王 宇,肖 烜,劉績(jī)寧,鄧志紅,王 博
(北京理工大學(xué),北京 100089)
2021年3月發(fā)布的《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》中提出,要將深海探測(cè)作為科技前沿領(lǐng)域攻關(guān),將精密重力測(cè)量研究設(shè)施作為國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施。重力場(chǎng)是地球的固有物理場(chǎng)[1],重力儀等測(cè)量?jī)x器可以實(shí)時(shí)獲得所在位置的重力異常信息,由于重力異常信息具有良好的時(shí)空位置特征,且不破壞水下航行器的隱蔽性,因此使用重力輔助慣性導(dǎo)航系統(tǒng),能夠安全、有效地提高慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航定位精度。
適配區(qū)選取是水下重力輔助慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一[2,3]。傳統(tǒng)適配區(qū)選取算法主要有閾值法和單一特征值選取法等,主要對(duì)重力場(chǎng)統(tǒng)計(jì)特征參數(shù)進(jìn)行比較分析[4],而忽略了重力場(chǎng)的空間特點(diǎn)和幾何特征,導(dǎo)致漏掉潛在的適配區(qū)域。
本文提出了一種基于分割嵌套三角剖分的重力場(chǎng)三維模型,首先利用墨卡托投影和重力異??臻g校正,將傳統(tǒng)重力場(chǎng)柵格信息變換為三維高程信息。再利用分割嵌套的思想,不斷從重力場(chǎng)最小環(huán)形域中分割出最優(yōu)三角形,從而形成重力場(chǎng)三角網(wǎng)絡(luò)。對(duì)網(wǎng)絡(luò)中每一個(gè)小三角形,選取了坡度、坡向、起伏度和粗糙度作為重力場(chǎng)局部幾何特征,采用聚類算法,將重力場(chǎng)分為強(qiáng)適配區(qū)、弱適配區(qū)和非適配區(qū),據(jù)此進(jìn)行重力場(chǎng)適配區(qū)選取,使得適配區(qū)的選取更為有效。
墨卡托變換可以使得投影坐標(biāo)系更合適地描述不規(guī)則的重力場(chǎng)特征,對(duì)于重力場(chǎng)特征變化較為明顯、起伏程度更大的區(qū)域可以表示得更加精確。將赤道作為標(biāo)準(zhǔn)緯線,本初子午線作為中央經(jīng)線,赤道與本初子午線的交點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn),取東向北向?yàn)檎较?。根?jù)等角條件,將地球表面的信息投影到一個(gè)平面上,地球表面的每一部分都對(duì)應(yīng)相應(yīng)平面上的微積線段,求得對(duì)應(yīng)微積線段的關(guān)系式。然后先將地球近似視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的球體:在地球表面取一點(diǎn)A,假設(shè)A點(diǎn)在經(jīng)緯度坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為(λ,)φ,在墨卡托投影坐標(biāo)系下對(duì)應(yīng)的投影坐標(biāo)為(x,y),將赤道設(shè)置為基準(zhǔn)緯線,用R表示地球半徑??傻媚ㄍ型队胺匠淌綖椋?/p>
最后推至更一般的表達(dá)式,將地球視為旋轉(zhuǎn)中的橢球體,對(duì)應(yīng)的(X,Y)=f(B,L)的墨卡托正解變換由式(2)表示:
式中,a為橢球體長(zhǎng)半軸長(zhǎng)度,取6378136.49 m,b為橢球體短半軸長(zhǎng)度,取6356755.00 m,e為第一偏心率,取0.0818,e′為第二偏心率,取0.0821,N為卯酉圈曲率半徑長(zhǎng)度。
重力場(chǎng)數(shù)據(jù)在投影坐標(biāo)系中的橫、縱坐標(biāo)單位為米,而重力異常的單位為毫伽(mGal),由于單位不同,因此將z因子作為重力異常值的轉(zhuǎn)換因子,通過(guò)映射關(guān)系將重力異常值信息與高度信息之間建立聯(lián)系,這樣可以保證重力場(chǎng)三角剖分得到的三維曲面單位一致,都用長(zhǎng)度單位米來(lái)表示。
