綜合、處理信息不完全、不確定的灰對象，是評
價相似關系的重要指標。考慮到六個要素特性不同，因此在輔助導航中的權重是不同的， 所以需要計算各個要素的權重來反映各個要素的重要性從而修正關聯系數，本發明通過 要素值的熵來客觀地反映出各個要素在導航中所起的作用，最后根據關聯系數和權重計 算出匹配度，匹配度可以合理地反映實測地磁場矢量與存儲的匹配區地磁矢量之間的相 似關系，匹配度最大值對應的地磁圖位置點即匹配點，從而精確確定載體的實時位置。
本發明與現有技術相比的優點在于
(1) 本發明充分利用了地磁場矢量信息進行矢量定位，消除了傳統的匹配方法利 用地磁場總強度序列值輪廓匹配帶來的誤匹配現象，達到精確定位的效果。
(2) 本發明中的定位是在采集完一個地磁矢量信息之后就在地磁圖匹配區利用匹 配度進行定位，實時性好。
圖1為本發明的一種基于匹配度的地磁輔助導航方法的設計流程圖。
圖2為地磁場六要素分量。
具體實施例方式
選取實例的導航要求的經度允許誤差指標^為0.001度，緯度允許誤差指標s,為 0.001度，實例選取的地磁圖經度方向網格大小AI為0.0002度，緯度方向網格大小AA為 0.0002度。
如圖1所示，本發明的具體方法如下
(1)選擇匹配區域，分別從總強度，磁傾角，磁偏角，北向強度，東向強度，垂 直強度六幅地磁參考圖上讀取區域中位置點對應的要素值。
根據慣性測量單元測量數據實時捷聯解算載體的經緯度ii。匹配區域為以慣導計
算出的i，i為中心，邊長為0.002度><0.002度的矩形區域。在匹配區中的每個位置點 ",;ij,l^^m/w都是候選匹配位置，匹配區中包含的候選匹配位置點總個數
0.0020.002 1An 0.0002 0.0002
六幅地磁參考圖存儲在載體計算機中，通過程序讀取各幅參考圖中位置點(A，義,)對 應的地磁要素iy-U…,KXV:H,6, i^為總強度，《2為磁傾角，《3為磁偏角，《4為
北向強度，《5為東向強度，《6為垂直強度。
(2) 在匹配區域中，計算實測地磁數據與區域位置點的要素值之間的關聯系數。
《為第j個特性要素下的實測地磁值，對匹配區域中各個位置點的要素值進行規范 化處理如下
<formula>formula see original document page 10</formula>式(2)中，AT^-mp^^h^rn-^n^^hy-H—^c
計算(MJ每個要素的關聯系數，記M^mpcy^，^U，…100;y-l，2，…，6)，則M;表示
各個要素中的最優值，取由^<組成參考值^()(/) = {^1<|/ = 1,2，...，6}，將匹配區域第i個 位置對應的菊個屬性值似,:(;/)=何!/|/ = 1,2,...,6},(/ = 1,2,...，",)作為比較序列，則M。(力 與M,(/)在第j個要素下的關聯系數《C/)計算如下
<formula>formula see original document page 10</formula> (3)
式 (3 ) 中-^nmjnlMoC/) — ^,(川，厶她=加嚴孤"1 M。C/)—M (川，
A,。(/HAC/)-^(川，分辨率/ e(0,1)，分辨率P的作用是提高關聯系數之間的差異顯 著性， 一般取0.1~0.5，本實例取0.4。
(3) 通過要素值熵來計算權重。 匹配區域中第i個位置在第j個要素的貢獻度A計算如下
<formula>formula see original document page 10</formula>
這種貢獻度包括一種信息內容，可以用熵^來表示第i個位置在第j個要素的貢獻總
量，計算如下 本實例中，式(5)中常數k一般取為A = ~~L_，可以保證五e
。
ln圃 7
第j個要素下各個比較序列貢獻度的不一致程度《計算如下 《=1-￡" (7 = 1,2,3,...， 6) (6) 計算權重如下-
w,^",G-l,2，3,…,6) (7)
(4) 根據計算的關聯系數和權重來計算匹配度。 將每個地磁要素的權重,,(_/ = 1,2，, 56)由大到小組成權重序列，根據非參數統計理
論，由各要素的關聯系數《(刀與權重序列^計算匹配度/7,.
