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基于多波束测深系统的海底地形匹配导航技术研究
| 论文题名： | 基于多波束测深系统的海底地形匹配导航技术研究 |
| 关键词： | 水下潜器;多波束测深系统;匹配导航技术;海底地形测量 |
| 摘要： | 高精度导航是水下潜器研究领域最主要的技术挑战之一。随着多波束测深系统在海底地形测量中的广泛应用，研究基于多波束测深的海底地形匹配辅助导航技术变得很有意义。相比于以单波束测深原理为基础的ICCP、TERCOM等一维序列匹配辅助导航方法，基于多波束测深系统的二维高程阵列匹配算法增加了原始地形信息的丰富度，可以用来提高地形辅助匹配导航系统的精度和适用性。本文在建立二维高程信息匹配导航模型前提下，分别针对二维阵列的高程空间和特征空间进行了匹配导航的研究。通过深入的理论探讨和充分的仿真分析，验证了所提方法能够满足高精度水下地形匹配辅助导航系统的苛刻要求。论文的主要研究内容包括: (1)在深入了解多波束测深系统原理基础上，结合一般地形匹配导航系统框图给出了基于多波束测深的海底地形匹配导航框图。利用规则格网地形模型描述多波束测深结果，抓住这种地形高程分布是一种二维密度分布的本质，运用类比思想，把高程阵列匹配问题变换到灰度像素的匹配问题，建立了基于灰度图像匹配的导航模型，并分析了影响此地形匹配导航模型性能的主要误差来源。 (2)对于地形高程空间或者说图像灰度空间的直接匹配方法，综合考虑时间和精度等指标，采用快速匹配领域的序贯相似性检测算法(SSDA)进行匹配，并进一步结合小波分析的相关理论，给出基于小波分解的分层搜索加速匹配方法。仿真验证了上述方法应用于海底地形匹配导航中的可行性，并且在匹配时间和精度方面均能满足要求。 (3)为了解决SSDA方法对于航向过于敏感的问题，把地形高程空间投影到矩函数空间，研究了基于Hu矩和Zernike矩的特征空间匹配导航方法。对于Hu矩和Zernike矩的一系列不变量进行了详细的理论推导和仿真验证。为了保证任意方向航行的水下潜器均能正确匹配，提出了圆窗口化的搜索策略。仿真表明利用矩函数进行地形特征匹配导航的方法具有较大抗噪声能力和较强适用性。 (4)通过连续匹配的实施，给出了动态航行状态下匹配位置的确定过程和误差校正方法。在规划的几条典型航迹上，分析比较了二维高程分布匹配方法和传统的TERCOM算法在精度、匹配时间和适用性等指标方面的性能，说明了基于多波束测深的地形二维分布匹配方法可以很好地应用于水下潜器的地形匹配辅助导航系统。 |
| 作者： | 岳增阳 |
| 专业： | 导航、制导与控制 |
| 导师： | 徐晓苏 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 东南大学 |
| 学位年度： | 2015 |
| 正文语种： | 中文 |
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