根據(jù)重力異??臻g校正的泰勒展開式,可以將空間校正看作將大地水準(zhǔn)面上的正常重力值γ0()φ進(jìn)行延拓至高度h上的正常重力值與原來(lái)高度的差異。將高程信息h作為地球半徑R的增量,可得:
其中誤差項(xiàng)即為高度校正值:(?γ/?r)0h+(1/2)(?2γ/?h2)0h+…。
若將地球看作扁率為f的橢球,可得與平靜海平面處于一致狀態(tài)的大地水準(zhǔn)面上的一點(diǎn)正常重力值g0與該點(diǎn)高程為h處的正常重力異常值gh之間滿足以下方程:
其中g(shù)e為地球赤道上的重力值;R為地球的平均半徑;q為赤道上慣性離心力與引力之比;φ為地理緯度。
地球參數(shù)采用ge=9780300mGal,R=6371.2km,f=1/298.3,q=0.003467。得到空間校正公式近似為:
若進(jìn)行進(jìn)一步的簡(jiǎn)化,將地球看作半徑為R的均質(zhì)圓球,則距離地面高度h處的重力值為:
對(duì)應(yīng)的大地水準(zhǔn)面上點(diǎn)的引力為:
將式(6)(7)作差可得:
將地球半徑和地球平均重力代入可得一階近似公式:
由此可得,每1 m 的高程位移產(chǎn)生約0.3086 mGal的重力異常變化。由式(2)(10)可以將經(jīng)緯度信息、重力異常值信息進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理,轉(zhuǎn)化為以米為單位的坐標(biāo)。如將圖1的重力場(chǎng)傳統(tǒng)柵格信息經(jīng)過(guò)墨卡托投影變換后得到圖2所示區(qū)域。
圖1 傳統(tǒng)重力場(chǎng)等值線平面結(jié)構(gòu)Fig.1 Plane structure of isoline of traditional gravity field
圖2 墨卡托投影變換后的等值線圖Fig.2 Contour map after Mercator transformation
重力場(chǎng)三角網(wǎng)是根據(jù)已知的傳統(tǒng)重力場(chǎng)重力異常柵格點(diǎn)及其中蘊(yùn)含的位置等信息,通過(guò)三角剖分等處理方式,將這些點(diǎn)按照一定規(guī)則、一定順序串聯(lián)起來(lái),構(gòu)成由互不相交、互不重疊的三角形形成的三角網(wǎng)絡(luò)[6]。這種三角網(wǎng)絡(luò)對(duì)于處理復(fù)雜重力曲面信息,分析其中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有重要作用,因此可以用構(gòu)建重力場(chǎng)的三角網(wǎng)絡(luò)來(lái)對(duì)重力場(chǎng)幾何拓?fù)涮攸c(diǎn)進(jìn)行分析和提取[7]。
在構(gòu)建重力場(chǎng)三角網(wǎng)絡(luò)時(shí),需要利用三角剖分算法。常用的三角剖分算法例如Delaunay 三角剖分[8,9],這種算法更側(cè)重于對(duì)三維立體結(jié)構(gòu)進(jìn)行剖分,更適用于對(duì)某個(gè)場(chǎng)立體特征的分析。而本文提出的基于分割嵌套環(huán)形域三角剖分算法能夠較為準(zhǔn)確地對(duì)重力場(chǎng)表面的信息進(jìn)行描述,可以將重力場(chǎng)背景圖中提供的重力場(chǎng)點(diǎn)集的幾何特征表現(xiàn)出來(lái),且算法的可行性較高,復(fù)雜度較小,還可以解決許多較常見三角剖分算法無(wú)法解決的最小權(quán)三角剖分的實(shí)現(xiàn)問題,所以在構(gòu)造重力場(chǎng)三角網(wǎng)絡(luò)時(shí)采用這種基于分割嵌套的三角剖分算法。
