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基于粒子群优化的飞行器地磁相关匹配新算法仿真

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第33卷第1 1期 舰船科学技术 Vo1.33,No.11 2011年11月 SHIP SCIENCE AND TECHNOLOGY Nov.,2011 基于粒子群优化的飞行器地磁相关匹配新算法仿真 徐遵义 一,魏 东 ,李 臻 ,晏磊 (1.北京大学遥感与GIS研究所空间信息集成与3S工程应用北京市重点实验室,北京100871; 2.山东建筑大学计算机科学与技术学院,山东济南250101) 摘 要: 鉴于飞行器地磁相关匹配算法高精度、高可靠性和高实时性要求,本文将影响地磁相关匹配算法的 相似性度量函数、地磁特征参量和搜索策略综合考虑。相似度度量函数采用归一化积相关函数、地磁特征参量选用 归一化的地磁场总强度,将粒子群优化算法引入匹配区搜索。基于海洋实测地磁场数据进行了实验室仿真验证。实 验结果表明,在匹配概率、匹配精度与传统地磁相关匹配算法基本保持一致的情况下,算法平均运行时间从7—11 s 缩短至l一2 S。 关键词: 粒子群优化;地磁匹配;TERCOM;特征归一化 中图分类号:V444;TP339 文献标识码:A 文章编号:1672—7649(2011)ll一0003—04 DOI:10.3404/j.issn.1672-7649.2011.11.001 Simulation research on the correlation matching algorithm based on particle swarm optimization for aircraft geomagnetic aid navigation XU Zun—yi 一,WEI Dong ,LI Jing ,YAN Lei (1.Beijing Key Lab of Spatial Information Integration and Its Applications,Peking University, Beijing 1 0087 1,China;2.Shandong Jianzhu University,Jinan 250 1 0 1,China) Abstract: Considering the requirements of the high accuracy,high reliability and real time for the aircraft geomagnetic correlation matching algorithm,the similarity core function,geomagnetic properties and search methods will be processed synthetically in this paper.The normal production correlation algorithm is introduced as the similarity core function,the feature normalization of the geomagnetic field is introduced as the matching parameters and the particle swarm optimization algorithm is introduced for reducing the running time.The experiments have been done in the laboratory based on the real measured geomagnetic field data, its results show that:the matching probability and accuracy of the new algorithm are the same as the traditional one on the whole,the average running time is shortened from 7~11 S to 1~2 S. Key words:particle swaI1TI optimization;geomagnetic matching;TERCOM;feature normalization 0 引 言 地磁相关匹配算法不仅要求高精度和高可靠性,算法 的执行效率也是研究的重要内容之一。本文在研究 地磁相关匹配算法是地磁辅助导航算法中的极 传统地磁相关匹配算法的基础上,将粒子群优化算法 为重要的一类算法,目前的研究集中在对传统地形轮 引入地磁相关匹配算法,从相似性度量函数、地磁匹 廓线匹配(Terrain Contour Matching,TERCOM)算法 配特征量以及搜索策略等方面统一进行考虑,提出了 度量函数的改进和引入新的度量函数 。飞行器 1种飞行器地磁相关匹配新方法。 收稿日期:2011—04—25;修回日期:201l一05—24 基金项目:国家自然科学基金资助项目(60972052);中国博士后基金资助项目(201000470147) 作者简介:徐遵义(1969一),男,副教授,主要研究方向为地球探测与信息技术。 ・ ・ 舰船科学技术 第33卷 1 粒子群优化算法 粒子群优化算法(Particle Swarm Optimization, PSO)是Eberhart和Kennedy基于对鸟群、鱼群的模 (t)= … + ~ 。 (2) 式中:t为当前进化代数;T…为最大进化代数; 为初始惯性权值;∞ 为进化至最大代数时的惯性权 值。实验表明,∞∈[0.8,1.2]PSO有更快的收敛速 度。 拟于1995年提出的1种基于群体的演化算法,其思 想来源于人工生命和演化计算理论,主要用来求全局 最优解 。PSO的基本思想是:每个优化问题的潜 在解对应于搜索空问中1只鸟的位置,这些鸟被称为 2 基于粒子群优化的地磁相关匹配算法 “粒子”或“个体”,每个粒子都有自己的位置和速度 (决定飞行的方向和距离),还有1个由被优化函数 决定的适应值。各个粒子记忆、追随当前的最优粒 子,在解空间中搜索。PSO初始化为一群随机粒子, 然后通过迭代找到最优解。在每1次迭代中,粒子通 过跟踪2个极值来更新自己,第1个就是粒子本身到 当前时刻为止找到的最好解,这个解称为个体最好 值,另1个极值就是整个种群到当前时刻找到的最好 解,这个值是全局最好值。 粒子i的信息可用n维向量表示,其位置为: X l, 2,…, ] ; 速度为: V [ l, 2,…, 】 ; 个体极值为: P =[pIl’P 2…,,Pin] ; 种群的全局极值为: Pg [pgl,P ,…,p 】 。 按追随当前最优粒子的原理,采用改进的惯性权 重法计算粒子 速度和位置的改变,改进后的粒子 操作公式为: r V。d(t+1)=OJVid(t)+cl r.[P (t)一X d(t)]+ { c:r:[P (£)一X (£)], (1) tx d(t+1)=X (t)+V (t+1)。 式中:d=1,2,…,rt;i=1,2,…,m,nz为种群规模; c,和c 为加速系数(或称学习因子),分别调节向全 局最好粒子和个体最好粒子方向飞行的最大步长,合 适的c.和c 可以加快收敛且不易陷入最优,取非负 常数,通常令c,=c =2;r 和r 为随机数,服从[0, 1]上的均匀分布;via∈[一 + ],假设将搜索 空间的第d维定义为区间[一 ,+ ],则通常 =kx ,0.1≤|j2≤1.0,每一维都用相同的方法 设置; 为惯性权重(或称动量系数),用来控制前面 的速度对当前速度的影响,较大的 可以加强PSO 的全局搜索能力,而较小的∞能加强局部搜索能力。 基于粒子群优化的地磁相关匹配算法包括确定 粒子适应度函数、地磁特征参量和搜索匹配区域。粒 子适应度函数选用归一化积相关函数(Normal Production Correlation Algorithm,NPROD) , ∑F ‘ NPROD(F,F )=—=二二二兰兰_ ====二。 (3) √ (Fi √ 式中:Ⅳ为匹配序列的长度;F和F 为地磁场特征参 量;NPROD(F,F )由最大度量值给出最佳匹配,其 实质是按矢量F和F 的夹角余弦定义。 地磁场特征是地磁场内部所具有的最基本的内 容,是区域地磁场所独特拥有的、用以区别其他区域 地磁场的最本质属性。区域地磁场特征可分为自然 特征和人工特征,前者如形状特征、地磁场强度等,后 者是通过对地磁场进行测量和计算人为定义的某些 参量,如统计特征。地磁匹配主要是关注那些可靠性 高、辨别性强、计算量小的不变特征,本算法采用地磁 场总强度归一化参量。设实时测量序列X={ ., , …, },其均值和标准差分别为 ( )和 ( ),则测 量序列 可归一化为 : Ⅳ(X)={ , :,…,虿 }。 (4) 其中, : 。 or A, 地磁匹配过程中,以捷联惯性导航系统(SINS) 指示的位置为中心,以最大容许导航误差相适应的正 方形区域定义为搜索区,如图l所示。实际的搜索区 域是根据SINS的指示位置和定位误差的大小确定 的。在图1中,P为当前SINS指示的位置, 为导航 误差的标准偏差,实际的搜索范围是以P为中心的 6o"×6 的矩形区域。 基于PS0的飞行器地磁相关匹配算法流程如 下: 1)以SINS指示位置为中心,以最大容许导航误 差3 为半径构造搜索区域,同时计算搜索区域内格 第11期 徐遵义,等:基于粒子群优化的飞行器地磁相关匹配新算法仿真 .5. SINS指示位置 、 , / 尸 真实位置 ———一68———— 图1下  实际的航磁匹配搜索区域范围 砧●●● 上 Fig.1 The searching region of the geomagnetic matching algorithm in practice 网数N d; 2)初始化粒子群:群体规模为[N ×0.2],最 大迭代次数,权系数区间,学习因子,每个粒子的位置 和速度,计算初始粒子的适应度; 3)计算每个粒子的适应度值fitness( ,Y)= NPROD^日( ,Y); 4)对每个粒子,用它的适应度值和个体极值P 比较,如果较好,则替换P ; 5)对每个粒子,用它的适应度值和全局极值 P 比较,如果较好,则替换P ; 6)根据粒子操作公式更新粒子的速度和位置; 7)如果满足结束条件(误差足够好或到达最大 循环次数)退出,否则回到3)。 