基于ICCP算法的水下潜器地形辅助定位改进方法研究
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摘要
由于惯性导航系统(Inertial Navigation System, INS)的固有缺陷,无法满足水下潜器长时间、高精度的导航需求,而用地形辅助导航方法来修正INS的误差可以满足这一需求。
水下地形辅助导航技术不仅能保障水下潜器的隐蔽性,提供给潜器精确的位置信息、高度信息,还能提供潜器周围的地形地貌信息,具有隐蔽性好、可靠性高和白主性强的特点。
水下地形辅助导航技术的研究关键是其算法的研究,本文在详细描述了基于等值线的最近迭代点(Iterative Closest Contour Point, ICCP)算法之后,针对该算法的局限性提出几种改进方法。针对ICCP算法在寻找最近点过程中耗费了大量时间的问题,采用滑动窗口法来提高搜索的快速性,该方法采用经典的滑动窗口法的思想,在窗口的选取方面更简单,在某种程度上降低了算法的复杂性；针对ICCP算法在INS的初始匹配误差很大时容易发散的问题,本文提出将TERCOM算法、ICCP算法和卡尔曼滤波三种算法组合的方法,很大程度上增强了ICCP算法的可靠性。
考虑到组合方法在实际应用中固有局限性,本文提出一种综合方法。具体地说,若INS的初始匹配位置误差δXINS>ΨXINS,则利用TERCOM算法、ICCP算法和卡尔曼滤波三种算法组合的方法来提高匹配精度；若初始匹配误差在ICCP匹配精度容许范围内,则省略TERCOM方法的大范围搜索,直接用ICCP算法进行匹配,然后经过卡尔曼滤波器进行最优估计,进而修正INS的导航误差,这样可以提高组合方法的实时性。
最后,对ICCP算法及其改进方法进行了仿真分析,得出组合方法是有效的结论。并针对初始位置误差、测深装置误差、采样点个数和数字地图误差对ICCP算法精度的影响进行了仿真分析,得出初始位置误差越小、测深装置误差越小、数字地图噪声越小,则匹配精度越高。而采样点数并不是越多越好,采样点数在7到20之间时,匹配效果较好。最后,对地形高度熵及ICCP算法的环境适应性进行了仿真分析,得出地形信息量越大,地形高度熵值越小,则ICCP算法的匹配精度越高的结论。
The demand of underwater vehicle for long-playing and high-precision navigation is not satisfied by inertial navigation system (INS) because of the intrinsic limitation of INS. While this demand can be satisfied by terrain aided navigation.
Underwater terrain aided navigation technology can not only ensure the concealment of underwater vehicle, provide precise location information and height information, but also can provide surrounding terrain information. What's more, underwater terrain aided navigation has characteristics of good concealment, high reliability and strong self-working. The algorithm studied in underwater terrain aided system is the emphasis of this paper.
Iterative Closest Contour Point (ICCP) algorithm is depicted detailedly in this paper. And a few improvements for the limitations of the algorithm is proposed:In order to improve searching speed in finding the nearest point, the sliding window is adopted. And the way makes algorithm more simple and complexity of algorithm in selecting window is decreased; In order to solve the problem that ICCP algorithm diverges easily when the initial INS errors are large, Combinational Algorithm of TERCOM\ICCP\Kalman filter is introduced and the reliability of ICCP algorithm is largely improved.
An integrated way is developed for the limitation of the combination algorithm in practical application. IfδXINS >ΨXNS, whereδXINS is the match position errors of INS andΨXINS is the preset threshold, then the terrain contour matching algorithm is firstly used to reduce the position errors of INS, ICCP algorithm is used to get the best matching position. Two differences is used as the measurement of Kalman filter and then INS errors are corrected. If the match position errors of INS are within range of ICCP precision permitted, ICCP algorithm is used to match directly. And optimal estimation can be got by Kalman filter and INS errors can be corrected.