將重力場(chǎng)背景圖中提供的重力場(chǎng)點(diǎn)集經(jīng)坐標(biāo)變換投影到經(jīng)度-緯度坐標(biāo)平面上,由此得到一組平面重力場(chǎng)點(diǎn)集,再將平面重力場(chǎng)點(diǎn)集中全部點(diǎn)組成一個(gè)凸殼,通過(guò)不斷篩選凸殼中的頂點(diǎn),找到位于最內(nèi)層的嵌套凸殼,從此開始可以分為三種情況:最內(nèi)層凸殼不包含、包含1 個(gè),或者包含2 個(gè)平面重力場(chǎng)點(diǎn)集中的點(diǎn)。包含3 個(gè)或3 個(gè)以上平面重力場(chǎng)點(diǎn)集中的點(diǎn)的情況是不可能發(fā)生的,因?yàn)槿绻矫嬷亓?chǎng)點(diǎn)集中有3 個(gè)點(diǎn)都位于篩選得到的最內(nèi)層凸殼中,則該凸殼中還可以繼續(xù)劃分出一個(gè)位于其內(nèi)側(cè)的凸殼,也就意味著它不能作為嵌套區(qū)域中最內(nèi)層的凸殼。
接下來(lái)對(duì)三種情況分別處理。若最內(nèi)層凸殼中不包含平面重力場(chǎng)點(diǎn)集中的點(diǎn),則求出該凸殼的直徑,從中取點(diǎn)作為判斷時(shí)的頂點(diǎn),判斷凸殼中點(diǎn)的共線情況,將不共線的點(diǎn)與其他點(diǎn)連成線段,比較所得線段之間的長(zhǎng)度,刪去長(zhǎng)度較長(zhǎng)的線段,保留長(zhǎng)度較短的線段,對(duì)每個(gè)不共線的點(diǎn)都進(jìn)行這樣的步驟,直到將整個(gè)凸殼完全分割成三角形。若最內(nèi)層凸殼中包含1個(gè)平面重力場(chǎng)點(diǎn)集中的點(diǎn),則將該點(diǎn)分別與凸殼的各頂點(diǎn)相連接,將這些連成的線段按照本身的長(zhǎng)度由大到小的順序排序,得到對(duì)應(yīng)的凸殼頂點(diǎn)的序列,再將這些凸殼頂點(diǎn)按順序作為判斷時(shí)的頂點(diǎn),判斷凸殼內(nèi)部的共線情況,將不共線的點(diǎn)與其他點(diǎn)連成線段,通過(guò)比較線段長(zhǎng)度的大小關(guān)系,對(duì)線段進(jìn)行添加和刪除,直到將整個(gè)凸殼完全劃分為三角形。若最內(nèi)層凸殼中包含平面重力場(chǎng)點(diǎn)集中的2 個(gè)點(diǎn),則將這2 個(gè)點(diǎn)連接成一條線段,取凸殼中位于該線段右側(cè)的點(diǎn),將該點(diǎn)分別與最內(nèi)層凸殼包含的平面重力場(chǎng)中的2 個(gè)點(diǎn)相連接,這樣就形成了一個(gè)完整的凸殼,在新得到的凸殼中判斷點(diǎn)與線的位置關(guān)系,再通過(guò)線段長(zhǎng)度的比較進(jìn)行篩選,將該凸殼進(jìn)行劃分,直至使之成為全部由三角形構(gòu)成的凸殼。
在對(duì)平面重力場(chǎng)點(diǎn)集中最內(nèi)層嵌套凸殼處理后,再對(duì)中間的環(huán)形區(qū)域進(jìn)行劃分,可以取出一條固定邊,分別選出環(huán)形區(qū)域中位于固定邊同一側(cè)的點(diǎn)鏈,將固定邊的兩個(gè)端點(diǎn)分別與該點(diǎn)鏈相連接,由此形成一個(gè)新的凸殼,再用與處理最內(nèi)層相同的方法對(duì)其進(jìn)行劃分,即可得到完整的三角剖分結(jié)果。分割嵌套環(huán)形域的三角剖分算法流程圖如圖3所示。
圖3 分割嵌套環(huán)形域的三角剖分算法流程圖Fig.3 Flow chart of triangulation algorithm for segmenting nested ring domain
從經(jīng)過(guò)三角剖分后的重力場(chǎng)三角網(wǎng)絡(luò)中,可以提取重力場(chǎng)幾何空間特征參數(shù)來(lái)對(duì)重力場(chǎng)特征,尤其是局部特征進(jìn)行分析,進(jìn)而更加合理、更加精確地描述重力場(chǎng)三維表面特性。本文提取的重力場(chǎng)幾何空間特征包括:坡度、坡向、起伏度和粗糙度[10]。其中,坡度和坡向能夠表現(xiàn)重力場(chǎng)局部三角形法向量在俯仰角及旋轉(zhuǎn)角上的變化。起伏度和粗糙度能夠表征重力場(chǎng)局部曲面變化特征及起伏程度。
坡度為重力場(chǎng)三角面的法線矢量與z軸矢量的夾角,可以表示重力場(chǎng)曲面局部的最陡坡傾斜程度,是每個(gè)三角面中的最大重力異常變化率。坡度值的范圍為0°~90°。坡度值越小,重力場(chǎng)曲面變化越平緩,坡度值越大,重力場(chǎng)曲面變化越陡峭。坡度slope的表達(dá)式如下:
坡向?yàn)橹亓?chǎng)三角面的法線矢量在水平面的投
