水下地磁导航适配性研究

发布时间：2017-09-06 09:26

  本文关键词：水下地磁导航适配性研究

  更多相关文章： 适配性 适配区 适配方向 地磁导航 潜航器 水下 地磁图 适配特征 匹配概率

【摘要】：潜航器是人类探索和开发海洋的重要工具。随着潜航器趋于深海远航程方向的发展,水下长航时高精度自主导航已成为发展潜航器亟待解决的瓶颈技术之一。地磁导航具有全天候、全地域、无辐射、高隐蔽性以及误差不随时间等优点,将地磁导航同惯性导航进行组合可以有效满足潜航器的导航任务需求。地磁导航的核心在于获取精准的匹配位置信息,而匹配精度不仅与所采用的匹配算法有关,还与地磁图的适配性有着重要的关系。本文针对水下地磁导航中的适配性问题展开研究,目的在于选取出高可靠性的地磁适配区和地磁适配方向,并进一步为潜航器的导航定位提供支持。首先,结合水下环境以及地磁导航特点对水下地磁导航适配性问题的约束条件进行分析,并进一步建立了水下地磁导航适配性问题的基本框架。接着从该框架出发,针对适配性问题的研究前提进行了讨论:一方面从惯性导航系统误差传播的角度建立了候选匹配区的尺寸模型;另一方面构建了基本适配特征体系,给出了适配性评价指标匹配概率的合理定义,并在此基础上建立了面向地磁适配性分析的数据库。然后,重点研究了地磁区域适配性和方向适配性的分析方法,主要内容如下:(1)提出了基于基因表达式编程的地磁进化合成特征构建方法将合成特征同匹配概率之间的相关系数作为基因表达式编程的适应度函数,并通过模仿生物学的遗传过程使合成特征不断进化,最终将基因表达式编程搜索得到的基本适配特征的最优组合作为地磁进化合成特征。该方法在特征合成时可以实现对基本适配特征的自适应选取,同时还能够生成丰富的合成特征数学构型,为此所构建的进化合成特征能够有效融合各基本适配特征的内在优势。实验结果表明,构建的进化合成特征具有较好的稳健性,经其优选出的适配区具有较高的平均匹配概率。(2)提出了候选匹配区自组织优化分类方法将候选匹配区的分类问题统一在模式识别的框架下,利用遗传算法和支持向量机实现对候选匹配区的自组织优化分类。其中,将支持向量机用作候选匹配区的分类器,而遗传算法则用于自组织选取利于分类的最优特征子集以及优化支持向量机参数;同时,为满足实际问题需求,还引入一对一策略用以解决候选匹配区的多分类问题。实验结果表明,利用遗传算法从特征选择和参数优化两个角度同时对支持向量机进行优化,可以显著提高候选匹配区的分类正确率,并且得到的分类结果还具有较低的误判风险。(3)提出了面向地磁方向适配性分析的层次决策方案首先,利用Gabor滤波和灰度共生矩阵分别从频域和空域的角度对候选匹配区的方向适配性进行了分析;与此同时,通过对Gabor滤波和灰度共生矩阵参数的合理设定,使得提取出的方向适配特征与方向匹配概率之间具有较好的一致性;然后,利用自适应神经模糊推理系统建立了Gabor滤波和灰度共生矩阵之间的互补模型,并进一步构建了面向地磁方向适配性分析的层次决策方案。实验结果表明,构建的决策方案是有效的,它可以根据给定候选匹配区的特点自适应地选择恰当的方向适配性分析方法,并且能够获得比单独使用Gabor滤波或者灰度共生矩阵更优的分析结果。最后,在上述理论研究成果的基础上,进行了水下地磁导航适配性分析综合仿真实验。一方面分析了向下延拓对地磁图适配性的影响,并指出向下延拓会使地磁图的适配性能得到一定程度的提升;另一方面,利用论文提出的适配性分析方法进行了适配区和适配方向的选取实验,结果表明优选出的适配区和适配方向具有较高的匹配概率,在所选区域和方向上进行地磁匹配可以获得较为理想的定位精度。另外,还结合水下地磁导航实际,提出了适配性约束下的航迹规划策略,生成的航迹既能够保证潜航器成功规避威胁,同时还可以满足潜航器的运动约束使其顺利通过适配区。以上实验结果进一步验证了论文所提适配性分析方法的有效性,相关研究结论可以为地磁匹配和航迹规划等任务提供有益的指导。
【关键词】：适配性 适配区 适配方向 地磁导航 潜航器 水下 地磁图 适配特征 匹配概率
【学位授予单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U675.7
【目录】：