Finally, the simulation on the ICCP algorithm and the reliability are analyzed and the improved methods are simulated and the conclusion is obtained that the precision of combinational algorithm matching is higher than traditional algorithm.
水下地形辅助导航技术不仅能保障水下潜器的隐蔽性,提供给潜器精确的位置信息、高度信息,还能提供潜器周围的地形地貌信息,具有隐蔽性好、可靠性高和白主性强的特点。
水下地形辅助导航技术的研究关键是其算法的研究,本文在详细描述了基于等值线的最近迭代点(Iterative Closest Contour Point, ICCP)算法之后,针对该算法的局限性提出几种改进方法。针对ICCP算法在寻找最近点过程中耗费了大量时间的问题,采用滑动窗口法来提高搜索的快速性,该方法采用经典的滑动窗口法的思想,在窗口的选取方面更简单,在某种程度上降低了算法的复杂性；针对ICCP算法在INS的初始匹配误差很大时容易发散的问题,本文提出将TERCOM算法、ICCP算法和卡尔曼滤波三种算法组合的方法,很大程度上增强了ICCP算法的可靠性。
考虑到组合方法在实际应用中固有局限性,本文提出一种综合方法。具体地说,若INS的初始匹配位置误差δXINS>ΨXINS,则利用TERCOM算法、ICCP算法和卡尔曼滤波三种算法组合的方法来提高匹配精度；若初始匹配误差在ICCP匹配精度容许范围内,则省略TERCOM方法的大范围搜索,直接用ICCP算法进行匹配,然后经过卡尔曼滤波器进行最优估计,进而修正INS的导航误差,这样可以提高组合方法的实时性。
最后,对ICCP算法及其改进方法进行了仿真分析,得出组合方法是有效的结论。并针对初始位置误差、测深装置误差、采样点个数和数字地图误差对ICCP算法精度的影响进行了仿真分析,得出初始位置误差越小、测深装置误差越小、数字地图噪声越小,则匹配精度越高。而采样点数并不是越多越好,采样点数在7到20之间时,匹配效果较好。最后,对地形高度熵及ICCP算法的环境适应性进行了仿真分析,得出地形信息量越大,地形高度熵值越小,则ICCP算法的匹配精度越高的结论。
The demand of underwater vehicle for long-playing and high-precision navigation is not satisfied by inertial navigation system (INS) because of the intrinsic limitation of INS. While this demand can be satisfied by terrain aided navigation.
Underwater terrain aided navigation technology can not only ensure the concealment of underwater vehicle, provide precise location information and height information, but also can provide surrounding terrain information. What's more, underwater terrain aided navigation has characteristics of good concealment, high reliability and strong self-working. The algorithm studied in underwater terrain aided system is the emphasis of this paper.
Iterative Closest Contour Point (ICCP) algorithm is depicted detailedly in this paper. And a few improvements for the limitations of the algorithm is proposed:In order to improve searching speed in finding the nearest point, the sliding window is adopted. And the way makes algorithm more simple and complexity of algorithm in selecting window is decreased; In order to solve the problem that ICCP algorithm diverges easily when the initial INS errors are large, Combinational Algorithm of TERCOM\ICCP\Kalman filter is introduced and the reliability of ICCP algorithm is largely improved.
An integrated way is developed for the limitation of the combination algorithm in practical application. IfδXINS >ΨXNS, whereδXINS is the match position errors of INS andΨXINS is the preset threshold, then the terrain contour matching algorithm is firstly used to reduce the position errors of INS, ICCP algorithm is used to get the best matching position. Two differences is used as the measurement of Kalman filter and then INS errors are corrected. If the match position errors of INS are within range of ICCP precision permitted, ICCP algorithm is used to match directly. And optimal estimation can be got by Kalman filter and INS errors can be corrected.
Finally, the simulation on the ICCP algorithm and the reliability are analyzed and the improved methods are simulated and the conclusion is obtained that the precision of combinational algorithm matching is higher than traditional algorithm.
