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1、国防科学技术大学硕士学位论文地磁匹配导航算法研究姓名：吕云霄申请学位级别：硕士专业：控制科学与工程指导教师：胡小平2010-11国防科学技术大学研究生院硕士学位论文第i页摘要地磁导航是利用地磁场特征进行匹配定位的重要军事导航技术，在远程跨海式飞航导弹、潜艇等高技术武器装备中具有较好的应用前景。地磁匹配技术是地磁导航的关键技术。目前，已经有一些较为成熟的地磁匹配算法得到应用，但这些算法多是借鉴地形匹配的算法思想。而地磁场作为保守力场，与地形场有着本质的区别，为此，本文针对地磁匹配算法展开研究，旨在打破思维定势，寻找新的高效的地磁匹配算法及地磁匹配区域的选择方法。本文的研究成果归纳如下：（1）通过
2、分析地磁场的物理特征，简要分析了地磁场的构成，描述了地磁场的高斯全球地磁场模型及局部区域地磁场模型；介绍了地磁图的基本概念、数字化地磁图的构建方法；搭建了地磁图匹配系统，并介绍了地磁匹配原理，为开展地磁匹配导航算法研究做好了理论铺垫。（2）研究了基于支持向量机的地磁匹配区域选取准则，为正确选择合适区域进行地磁匹配导航算法研究提供了理论依据。论文首先研究了基于支持向量机的地磁匹配区域选取准则；定义了地磁标准差、地磁费歇信息量、地磁编码失真量、地磁粗糙度等地磁特征参数；介绍了支持向量机分类器的设计原理，以训练样本特征参数组成的特征向量为支持向量机的样本输入，对支持向量机分类器进行了分类训练，利用测
3、试样本的特征向量对分类效果进行了验证，并利用训练好的支持向量机分类器，从六块待选匹配区中为后续研究地磁匹配导航算法选择了实验区，实验证明了该方法的有效性。（3）在分析离散地磁信号的频域特征和离散信号的随机噪声模型的基础上，研究了空域频域结合的地磁匹配算法；详细介绍了该算法的实现步骤，重点介绍了初始搜索区域的选择方法、待匹配轨迹的生成及频域相关搜索策略；利用实测的地磁数据，通过离线实验证明了空域频域结合地磁匹配算法的可行性，并对其抗噪性、鲁棒性及实时性进行了分析研究。（4）针对传统匹配算法在修正惯导系统航向角误差、速度误差方面的缺陷，论文研究了基于遗传搜索策略的仿射运动变换地磁匹配算法。根据惯导
4、系统误差积累特点建立了仿射运动变换模型，简要介绍了遗传算法的基本原理，并利用遗传算法对仿射运动变换模型参数进行搜索。研究证明基于遗传搜索的仿射运动变换地磁匹配算法对于惯导系统的航向角误差、位置误差、速度误差等有较好的修正作用，利用遗传算法搜索仿射运动变换参数，搜索效率得到了提高。主题词：地磁匹配空域频域结合地磁匹配算法仿射运动变换模型遗传搜索策略支持向量机分类器地磁特征参数国防科学技术大学研究生院硕士学位论文第iii页ABSTRACTGeomagneticAidedNavigation（GAN）isanimportantmilitarynavigationtechniquebyusinggeo
5、magneticfeatureandithasbetterapplicationinhightechweaponssuchascruisemissileunderwatervehiclesandsoon.GeomagneticmatchingisakeytechniqueinGAN.Atpresenttherearesomealgorithmshavebeenderivedforgeomagneticmatchingwhichtaketerrainmatchingsasreference.Howeverasaconservativeforcefieldgeomagneticfieldisdif
6、ferentfromterrainfieldconstitutionally.Thisthesisinvestigatessomenewgeomagneticmatchingalgorithms.Themaincontentsandcontributionsincludethefollowingaspects.1.Byanalyzingthephysicalcharacteristicsofthegeomagneticfieldthethesisintroducesthecompositionofthegeomagneticfieldbrieflyaswellastheglobalmodels
7、andregionalmodelsdescribingthegeomagneticfield.Theconceptionofgeomagneticmapandtheconstructingareintroduced.Afterthatthethesisbuildsupgeomagneticmatchingsystemandstudiesgeomagneticmatchingprinciplewhichsetsthebasisforthestudyofgeomagneticalgorithms.2.Forchoosingsuitablegeomagneticareastoresearchgeom
8、agneticmatchingalgorithmsselectingofmatchingareabasedonsupportvectormachineisstudied.Bydefininggeomagneticcharacteristicparameterssuchasgeomagneticstandardvariancefisherinationcontentcodedistortiongeomagneticcoarsenessandsoonthethesisinvestigatestheforselectingsuitablematchingareabyusingthesupportve
9、ctormachine.Thedesignprincipleofsupportvectormachineisintroduced.Thenusingthemeasuredparametersasfeaturevectorsofthetrainingsetthethesispickessuitablekernelfunctionandparametersofkernelfunctiontoclassifythematchingareasandnon-matchingareas.Atlastbyusingthetestingsettheclassifiedeffectistested.Thisst
10、udyselectedasuitablematchingareatoanalyzegeomagneticmatchingalgorithms.3.BasedondescribingthefeatureofgeomagneticsignalinfrequencyandthenoisemodeltheSpatialFrequencydomainMatching(SFM)isstuied.Theprocessofthealgorithmelectingoftheinitialsearchingareaproduceofthependingmatchinglocusandthematchingstra
11、tegyinfrequencyarestudied.UsingthegeodesicgeomagneticdatatheSFMistestedandtheantinoisepropertyrobustnessandReal-timepropertyofTFMareanalized.4.Affinetransationgeomagneticmatchinglocalizationbasedongenetic-searchingstrategyisresearched.Thisthesisbuildsupaffinetransationmodelaccordingtotheerrormodelof
12、theinertialnavigationsystemintroducestheprincipleofgenetic-searchingstrategyandsearchestheparametersoftheaffinetransationmodelbasedonthestrategy.Simulationsandexperimentsaredesigned国防科学技术大学研究生院硕士学位论文第iv页touatethealgorithm.Theresultsshowthatthealgorithmcansolvegeomagneticmatchinglocalizationsatisfact
13、orilywithlimitingthepositionyawandvelocityerrors.Thesearchingefficiencyisimprovedbyusingthegenetic-searchingstrategy.KeyWords：GeomagneticmatchingSpatialFrequencydomainMatchingAffinetransationmodelSupportvectormachineGeomagneticcharacteristicparameter国防科学技术大学研究生院硕士学位论文第III页表目录表2.1常用相关性准则.15表3.1实验分类结果.22表3.2待匹配区域的地磁特征参数表.22表3.3待匹配区域的匹配概率及分类结果.22表4.1仿真参数.34表4.2空域频域结合地磁匹配定位结果.35表4.3存在粗大误差的定位结果.37表5.1仿真参数表.47表5.2遗传搜索结果.48表A.1训练样本地磁特征信息表.63表A.2测试样本地磁特征参数表.67国防科学