3 基于实测数据的实验室仿真及分析 为验证基于粒子群优化的飞行器地磁导航新算法, 采用我国某海域实测海洋地磁图为基准图,海磁图格网 间距50 m,105行x195列,其等值线图如图2所示。 进行地磁测量的同时配置了高精度DGPS(绝对 误差小于1 m)、国产某型号激光捷联惯性导航系统 (SINS),测线实际航迹与SINS指示航迹如图2所 示,测线实测地磁场与对应地磁图总强度如图3所 示。东西向测线共有228个采样点,测点采样时间为 10 s,测线点间距约30 m左右,可以保证海磁图每个 格网内至少有1个采样点。 每次匹配序列长度为64点,通过一定的技术处 理每条测线可进行8次成功匹配。由于搜索策略均 受随机因素影响,因此每条测线均运行20次,对每次 算法匹配误差进行绝对值求平均,实验结果如表1和 表2所示 5.95 5.96 5.97 5.98 5.99 6.00 6.叭6.02 6.03 6.o4 X(BJ54) ×1 (a)测区东西向第1号测线实际航迹与INS指示航迹 ×106 4.31 4.31 4.31 —4-3l 4.31 4.3l 4.31 4.31 4.31 4.31 5.95 5.96 5.97 5.98 5.99 6.00 6.01 6.02 6.03 6.04 X(BJ54)xl0 (b)测区东西向第2号测线实际航迹与INS指示航迹 图2仿真试验测区海磁图及测线 Fig.2 The geomagnetic map and the survey lines for the experiments 5.352 5-351 5.350 丝 堡 5.349 憩5.348 蟓5.347 霎5-346  j实测地磁磁场值’ …… …………. …… …u:… …… . 5.345 5344 0 50 100 150 200 250 测点 (a)测区东西向第1号测线实测地磁场值与地图地磁场值 ×1o4 5.354 /^、\ /地图地磁磁场值 5.353 5.352 |./争/ , i L一一 5.351 W 、 、 5.350 L t 举5实测地磁磁 馑 .349 钽 嗣5.348 \ 5.347 5.346 0 50 10O 150 200 250 测点 (b)测区东西向第2号测线实测地磁场值与地图地磁场值 图3 仿真试验测区测线实测地磁场与地磁图地磁场总强度 Fig.3 The actual measured geomagnetic filed and its corresponding ifled in the map for the experiments ・6・ 舰船科表l 测线1基于PSO的地磁相关匹配新算法 20次平均运行结果 Tab.1 The 20 times average test results of the new algorithm based on PSO forthe survey line No.1 表2测线2基于PSO的地磁相关匹配新算法 2O次平均运行结果 Tab.2 The 20 times average test results of the new algorithm based on PSO for the survey line No.2 同时,对地磁特征参量采用地磁场总强度、相似 性度量函数采用平均平方差算(MSD)和全搜索策略 的传统地磁相关匹配算法也进行了仿真实验,实验结 果如表3和表4所示。 表3 测线1传统地磁相关匹配新算法运行结果 Tab.2 The test results of the traditional correlation matching algorithm for the survey line No.1 学技术 第33卷 表4 测线2传统地磁相关匹配新算法运行结果 Tab.2 The test results of the traditional correlation matching algorithm for the survey line No.2 由表1~表4可以看出,传统地磁相关匹配算法 将SINS初始误差从700 m左右降低到200 m左右, 算法运行时间在7~1 1 S。基于粒子群优化的地磁相 关匹配算法在匹配概率、匹配精度与传统地磁相关匹 配算法基本一致的情况下,算法运行时间缩短至1~ 2 S,这对于实时性要求严格的飞行器地磁导航系统 无疑是巨大的改进和提高。 4 结 语 本文在深入研究传统地磁相关匹配算法的基础 上,为解决飞行器地磁相关匹配算法高实时性的特殊 需求,从地磁相关匹配核函数、地磁匹配特征参量和 搜索策略3个方面对传统地磁相关匹配算法进行了 改进,采用归一化积相关作为核函数、归一化地磁场 总强度作为匹配特征参量和引入粒子群优化算法作 为搜索策略。基于实测地磁数据的实验室仿真结果 表明,在匹配概率、匹配精度与传统地磁相关匹配算 法基本保持一致的情况下,算法平均运行时间从7~ 11 S缩短至1~2 S,这对于实时性要求严格的飞行器 地磁导航系统无疑是巨大的改进和提高。 参考文献: [1] 冯浩楠,杨照华,房建成.地磁辅助导航系统发展及应用 研究[J].仪器仪表学报,2008,29(4增刊):640—643. 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