引文
[1]田坦编著.水下定位与导航技术.北京：国防工业出版社.2007：3-4页
[2]朱海,莫军著.水下导航信息融合技术.北京：国防工业出版社,2002：31-42页
[3]熊正南,蔡开仕,武凤德,高宏伟.21世纪美国战略潜艇导航技术发展综述.舰船科学技术.2002(6)：31-37页
[4]Department of the Navy. The Navy Unmanned Undersea Vehicle Master Plan.2000:1-11P
[5]李俊,徐德民,宋保维等.自主式水下潜器导航技术现状与展望.中国造船.2004(9)：7076页
[6]Kinsey J C, Eustice R M. A survey of underwater vehicle navigation:Recent advances and new challenges. In:Proc.7th IFAC Conference of Manoeuvring and Control of Marine Craft. Lisbon, Portugal. Invited Paper.2006:121-1125 P
[7]辛慧廷.水下地形辅助导航方法研究.西北工业大学硕士学位论文.2004：3-5页
[8]刘承香.水下潜器的地形匹配辅助定位技术研究.哈尔滨工程大学博士论文.2003：1-5页
[9]袁赣南,周卫东,刘利强,王伟编著.导航定位系统工程.黑龙江：哈尔滨工程大学出版社.2009：256-264页
[10]周永余,许江宁,高敬东编著.舰船导航系统.北京：国防工业出版社.2006：1-5页
[11]李雄伟,刘建业,康国华.TERCOM地形高程辅助导航系统发展及应用研究.中国惯性技术学报.2006(01)：34-40页
[12]Nygren Ingema. Terrain navigation for underwater vehicle. Stockholm:KTH,2005, Trita-S3-SB-0571,101-108P
[13]Golden J P. Terrain contour matching (TERCOM):a cruise missile guidance. Image Processing for Missile Guidance, Proceedings of the Society of Photo Instrumentation Engineers,1980, v238,11-17P
[14]Hostetler L D. Nonlinear Kalman filtering technique for terrain-aided navigation. IEEE Transactions of Automatic Control,1983,28(3):315-321 P
[15]张树侠,孙静编著.捷联式惯性导航系统.北京：国防工业出版社.1992：1-3页
[16]郑梓祯,刘德耀编著.船用导航系统海上试验.北京：国防工业出版社.2006：18-23页
[17]Panl J. Besl, Neil D. McKay. A method for registration of 3D shape. IEEE Transaetion on Pattern Analysis and Maehine Intelligene. 14 (2),1992:239-255P
[18]Z. Zhang. Iterative Points matching for registration of free form curve and surface.International Jounal of ComPuter Visions.13(2),1994:119-152P
[19]Yang Chen, Gerard Medioni.Object modeling by registration of multiple range image. Proe. of the international conference on Robities and automation, Califonia, Saeramento.1991:2724-2729P
[20]Berthold K. P. Horn. Closed-form solution of absolute orientation using unit quaternion. Optical Society of Ameriea.4(4),1987:631-640P
[21]Behzad Kamgar Parsi, Behrooz. Matehing sets of 3D line segment with application to Polygonal matehing. IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 19(10),1997:1092-1098P
[22]秦永元,张洪钺,汪叔华编著.卡尔曼滤波与组合导航原理.西安：西北工业大学出版社.2004：283-285页
[23]杨昆.重力场和地磁场辅助惯性导航技术研究.电子科技大学硕士论文.2009：2-5页
[24]袁信,俞济祥等编著.导航系统.北京：航空工业出版社.1993：205-220页
[25]冯庆堂.地形匹配新方法及其环境适应性研究.国防科技大学博士论文.2004：25-32,81-89页
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[27]干国强,邱致和编著.导航与定位—现代战争的北斗星.北京：国防工业出版社.2000：223-228页
