基于等深线走向的海床地形匹配算法

5.5.1　基于等深线走向的海床地形匹配算法

海床地形起伏变化可以用等深线来描述。实测海床地形与背景海床地形等深线的匹配，实际上也就从背景地形中获得了当前位置，进而实现对载体的导航定位。

1.等深线走向描述及匹配算法

每条等深线都可以视为由若干个交点组成的线段集，以相邻两个线段的夹角联系这两条线段，并反映这两条线段的走向，实现交点与夹角β的对应，形成描述等深线走向和形状的{β_i，i=1，2，…，n}序列。以背景区域某型值的等深线交点夹角序列为参考，以同型值的实测区域等深线交点夹角序列为匹配对象，使实测序列在参考序列上移动，每移动一次，计算角差T。若两条等深线没有旋转变换，只存在平移变换，比较T序列，最小T对应的位置即为匹配等深线与参考等深线相似度最高的位置。

式中:β是等深线上相邻两线段的夹角(如图5-10左图所示);下角1、2分别代表背景等深线和实测等深线，对应的序列长度分别是n和m; k为可移动量。

其中α代表等深线上线段与水平轴的夹角(如图5-10右图所示)。

图5-10　等深线编码

式(5-19)仅顾及了两套数据坐标系统存在平移的情况，对于存在旋转的情况，设定旋转角度固定，因此，式(5-18)中的T(k)不是一个接近零的数值，而是近似为一个常值。为此，将式(5-19)中的匹配原则改化为:

基于式(5-21)完成了某个型值等深线对的匹配后，即可根据实测序列中各个点在背景场中的位置和其实测位置，计算出二者的坐标偏差(Δx，Δy)。

式(5-24)中，背景场中序列中心点坐标为(x₁，y₁)，相应的实测序列中心点坐标为(x₂，y₂)。

根据以上计算所得的角量和平移量，反映了实测区与背景区平面坐标系统间的旋转和平移量。实测区域与背景区域坐标系间的上述关系是由于INS的前期积累误差引起的，因此，(Δx，Δy)即INS的前期积累误差。

由于是多波束测量，扫测数据为一段条带，所扫测区域可能存在多根(n根)不同型值的等深线。在实测和背景数据中，对每根对应型值等深线对进行上述匹配，分别计算(Δx，Δy)，剔除粗差后，利用m个有效的(Δx，Δy)，计算出最终的INS积累误差。

粗差剔除采用3σ原则。

2.匹配实现过程

基于上述理论研究，下面给出匹配实现过程:

(1)根据INS的积累误差，在背景场中划分匹配搜索区域，匹配搜索区一般为INS积累误差的1.5～2.0倍。

(2)绘制匹配区域和实测区域地形等深线图。

(3)对(2)中两个区域对应型值的等深线进行编码，形成匹配对。

(4)按照式(5-22)给出的匹配原则进行匹配，得到最佳匹配。

(5)基于(4)，根据最佳匹配对中对应点在背景场和实测区域的坐标，计算INS前期积累误差。

(6)选择实验区内其他型值的等深线，重复(3)～(5)过程，对不同型值下的等深线对匹配所得INS积累误差进行粗差剔除。粗差剔除采用3σ原则。利用剔除粗差后的有效积累误差计算最终INS的积累误差。

获得了积累误差后，便可对INS实施修正。