i(")2
;;,=1—尸1 %——,(/-1，2"..局 (8)
式(8)中，^表示第j要素的權重^在權重序列中的排序數，^表示第j要素關聯系 數在關聯系數序列《(/),/-1,2,...,6中排序數。
(5) 根據匹配度7,大小來確定載體的經緯度。
式(8)計算的匹配度7,范圍為[-l， l]。當匹配度/7,取最大值也就是7,=1時，表示 權重與關聯系數之間的秩次完全符合；當匹配度仏取最小值也就是仏=-1時，表示兩者 之間的秩次完全相反，呈負相關；當匹配度/7,中間值也就是/7,=0時，表示兩者之間的秩 次完全無關。顯然，7,值越大，權重與關聯系數之間相關性越好，所以，7,由大到小的順 序就是匹配區域中位置點對應的地磁要素值與磁傳感器實測量地磁要素值之間相似程 度由優到劣的次序。7,最大值相應的位置i所對應的經緯度(A，義,)為匹配點，即基于匹 配度的地磁輔助導航方法計算的載^^御位置。
權利要求
1、一種基于匹配度的地磁輔助導航方法，其特征在于包括以下步驟(1)選擇匹配區域，分別從六幅地磁參考圖上讀取區域中位置點對應的要素值；(2)在匹配區域中，計算實測地磁要素數據與區域位置點的要素值之間的關聯系數；(3)通過要素值熵來計算權重；(4)根據計算的關聯系數和權重計算匹配度；(5)根據匹配度大小確定載體的經緯度。
2、 根據權利要求l所述的基于匹配度的地磁輔助導航方法，其特征在于所述步驟(1) 的要素為地磁要素中的總強度、磁傾角、'磁偏角、北向強度、東向強度和垂直強 度。
3、 根據權利要求l所述的基于匹配度的地磁輔助導航方法，其特征在于所述步驟(2) 的關聯系數為灰度關聯系數。
4、 根據權利要求l所述的基于匹配度的地磁輔助導航方法，其特征在于所述步驟 (2)中關聯系數《C/)的計算方法為<formula>formula see original document page 2</formula>式中，Amm表示M。(y')與M,(力序列絕對差中的最小值；A自表示M。(力與M,(力序 列絕對差中的最大值；A,。G)表示M。(y)與M,(力序列之間的絕對差；p表示分辨率，取值范圍為^e^1)， 一般取0.1 0.5;做m表示匹配區中包含的候選匹配位置點總個數；^ 為實際導航要求的經度允許誤差措標，s,為實際導航要求的緯度允許誤差指標；M為 地磁圖經度方向網格大小，A乂為地磁圖緯度方向網格大小；M。C/)表示由M;組成的參 考值；M,.C;')表示匹配區域第i個位置對應的第j個屬性值；^.表示歸一化后的屬性值；M; 表示各個要素中的最優值；,^/ = 1，2,...,6為總強度、磁傾角、磁偏角、北向強度、東向強度和垂直強度六幅地磁參考圖中位置點(A，;i,)對應的地磁要素值，《；為第j個特性要素下的實測地磁值，《表示i^與^^序列之間的絕對差，i^"表示^^序列中的最大值；Kf表示《序列中的最小值。
5、根據權利要求I所述的基于匹配度的地磁輔助導航方法，其特征在于所述步驟 (3)中權重^.的計算方法為<formula>formula see original document page 3</formula>式中，《表示第j個要素下各個比較序列貢獻度的不一致程度；^表示第i個位置在 第j個要素的貢獻總量；^表示匹配區域中第i個位置在第j個要素的貢獻度；^為實際導 航要求的經度允許誤差指標，e,為實際導航要求的緯度允許誤差指標；AL為地磁圖經 度方向網格大小，A;i為地磁圖緯度方向網格大小，^^表示K^與i^序列之間的絕對差； i^.,y' = l,2,...，6為總強度、磁傾角、磁偏角、北向強度、東向強度和垂直強度六幅地 磁參考圖中位置點(j;，;i,)對應的地磁要素值，《；為第j個特性要素下的實測地磁值；m^表示匹配區中包含的候選匹配位置點總個數。
6、根據權利要求l所述的基于匹配度的地磁輔助導航方法，其特征在于所述步驟 (4)中匹配度/7,的計算方法為 <formula>formula see original document page 4</formula>式中，",表示第j要素的權重在權重序列 "、l，2，…,6中的排序數，^表示第j要素 關聯系數在關聯系數序列《C/)，y",2,…,6中排序數，。為實際導航要求的經度允許誤差指標，f為實際導航要求的緯度允許誤差指標；al為地磁圖經度方向網格大小，a義為 地磁圖緯度方向網格大小。
7、根據權利要求l所述的基于匹配度的地磁輔助導航方法，其特征在于所述步驟(5)中載體經緯度的確定方法為最大匹配度相應的位置i所對應的經緯度(丄,，義,)。
全文摘要
一種基于匹配度的地磁輔助導航方法，涉及一種地磁匹配導航算法，該方法根據灰度關聯系數和地磁要素的權重計算匹配度，以此衡量匹配區域中位置點對應的地磁要素值與磁傳感器實測量地磁要素值之間相似程度從而判斷匹配區域中的匹配點，最終進行匹配定位。與傳統的輪廓匹配算法相比，該方法充分利用地磁場矢量信息進行矢量定位，消除了傳統匹配算法可能出現的誤匹配現象，實現精確定位，實時性好。
文檔編號G01C21/20GK101354253SQ200810119969
公開日2009年1月28日 申請日期2008年9月19日 優先權日2008年9月19日
發明者馮浩楠, 房建成, 韓曉英, 黃學功 申請人:北京航空航天大學