融合重力/测高卫星和海洋观测多源数据提高水下惯性/地形组合导航精度的理论与方法研究

This project plans to carry out the researches on the theory and method of the accuracy improvement in the underwater inertial/terrain integrated navigation based on the multiple data from the gravity/altimetry satellite and ocean observation by following closely the latest hotspot of the international underwater terrain matching navigation, aiming to meet the urgent requirements for the science and national defence..Firstly, the new spherical shortest arc attitude control method will be developed by combining the law of the shortest arc in spherical geometry with the principle of the attitude control in aerospace/maritime area, aiming to improve the accuracy of the underwater heading control..Secondly, the new adaptive local grid similarity threshold method based on topography similarity precision index will be presented, and the high precision digital water depth model with adaptive grid will be established, aiming to improve the accuracy of the seabed terrain reference model..Thirdly, the new adaptive probability weighted multi-criteria decision making method will be built through integrating the characteristics of the strong generalizability in theoretical model and the high accuracy in statistical analysis model, aiming to select optimal suitable morphologic regions for improving the accuracy of the underwater terrain matching navigation..Fourthly, the underwater terrain related matching algorithm suitable for adaptive digital depth model will be developed by combining two algorithms which are respectively based on the differences of the measured depth and model depth in mean square error and the similarity of them in median error..Finally, the accuracy of the underwater terrain matching navigation will be improved by the combination of the above four methods based on the multiple data from the gravity/altimetry satellite and ocean observation.

本项目紧跟国际水下地形匹配导航的最新热点，以满足我国迫切提出的科学和国防需求为导向，预期开展联合卫星和海洋多源数据提高水下惯性/地形组合导航精度的理论与方法研究。第一，联合几何学中的球面最短弧法则和航天/航海学中的姿态控制原理，构建新型球面最短弧姿态控制法，旨在提高水下航向控制精度；第二，基于以地形相似性为指标，提出新型地形自适应调整指标阈值确定法，构建高精度自适应格网数字水深模型，旨在提高海底地形基准图精度；第三，结合理论模型可推广性强和统计分析模型准确率高的特点，构建新型自适应概率加权多准则决策法，旨在通过优选适配性强的地形区提升水下地形匹配精度；第四，联合实测水深与模型水深差值的平方均值表示二者的差异性、以及中误差表示二者相似性的原理，提出适用于自适应格网模型的水下地形相关组合匹配算法；第五，融合重力/测高卫星和海洋观测多源数据，联合上述四种方法，提高水下地形匹配导航精度。

本项目紧跟国际水下地形辅助导航的最新热点，以满足我国迫切提出的科学和国防需求为导向，开展了联合卫星和海洋多源数据提高水下惯性/地形组合导航精度的理论和方法研究。第一，联合几何学中的球面最短弧法则和航天/航海学中的姿态控制原理，构建了新型球面最短弧姿态控制法，将搜索匹配时间从9.84 s减少到1.29 s；第二，基于以地形相似性为指标，根据地形自适应确定格网阈值的数字水深模型原理，提出了相似性指标阈值自适应确定法，提高海底地形基准图精度约26%；第三，结合理论模型可推广性强和统计分析模型准确率高的特点，构建新型自适应概率加权多准则决策法，与提前标定结果相对比，使用新型方法对测试集区域的分类正确率达92%，证明了该方法能对适配区和非适配区做出有效划区分；第四，联合实测水深与模型水深差值的平方均值表示二者的差异性、以及中误差表示二者相似性的原理，提出了适用于自适应格网模型的水下地形相关组合匹配算法；第五，融合重力/测高卫星和海洋观测多源数据，联合上述四种方法，水下地形匹配效率高、稳定性高，位置误差小于1个基准图格网。.研究成果：发表研究论文71篇，SCI收录42篇；出版学术专著6部，获国家出版基金、国家科学技术学术著作出版基金、国防科技图书出版基金全额资助；授权国家发明专利12项和受理28项；荣获中国测绘科学技术一等奖、中国专利优秀奖、十佳中国电子学会优秀科技工作者奖、中国青年测绘地理信息科技创新人才奖、“兴辽英才计划”攀登学者奖、中国地球物理科学技术创新奖、中国产学研合作创新奖、中国科技产业化促进卓越贡献奖、中国航天科技集团钱学森空间技术实验室技术创新奖、中国惯性技术创新优秀论文奖等13项；研究成果获西班牙科学院、澳大利亚纽卡斯尔大学等19个航天、测绘、海洋、国防部门应用；联合养硕/博士研究生35人。