影矢量與正北方向矢量的夾角,可以表示曲面的水平方向,是坡度所面對(duì)的方向。坡向按照順時(shí)針方向進(jìn)行測(cè)量,坡向角度范圍介于0°(正北)到360°(仍是正北)之間,即完整的圓。坡向可以用于識(shí)別重力場(chǎng)曲面某一位置處的最陡下坡方向。坡向aspect的單位為°,表達(dá)式如下:
其中,nx表示標(biāo)準(zhǔn)法線矢量在x軸的分量,ny表示標(biāo)準(zhǔn)法線矢量在y軸的分量。
起伏度是指重力場(chǎng)三角面內(nèi)最大的重力異常值z(mì)max與最小重力異常值z(mì)min之差,是描述重力場(chǎng)特征的一個(gè)宏觀性指標(biāo),起伏度反映的是區(qū)域內(nèi)重力場(chǎng)起伏變化的特征,起伏度越大,則說(shuō)明重力場(chǎng)特征變化越豐富。起伏度relief的單位為mGal,表達(dá)式如下:
粗糙度是重力場(chǎng)空間三角面積S與其在水平面上的投影面的面積S' 之比,它是描述重力場(chǎng)曲面的侵蝕程度的重要指標(biāo),粗糙度越大,則說(shuō)明重力場(chǎng)空間表面越曲折,特征變化越豐富。粗糙度rough表達(dá)式如下:
為了利用重力場(chǎng)三角網(wǎng)絡(luò)的幾何特征,需要對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘。k-means方法是一種經(jīng)典的迭代求解聚類分析算法,被廣泛應(yīng)用在機(jī)器學(xué)習(xí)、圖形分析領(lǐng)域。本文利用k-means方法對(duì)4 個(gè)重力場(chǎng)幾何特征值進(jìn)行聚類分析,從而將重力場(chǎng)按照適配性劃分為3 種區(qū)域:強(qiáng)適配區(qū)、弱適配區(qū)和非適配區(qū)。
從重力場(chǎng)三角網(wǎng)絡(luò)中隨機(jī)選取3 個(gè)三角面的4 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化處理后的幾何特征值作為初始聚類中心,計(jì)算其余三角面的標(biāo)準(zhǔn)化幾何特征值到這些聚類中心的相似性度量。本文采用的歐氏距離度量如下:
其中,i,j為重力場(chǎng)三角網(wǎng)絡(luò)中局部三角形編號(hào),xij為重力場(chǎng)三角面的標(biāo)準(zhǔn)化幾何特征值。
根據(jù)相似性度量的計(jì)算結(jié)果,將不同的重力場(chǎng)三角形分配給相似度最高的聚類中心,更新聚類中心并重新分配幾何特征值,在聚類過(guò)程中使用的聚類準(zhǔn)則函數(shù)為:
其中,mij為聚類中心特征向量,E為均方差之和。重復(fù)迭代更新聚類中心和特征向量分配環(huán)節(jié),當(dāng)E的值不變時(shí),代表算法收斂,最終將重力場(chǎng)按照適配性劃分為3 種適配區(qū)域。
圖4 基于三角剖分的適配區(qū)選取流程圖Fig.4 Flow chart of area selection based on triangulation
選取北緯24°~28°,東經(jīng)126°~130°范圍的重力場(chǎng)背景圖進(jìn)行實(shí)驗(yàn),分辨率為1′×1 ′,經(jīng)改進(jìn)克里金算法將其插值為0.5′×0.5′,其中重力異常值最大為91.09 mGal,最小為-75.97 mGal。在仿真中,x軸、y軸坐標(biāo)為墨卡托投影變換后的經(jīng)度、緯度坐標(biāo),z軸為經(jīng)過(guò)重力異??臻g校正變換后的重力異常值。采用本文提出的基于分割嵌套三角剖分算法,將傳統(tǒng)的重力場(chǎng)等值線平面格網(wǎng)結(jié)構(gòu),變換為重力場(chǎng)立體三角網(wǎng)結(jié)構(gòu),如圖5所示。形成由115198 個(gè)小三角形組成的連續(xù)三角面,來(lái)描述重力場(chǎng)的幾何拓?fù)涮卣鳌?/p>
圖5 嵌套分割三角剖分后的局部重力場(chǎng)立體三角網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.5 Three dimensional triangulation structure of local gravity field after nested segmentation triangulation
