基于参数化运动模型的惯性/地磁匹配理论研究

The long-time and high-accuracy autonomous navigation can be obtained by the inertial/geomagnetic integrated navigation system, which combines the advantages of the two systems. According to correlation criterion, the optimal result is obtained by traversing all sequences parallel to the INS track in valid range. The correlation matching algorithm is constrained by the search range and the search step length with poor real-time performance. And the correlation matching algorithm can only correct position errors of INS with the low accuracy. In this project, the parameterized motion model of the matching tracks is established by considering the inertial navigation system errors of position, heading, velocity and angular velocity. The search criterion is translated into a mathematical model, and by introducing the correlation criterion, a numerical iterative method takes the place of the traversal method. On this basis, robust matching theory is investigated to improve the matching reliability by considering geomagnetic diurnal variation and outliers. And real-time performance of matching algorithms is improved by hierarchical search strategy of the inertial/geomagnetic matching. The project aims to put forward a new inertial/geomagnetic matching theory based on parameterized motion model to meet the challenge of accuracy, reliability, real-time performance, and to lay a foundation for its further applications.

惯性/地磁组合导航可以实现两种导航方式的优势互补，达到长时间、高精度自主导航的目的。传统的相关性匹配方法要求遍历有效范围内所有平行于惯导系统轨迹的序列，并依据相关性准则确定最优匹配结果。算法的计算效率受到搜索范围和搜索步长的制约，实时性差；而且算法只能修正惯导系统的位置误差，匹配精度差。本项目综合惯导系统的位置误差、航向误差、速度误差和角速度误差，建立匹配轨迹之间的参数化运动模型。将遍历搜索准则转化为数学模型，结合相关性准则，以数值迭代方法替代遍历的求解手段。在此基础上，研究地磁日变和粗差数据影响下的稳健匹配理论，改善算法的可靠性；并采用分层搜索策略提高匹配计算效率。本项目的宗旨是提出一种新的基于参数化运动模型的惯性/地磁匹配理论，从根本上解决匹配算法中精度、可靠性和实时性三个关键问题，为惯性/地磁导航技术在实际系统中的广泛应用奠定基础。

惯性/地磁组合导航可以实现两种导航方式的优势互补，达到长时间、高精度自主导航的目的。传统的相关性匹配方法要求遍历有效范围内所有平行于惯导系统轨迹的序列，并依据相关性准则确定最优匹配结果。算法的计算效率受到搜索范围和搜索步长的制约，实时性差；而且算法只能修正惯导系统的位置误差，匹配精度差。在项目执行期间，项目负责人及课题组成员在前期工作基础上，对国内外在惯性/地磁组合导航的相关研究进行了充分调研，开展了基于参数化运动模型的惯性/地磁匹配理论、基于参数化运动模型的惯性/地磁稳健匹配理论、基于参数化运动模型的惯性/地磁匹配快速迭代方法等研究，完成了项目计划的研究内容。建立了匹配轨迹和参考轨迹间的参数化运动模型；提出了基于迭代计算的地磁轮廓线匹配算法和基于仿射参数估计的地磁匹配导航算法，提高了惯性/地磁匹配导航的定位精度；针对地磁日变对匹配精度和可靠性的影响，提出了地磁日变影响下的地磁匹配算法；针对粗差数据对匹配精度和可靠性的影响，提出了抗粗差数据的地磁匹配算法；提出了基于参数化运动模型的惯性/地磁匹配快速迭代策略，提高了惯性/地磁匹配算法的实时性。项目提出了一套新的基于参数化运动模型的惯性/地磁匹配理论，从根本上解决了匹配算法中精度、可靠性和实时性三个关键问题，为惯性/地磁导航技术在实际系统中的广泛应用奠定了基础。