[发明专利]基于全球地磁异常场的地磁辅助惯性导航仿真系统及方法

说明书

本发明公开了基于全球地磁异常场的地磁辅助惯性导航仿真系统，包括航迹生成模块、惯导模块、航行磁图生成模块、地磁测量数据生成模块、地磁推算数据生成模块以及滤波器模块；本发明还公开了基于全球地磁异常场的地磁辅助惯性导航仿真方法。本发明采用自然邻点插值地磁导航仿真方法，与现有线性插值地磁导航方法相比，在耗时基本一致情况下，前者的估计航迹在位置误差最大值、均值、方差、均方根方面都比后者小10％左右；整合了现有算法和数据资源，实现了基于全球地磁异常场的地磁辅助惯性导航系统全流程仿真，仿真平台具备完整的自主配置功能，能够生成任意航迹、对惯导参数、磁力计参数进行设置，能够根据载体运行高度自主对磁场进行延拓。

技术领域

本发明涉及地磁导航领域，特别涉及基于全球地磁异常场的地磁辅助惯性导航仿真系统及方法。

背景技术

载体通常采用卫星和惯性测量单元IMU组合作为实时位置的感知方式，但在某些情况下卫星使用受限，IMU由于自身的累积误差，需要不断进行修正，才能保证所测数据的精度。地球物理场包括地形、地磁场和重力场，都是天然的修正信息源，相比地形导航，地磁导航和重力导航都具有无源、全地形、全天候的优点，重力及重力梯度测量都要求平台运行平稳，地磁测量对平台的运动没有限制，且地磁测量设备比重力测量设备轻巧便宜，使用门槛低。

地磁场包括稳定磁场和变化磁场两部分，稳定磁场又分为地磁主磁场和地磁异常场，地磁主磁场由处于地幔之下地核外层的高温液态铁镍环流引起，地磁异常场由地壳表面分布的岩石、矿产、人造磁场产生，地磁异常场在时间上极为稳定，几乎不随时间变化，且含有比地磁主磁场更丰富的细节信息，适合作为修正惯导误差的信息源。现有关于地磁导航的技术方案中，主要集中在对于方案的设计和短距离实验验证上，对于采用全球地磁异常场的地磁导航还尚未有研究。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明目的是提供基于全球地磁异常场的地磁辅助惯性导航仿真系统及方法，用来研究地磁导航理论模型及算法，为半实物仿真和原理样机的研制提供基础验证。

技术方案：本发明提出了基于全球地磁异常场的地磁辅助惯性导航仿真系统，包括航迹生成模块、惯导模块、航行磁图生成模块、地磁测量数据生成模块、地磁推算数据生成模块以及滤波器模块，所述航迹生成模块与惯导模块、航行磁图生成模块、地磁测量数据生成模块通信连接，所述惯导模块与地磁推算数据生成模块通信连接，所述航行磁图生成模块与地磁测量数据生成模块、地磁推算数据生成模块通信连接，所述地磁测量数据生成模块和地磁推算数据生成模块分别与滤波器模块通信连接，所述滤波器模块与惯导模块通信连接。

基于全球地磁异常场的地磁辅助惯性导航仿真方法，具体步骤如下：

S1：航迹生成模块根据载体的运动指令生成航迹点；

S2：惯导模块根据航迹点生成惯导测量数据和指示航迹；

S3：将修正后的载体运动参数传送至滤波器模块的状态方程，载体的初始运动参数来自载体的初始状态和惯导的初始测量值；

S4：航行磁图生成模块根据载体的运行高度，将基础地磁异常图中的数据利用位场延拓技术生成航行地磁异常图；

S5：地磁测量数据生成模块根据航迹点位置信息在航行地磁异常图中插值生成异常场值，把航迹点的位置信息和时间信息戳代入国际参考地磁场IGRF模型生成主磁场值，计算测量噪声，由异常场值、主磁场值和测量噪声三者之和构成地磁测量数据；

S6：地磁推算数据生成模块把修正后的航迹点位置信息在航行地磁异常图中插值生成异常场推算数据，根据修正后航迹点位置信息和时间戳代入IGRF模型生成主磁场推算数据，异常场推算数据和主磁场推算数据之和构成地磁推算数据；

S7：将地磁测量数据和地磁推算数据传送至滤波器模块的观测方程，滤波器模块利用无迹卡尔曼滤波算法UKF计算惯导误差的估计值，循环回步骤S3得到载体运动参数的修正值。