地磁梯度輔助導航及磁目標探測技術(shù)研究.pdf

1、21世紀初的前后幾年中，出現(xiàn)了航空磁場矢量分量測量以及全張量地磁梯度測量技術(shù)。作為地磁輔助導航研究的一個重要探索方向，以全張量地磁梯度測量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的慣性/地磁梯度輔助導航系統(tǒng)的研究，符合地磁場測量技術(shù)的發(fā)展趨勢，并同時具備無源性、隱蔽性以及多源高效的匹配特征等優(yōu)點。目前地磁梯度輔助導航技術(shù)的研究仍處于理論探索階段，要付諸實際應(yīng)用并實現(xiàn)工程化，仍存在許多問題亟需解決。論文以巡航導彈巡航段和末制導段中的實際應(yīng)用需求為研究背景，在分析地磁輔

2、助導航和磁異常目標探測等相關(guān)技術(shù)研究成果的基礎(chǔ)上，重點圍繞基于余弦變換的地磁梯度頻域正演方法、實用基準梯度圖聯(lián)合構(gòu)建及其數(shù)據(jù)壓縮存貯算法、基于非線性濾波的慣性/地磁梯度輔助定位算法以及磁異常目標反演算法等關(guān)鍵問題開展研究工作。
　　導航基準圖是實現(xiàn)地磁梯度輔助導航定位的基礎(chǔ)，然而由于全張量地磁梯度測量技術(shù)以及測量范圍的限制，通過航磁測量獲得大范圍高精度實測梯度數(shù)據(jù)仍需要較長時間以及大量人力、物力。因此通過理論算法正演地磁梯度數(shù)據(jù)并

3、實現(xiàn)導航基準圖的構(gòu)建是目前開展地磁梯度輔助定位研究的重要手段。為獲取高精度全張量磁梯度數(shù)據(jù)，論文研究了基于余弦變換的頻域快速正演方法，給出了在笛卡爾坐標系中x,y方向三種移相?2的二維連續(xù)、離散形式余弦變換及其逆變換定義，并根據(jù)該定義，推導了移相?2余弦變換時域微分定理。利用二維余弦變換以及移相?2的余弦變換時域微分定理，探討利用磁異常垂向分量計算全張量磁梯度數(shù)據(jù)的方法，推導了與傅里葉變換方法相似的統(tǒng)一公式，通過仿真算例與傅里葉變換方法

4、比較，以理論模型和實測數(shù)據(jù)為參考，分析了兩種頻域正演方法的精度及余弦變換方法在邊界區(qū)域可減少傅里葉變換方法存在的Gibbs效應(yīng)的原因。
　　當前國內(nèi)外對地磁輔助導航研究，基本處于導航算法的仿真階段，而對高精度小尺度導航基準圖制備與修正的研究尚處于初期階段。國際地磁參考場(International Geomagnetic Reference Field，IGRF)和世界磁場模型(World Magnetic Model，WMM)重

5、點反映地球主磁場，沒有體現(xiàn)地殼異常場中較短波長的信息，在刻畫區(qū)域地磁場時其精度較低，無法滿足輔助定位的精度要求；而目前實測地磁場數(shù)據(jù)由于受到測量條件和技術(shù)的限制，不能直接生成導航用數(shù)字基準圖。對于導航區(qū)域內(nèi)地磁梯度基準圖構(gòu)建的研究，必須融合廣泛的數(shù)據(jù)源。本文提出利用高精度數(shù)字高程模型(Digital elevation model, DEM)數(shù)據(jù)以及虛擬地磁場數(shù)據(jù)正演區(qū)域磁梯度數(shù)據(jù)的設(shè)想，推導了正演理論公式，并結(jié)合地磁場模型實現(xiàn)了多數(shù)據(jù)

6、源地磁梯度導航基準圖聯(lián)合構(gòu)建。
　　隨著地磁場測量技術(shù)的發(fā)展，航空地磁測量的范圍將逐漸擴大，測量精度和數(shù)據(jù)分辨率也會大幅提高，同時基于衛(wèi)星、航空、船測地磁數(shù)據(jù)的導航基準圖構(gòu)建方法的日益完善，使得數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)量劇增。因此需要研究大規(guī)模高精度導航數(shù)據(jù)的壓縮存儲以及快速實時重構(gòu)算法，以增強巡航導彈彈載導航基準圖的容量及分辨率，滿足導彈為規(guī)避反導系統(tǒng)追蹤而臨時改變航線的導航需求。而傳統(tǒng)數(shù)據(jù)壓縮方法存在輪廓、紋理等高頻細節(jié)信息損失嚴重的問題

7、。為保留這些導航定位所必需的關(guān)鍵特征信息，本文提出一種基于壓縮感知理論的數(shù)據(jù)分頻壓縮及聯(lián)合重構(gòu)方法，即在余弦變換的頻域中對數(shù)據(jù)進行分頻壓縮編碼；在數(shù)據(jù)重構(gòu)算法中引入壓縮感知理論，利用局部余弦變換系數(shù)作為線性測量觀測值，通過解決小波變換域(l)1范數(shù)和時域稀疏梯度全變差正則化的模型，精確重構(gòu)原始數(shù)據(jù)的高頻信息。
　　針對現(xiàn)有輔助導航/制導模式在巡航導彈巡航段和末制導段中存在的問題，利用本文構(gòu)建的高精度地磁梯度導航基準圖，開展了地磁梯

8、度輔助定位濾波算法及磁異常目標探測技術(shù)的研究。提出了基于全張量地磁梯度數(shù)據(jù)的輔助定位方法，針對導航系統(tǒng)的非線性問題，建立了基于粒子濾波算法的慣性/地磁梯度輔助導航系統(tǒng)狀態(tài)方程和觀測方程，通過仿真實驗，驗證了算法的定位精度和魯棒性。并研究將全張量地磁梯度分量應(yīng)用于改進磁異常目標探測方法，以增強磁性目標的識別效果，同時將多種磁異常目標識別方法與全張量地磁梯度輔助定位算法相結(jié)合，建立統(tǒng)一的粒子濾波模型，實現(xiàn)了巡航導彈在末制導過程中對磁異常目標