地磁梯度輔助導(dǎo)航及磁目標(biāo)探測(cè)技術(shù)研究.pdf

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

2、助導(dǎo)航和磁異常目標(biāo)探測(cè)等相關(guān)技術(shù)研究成果的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)圍繞基于余弦變換的地磁梯度頻域正演方法、實(shí)用基準(zhǔn)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(xiàn)性濾波的慣性/地磁梯度輔助定位算法以及磁異常目標(biāo)反演算法等關(guān)鍵問(wèn)題開(kāi)展研究工作。
　　導(dǎo)航基準(zhǔn)圖是實(shí)現(xiàn)地磁梯度輔助導(dǎo)航定位的基礎(chǔ)，然而由于全張量地磁梯度測(cè)量技術(shù)以及測(cè)量范圍的限制，通過(guò)航磁測(cè)量獲得大范圍高精度實(shí)測(cè)梯度數(shù)據(jù)仍需要較長(zhǎng)時(shí)間以及大量人力、物力。因此通過(guò)理論算法正演地磁梯度數(shù)據(jù)并

3、實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航基準(zhǔn)圖的構(gòu)建是目前開(kāi)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(biāo)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(dǎo)了移相?2余弦變換時(shí)域微分定理。利用二維余弦變換以及移相?2的余弦變換時(shí)域微分定理，探討利用磁異常垂向分量計(jì)算全張量磁梯度數(shù)據(jù)的方法，推導(dǎo)了與傅里葉變換方法相似的統(tǒng)一公式，通過(guò)仿真算例與傅里葉變換方法

4、比較，以理論模型和實(shí)測(cè)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(dāng)前國(guó)內(nèi)外對(duì)地磁輔助導(dǎo)航研究，基本處于導(dǎo)航算法的仿真階段，而對(duì)高精度小尺度導(dǎo)航基準(zhǔn)圖制備與修正的研究尚處于初期階段。國(guó)際地磁參考場(chǎng)(International Geomagnetic Reference Field，IGRF)和世界磁場(chǎng)模型(World Magnetic Model，WMM)重

5、點(diǎn)反映地球主磁場(chǎng)，沒(méi)有體現(xiàn)地殼異常場(chǎng)中較短波長(zhǎng)的信息，在刻畫(huà)區(qū)域地磁場(chǎng)時(shí)其精度較低，無(wú)法滿(mǎn)足輔助定位的精度要求；而目前實(shí)測(cè)地磁場(chǎng)數(shù)據(jù)由于受到測(cè)量條件和技術(shù)的限制，不能直接生成導(dǎo)航用數(shù)字基準(zhǔn)圖。對(duì)于導(dǎo)航區(qū)域內(nèi)地磁梯度基準(zhǔn)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(chǎng)數(shù)據(jù)正演區(qū)域磁梯度數(shù)據(jù)的設(shè)想，推導(dǎo)了正演理論公式，并結(jié)合地磁場(chǎng)模型實(shí)現(xiàn)了多數(shù)據(jù)

6、源地磁梯度導(dǎo)航基準(zhǔn)圖聯(lián)合構(gòu)建。
　　隨著地磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，航空地磁測(cè)量的范圍將逐漸擴(kuò)大，測(cè)量精度和數(shù)據(jù)分辨率也會(huì)大幅提高，同時(shí)基于衛(wèi)星、航空、船測(cè)地磁數(shù)據(jù)的導(dǎo)航基準(zhǔn)圖構(gòu)建方法的日益完善，使得數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)量劇增。因此需要研究大規(guī)模高精度導(dǎo)航數(shù)據(jù)的壓縮存儲(chǔ)以及快速實(shí)時(shí)重構(gòu)算法，以增強(qiáng)巡航導(dǎo)彈彈載導(dǎo)航基準(zhǔn)圖的容量及分辨率，滿(mǎn)足導(dǎo)彈為規(guī)避反導(dǎo)系統(tǒng)追蹤而臨時(shí)改變航線(xiàn)的導(dǎo)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(xì)節(jié)信息損失嚴(yán)重的問(wèn)題

7、。為保留這些導(dǎo)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(xiàn)性測(cè)量觀(guān)測(cè)值，通過(guò)解決小波變換域(l)1范數(shù)和時(shí)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(duì)現(xiàn)有輔助導(dǎo)航/制導(dǎo)模式在巡航導(dǎo)彈巡航段和末制導(dǎo)段中存在的問(wèn)題，利用本文構(gòu)建的高精度地磁梯度導(dǎo)航基準(zhǔn)圖，開(kāi)展了地磁梯

8、度輔助定位濾波算法及磁異常目標(biāo)探測(cè)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(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)的非線(xiàn)性問(wèn)題，建立了基于粒子濾波算法的慣性/地磁梯度輔助導(dǎo)航系統(tǒng)狀態(tài)方程和觀(guān)測(cè)方程，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)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(jìn)磁異常目標(biāo)探測(cè)方法，以增強(qiáng)磁性目標(biāo)的識(shí)別效果，同時(shí)將多種磁異常目標(biāo)識(shí)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(shí)現(xiàn)了巡航導(dǎo)彈在末制導(dǎo)過(guò)程中對(duì)磁異常目標(biāo)