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1绪论1

1.1 AUV水下导航技术1

1.2 地形匹配导航原理3

1.3 AUV海底地形匹配导航技术的研究现状5

参考文献9

2海底地形匹配导航技术概述13

2.1 海底地形匹配导航系统的组成13

2.1.1 参考导航单元13

2.1.2 地形测量单元14

2.1.3 地形匹配单元16

2.2 海底地形匹配导航模型17

2.2.1 状态空间模型17

2.2.2 数字地形模型18

2.2.3 影响海底地形匹配定位性能的因素18

2.3 典型的地形匹配方法19

2.3.1 基于扩展卡尔曼滤波的地形匹配方法20

2.3.2 基于相关性的地形匹配方法21

2.3.3 基于直接概率准则的地形匹配方法22

2.4 海底地形匹配的特殊性和关键技术23

2.4.1 飞行器地形匹配导航和AUV海底地形匹配导航的比较23

2.4.2 不同地形测量传感器在海底地形匹配导航中的特点与优势24

2.4.3 海底地形匹配的关键技术26

参考文献26

3先验数字地形的生成方法29

3.1 多波束测深系统构成及原理29

3.1.1 多波束测深系统构成29

3.1.2 多波束测深原理30

3.1.3 GeoSwath Plus相干型多波束测深系统31

3.2 多波束测深数据处理原理和流程33

3.2.1 声线的追踪与补偿33

3.2.2 海底归位处理36

3.2.3 多波束测深数据处理流程36

3.3 多波束测深数据的滤波方法37

3.3.1 多波束测深数据滤波的基本原则38

3.3.2 基于动态聚类的单ping滤波方法40

3.3.3 基于Alpha-Shapes模型的单ping滤波方法47

3.3.4 基于强跟踪卡尔曼滤波的单ping滤波方法51

3.4 先验数字地形的生成57

3.4.1 测深数据的空间归位57

3.4.2 测深数据的网格化处理58

3.4.3 先验数字地形的存储模型63

参考文献66

4海底地形特征表述与路径规划68

4.1 海底地形特征的表述68

4.1.1 地形高程标准差69

4.1.2 地形信噪比70

4.1.3 地形费希尔信息量71

4.1.4 地形高程熵72

4.1.5 地形高程绝对值粗糙度74

4.1.6 局部地形相关系数与相关长度74

4.1.7 局部地形平均坡度及坡度方差75

4.2 基于改进人工势场法的地形匹配路径规划76

4.2.1 改进人工势场法76

4.2.2 最优路径搜索方案78

4.2.3 路径规划结果79

4.3 基于扇形搜索的地形匹配路径规划80

4.3.1 适配区域的扇形搜索方法81

4.3.2 扇形搜索方法的开角分析82

4.3.3 目标点处限制线85

4.3.4 目标点前的适配区域选择87

4.3.5 引入临界高程熵的路径优化89

4.3.6 路径规划结果90

4.4 基于粒子群优化算法的地形匹配路径规划91

4.4.1 粒子群优化算法91

4.4.2 问题分析与建模92

4.4.3 路径规划结果94

4.5 基于Astar算法的地形匹配路径规划95

4.5.1 环境建模95

4.5.2 算法的设计与实现96

4.5.3 最优路径规划方法实现流程97

参考文献98

5地形匹配单元的组建99

5.1 实时海底地形的获取与建模99

5.1.1 单波束测深数据建模99

5.1.2 多波束测深数据建模101

5.1.3 DVL测深数据建模104

5.1.4 实时测深数据的选择模式105

5.2 局部海底数字地形的插值重构107

5.2.1 地形插值重构模型分析107

5.2.2 双线性插值109

5.2.3 基于分形补偿的双线性插值111

5.2.4 海底地形插值重构精度统计特性116

5.2.5 基于索引的快速插值策略118

5.3 搜索区域的选择120

5.4 参考水深偏差的消除122

参考文献123

6海底地形匹配导航算法125

6.1 地形匹配导航算法的分类125

6.2 地形匹配搜索定位算法126

6.2.1 参数估计算法126

6.2.2 脉冲耦合神经网络算法136

6.2.3 ICP算法142

6.2.4 节点信息融合算法147

6.2.5 搜索定位的有效性判定155

6.3 地形匹配导航滤波算法158

6.3.1 地形匹配导航的贝叶斯滤波模型158

6.3.2 基于扩展卡尔曼滤波的地形匹配导航160

6.3.3 基于无迹卡尔曼滤波的地形匹配导航162

6.3.4 基于粒子滤波的地形匹配导航165

6.3.5 基于高斯和滤波的地形匹配导航173

6.3.6 基于点群滤波的地形匹配导航177

6.4 海底地形匹配导航算法研究的发展方向182

参考文献183

7海底地形辅助导航系统185

7.1 地形匹配导航对导航系统的修正方式185

7.2 海底地形匹配导航的误差分析188

7.2.1 实时地形获取误差188

7.2.2 匹配算法误差189

7.3 定位-跟踪模式的地形匹配导航策略189

7.3.1 搜索定位规划点的设置191

7.3.2 基于定位-跟踪模式的地形匹配导航流程191

7.4 AUV海底地形辅助导航系统192

7.4.1 硬件系统192

7.4.2 导航系统体系结构193

7.5 AUV海底地形辅助导航仿真系统194

7.5.1 载体运动模块建模195

7.5.2 参考导航模块建模196

7.5.3 地形测量模块建模197

7.5.4 仿真管理模块设计197

7.5.5 仿真实验199

参考文献202

索引203