• 摘要12-14
• ABSTRACT14-17
• 第一章 绪论17-31
• 1.1 研究背景和意义17-19
• 1.1.1 研究背景17-18
• 1.1.2 研究意义18-19
• 1.2 研究现状及评述19-27
• 1.2.1 地磁导航技术研究现状19-20
• 1.2.2 适配性问题研究现状20-25
• 1.2.3 研究现状评述25-27
• 1.3 研究内容与主要贡献27-29
• 1.3.1 论文研究内容27-28
• 1.3.2 论文主要贡献28-29
• 1.4 论文组织结构29-31
• 第二章 水下地磁导航适配性问题综合分析31-51
• 2.1 引言31
• 2.2 水下地磁导航适配性问题约束条件分析31-34
• 2.2.1 地磁基准图制备31-32
• 2.2.2 构图要素选取32
• 2.2.3 地磁匹配算法32-33
• 2.2.4 惯性导航系统精度33
• 2.2.5 潜航器运动约束33
• 2.2.6 水下地磁图获取33-34
• 2.3 水下地磁导航适配性问题基本框架34-35
• 2.4 候选匹配区尺寸建模35-40
• 2.4.1 问题分析35-36
• 2.4.2 候选匹配区尺寸模型构建36-39
• 2.4.3 算例分析39-40
• 2.5 面向地磁适配性分析的数据库构建40-50
• 2.5.1 基本适配特征40-45
• 2.5.2 匹配概率45-49
• 2.5.3 数据库构建49-50
• 2.6 本章小结50-51
• 第三章 基于基因表达式编程的地磁进化合成特征构建51-77
• 3.1 引言51-52
• 3.2 地磁进化合成特征构建问题分析52-53
• 3.3 基于基因表达式编程的地磁进化合成特征构建策略53-62
• 3.3.1 合成特征基因编码53-54
• 3.3.2 合成特征进化过程54-59
• 3.3.3 进化适应度函数59-60
• 3.3.4 进化合成特征构建方法60-62
• 3.4 地磁进化合成特征性能评估实验62-75
• 3.4.1 实验环境配置62-64
• 3.4.2 实验验证与分析64-69
• 3.4.3 合成特征性能比较69-73
• 3.4.4 进一步讨论73-75
• 3.5 本章小结75-77
• 第四章 候选匹配区自组织优化分类方法77-99
• 4.1 引言77
• 4.2 候选匹配区自组织优化分类问题分析77-79
• 4.3 候选匹配区分类器：支持向量机79-81
• 4.3.1 支持向量机分类性能影响因素79-81
• 4.3.2 候选匹配区多分类策略81
• 4.4 基于GA-SVM的候选匹配区自组织优化分类方法81-86
• 4.4.1 面向候选匹配区自组织优化分类的遗传算法设计81-85
• 4.4.2 候选匹配区自组织优化分类方法：二分类情形85
• 4.4.3 候选匹配区自组织优化分类方法：多分类情形85-86
• 4.5 自组织优化分类方法性能评估实验86-97
• 4.5.1 实验环境配置87-89
• 4.5.2 实验验证与分析89-92
• 4.5.3 分类方法性能比较92-95
• 4.5.4 进一步讨论95-97
• 4.6 本章小结97-99
• 第五章 面向地磁方向适配性分析的层次决策方案99-125
• 5.1 引言99
• 5.2 地磁方向适配性问题分析99-101
• 5.2.1 方向匹配概率100
• 5.2.2 问题描述100-101
• 5.3 基于Gabor滤波的地磁方向适配性分析101-106
• 5.3.1 Gabor方向特征提取101-102
• 5.3.2 面向地磁方向适配性分析的Gabor滤波器频域设计102-106
• 5.4 基于灰度共生矩阵的地磁方向适配性分析106-111
• 5.4.1 灰度共生矩阵方向特征提取106-109
• 5.4.2 灰度共生矩阵参数对方向适配特征性能的影响分析109-110
• 5.4.3 面向地磁方向适配性分析的特征融合110-111
• 5.5 地磁方向适配性分析层次决策方案111-115
• 5.5.1 Gabor滤波和灰度共生矩阵的互补关系分析112
• 5.5.2 基于自适应神经模糊推理系统的互补模型构建112-115
• 5.5.3 层次决策方案115
• 5.6 层次决策方案性能评估实验115-124
• 5.6.1 实验环境配置116-118
• 5.6.2 实验验证与分析118-121
• 5.6.3 基于不同建模方法的层次决策方案性能比较121-122
• 5.6.4 进一步讨论122-124
• 5.7 本章小结124-125
• 第六章 水下地磁导航适配性分析综合仿真实验125-141
• 6.1 引言125
• 6.2 地磁场向下延拓对适配性的影响125-127
• 6.3 水下地磁导航适配区选取及结果检验127-134
• 6.3.1 基于进化合成特征的地磁适配区选取及结果检验127-129
• 6.3.2 基于自组织优化分类器的地磁适配区选取及结果检验129-132
• 6.3.3 区域适配性分析方法的应用策略132-134
• 6.4 水下地磁导航适配方向选取及结果检验134-137
• 6.4.1 基于层次决策方案的地磁适配方向选取134-135
• 6.4.2 地磁适配方向选取结果检验135-137
• 6.5 适配性约束下的水下地磁导航航迹规划应用算例137-139
• 6.5.1 水下地磁导航航迹规划的约束条件137-138
• 6.5.2 适配性约束下的水下地磁导航航迹规划策略138-139
• 6.5.3 算例分析139
• 6.6 本章小结139-141
• 第七章 总结与展望141-145
• 7.1 论文工作总结141-142
• 7.2 进一步研究展望142-145
• 致谢145-147
• 参考文献147-159
• 作者在学期间取得的学术成果159-161
• 附录A 基于最大离差和最大熵的多属性决策方法161-163
• 附录B Tikhonov-Lcurve向下延拓算法163-165
• 附录C 基于粒子群优化算法的水下地磁导航航迹规划方法165-166

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本文编号：802305