[28]闫丽,崔晨风,谢洪.ICCP算法在重力匹配中的应用.理论研究.2009(1)：16-19页
[29]李豫泽,石志勇,杨云涛等.基于ICCP算法的地磁匹配定位方法.现代电子技术.2008(20)：122-127页
[30]杨晓东,王炜编著.地磁导航原理.北京：国防工业出版社.2009：86-90页
[31]魏东.重力匹配定位方法研究.哈尔滨工程大学硕士论文.2004：1-4页
[32]杨晓东,赵琳编著.舰船导航概论.北京：科学出版社.2009：15-36页
[33]张海波,杨金成.现代潜艇技术.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社,2002：1118页
[34]田峰敏.水下地形导航模型求解与导航区初选策略研究.哈尔滨工程大学博士论文.2009：4-5页
[35]周启鸣,刘学军编著.数字地形分析.北京：科学出版社.2008：4-6,55-63页
[36]刘泽慧,黄培之.DEM数据辅助的山脊线和山谷线提取方法的研究.测绘科学.2003(4)：33-36页
[37]郭艳萍.等高线的三维可视显示研究.太原理工大学硕士论文.2004
[38]杨绘弘.基于ICCP的水下潜器地形辅助导航方法研究.哈尔滨工程大学硕士论文.2009：16-30页
[39]刘学军,符锌砂.三角网数学地面模型的理论、方法现状及发展.长沙交通学院学 报.2001(2)：25-32页
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[41]刘繁明,孙枫,成怡.基于ICCP算法及其推广的重力定位.中国惯性技术学报.2004(5)：36-39页
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[44]Pulli K. Surface Reconstruction and display from range and color. PhD thesis, University of Washlngton,1997:21-58P
[45]Smith S M, Kronen D. Experimental results of an inexpensive shortbaseline Positioning system for AUV navigation. Proeeedings of the 1997 Oceans Conference.1997:714-720P
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[47]张立,杨惠珍.基于ICCP和TERCOM的水下地形匹配组合算法研究.弹箭与制导学报.2008,23(3)：230-232页
[48]J. H. Zhao, S. P. Wang, Study on Underwater Navigation System Based on Geomagnetic Match Technique. The Ninth International Conference on Electronic Measurement & Instruments.2009:255-259P
[49]谭佳琳.粒子群优化算法研究及其在海底地形辅助导航中的应用.哈尔滨工程大学博士论文.2010：112-115页
[50]赵建虎,张红梅,王爱学等.利用ICCP的水下地磁匹配导航算法.武汉大学学报.2010,35(3)：261-264页
[51]Behzad KP, Behrooz KP. Vehicle localization on gravitymaps. Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering,1999,3693:182-191P
[52]G.C. Bishop, Gravitational Field Maps and Navigational Errors. IEEE Journal of Oceanic Engineering, Vol 27 (3).2002:726-737P
[53]杨勇,王可东,吴镇等.不同参数对地形等值线匹配算法精度影响的评估分析.航空学报.2010,35(15)：996-1003页
[54]娄联堂,周成平等.基于误差随机过程无人飞行器的撞地概率计算公式.宇航学报.2003,24(2)：121-125页
[55]徐晓苏,张逸群.改进的地形熵算法在地形辅助导航中的应用.中国惯性技术学报.2008,16(5)：595-598页
[56]王伟,谢燕武,李爱军.基于地形熵和MAD的综合地形匹配算法.弹箭与制导学报.2006,26(2)：1015-1017页
[57]常青,马洪波,李言俊.地形辅助导航算法.弹箭与制导学报.2002,22(3)：85-88页
[58]王华,晏磊等.基于地形熵和地形差异熵的综合匹配算法.计算机技术与发展.2007,17(9)：26-27页
[59]冯庆堂,沈林成,常文森.基于概率数据关联的地形辅助导航算法.宇航学报,2003,24(5)：439-443页
[2]朱海,莫军著.水下导航信息融合技术.北京：国防工业出版社,2002：31-42页
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[59]冯庆堂,沈林成,常文森.基于概率数据关联的地形辅助导航算法.宇航学报,2003,24(5)：439-443页