在經(jīng)過(guò)三角剖分后的重力場(chǎng)三角網(wǎng)中,選擇每一個(gè)局部三角形的坡度、坡向、起伏度和粗糙度作為重力場(chǎng)幾何空間特征參數(shù)。4 個(gè)特征參數(shù)在仿真區(qū)域內(nèi)的空間分布如圖6所示。
圖6 重力場(chǎng)坡度、坡向、起伏度和粗糙度空間分布圖Fig.6 Spatial distribution of gradient,aspect,fluctuation and roughness of gravity field
經(jīng)過(guò)對(duì)坡度、坡向、起伏度和粗糙度的k-means聚類后,得到的該區(qū)域內(nèi)重力場(chǎng)適配性如圖7所示,其中深藍(lán)色區(qū)域代表強(qiáng)適配區(qū),黃色區(qū)域代表弱適配區(qū),綠色區(qū)域代表非適配區(qū)。同時(shí)采用傳統(tǒng)的閾值法多指標(biāo)融合方法,選取重力場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)差和經(jīng)緯度方向相關(guān)系數(shù)作為重力特征參數(shù)[14],并通過(guò)經(jīng)驗(yàn)確定閾值k=10,應(yīng)用閾值法得到最終選取標(biāo)準(zhǔn),并在同一片區(qū)域內(nèi)進(jìn)行適配區(qū)選取,得到的結(jié)果如圖8所示。
圖7 3 種重力場(chǎng)適配區(qū)空間分布圖Fig.7 Distribution map of three gravity adaptation areas
圖8 傳統(tǒng)閾值法適配區(qū)選取結(jié)果Fig.8 Selection results of adaptation region of traditional threshold method
結(jié)合圖7-8 可以看出,同一片重力場(chǎng)內(nèi),傳統(tǒng)方法與本文所提方法在適配區(qū)的選擇上有較大不同,主要體現(xiàn)在圖8的三片區(qū)域內(nèi)。傳統(tǒng)閾值法將區(qū)域1 和區(qū)域2 劃分為非適配區(qū),區(qū)域3 作為適配區(qū),而本文所提出的適配區(qū)選取方法,將區(qū)域1 作為強(qiáng)適配區(qū),區(qū)域2 作為弱適配區(qū),而區(qū)域3 作為非適配區(qū)。傳統(tǒng)閾值法過(guò)于強(qiáng)調(diào)參數(shù)閾值的作用,而缺少多指標(biāo)融合的手段,忽略了重力場(chǎng)的空間特點(diǎn)和幾何特征,導(dǎo)致漏掉潛在的適配區(qū)域。
本文算法選出來(lái)的強(qiáng)適配區(qū)(如區(qū)域1),重力場(chǎng)的坡度較大,坡向變化明顯,同時(shí)起伏度和粗糙度較大,表明該區(qū)域內(nèi),重力場(chǎng)的幾何空間特征明顯,重力異常信息豐富,適合進(jìn)行重力匹配定位。根據(jù)仿真結(jié)果,選擇圖7中紅圈內(nèi)區(qū)域(即圖8中的區(qū)域1)作為適配區(qū),規(guī)劃水下航行器的仿真軌跡。設(shè)航行器在水下進(jìn)行勻速直線運(yùn)動(dòng),航行速度為20 節(jié)(約10.289 m/s),航向?yàn)槲鞅狈较?,設(shè)定航行時(shí)間為150 min。陀螺常值偏移為0.01°/h,陀螺隨機(jī)誤差為0.001°/h,加速度計(jì)零偏為100 μg,隨機(jī)誤差為50 μg。
如圖9所示,黑色的曲線是水下航行器的真實(shí)軌跡,藍(lán)色的曲線是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)輸出軌跡,可以看出經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的航行后,INS 輸出軌跡逐漸發(fā)散,偏離真實(shí)軌跡。而紅色的曲線代表基于ICCP 算法的重力匹配航跡,與真實(shí)軌跡幾乎重合,匹配定位平均位置誤差與重力場(chǎng)背景圖網(wǎng)格分辨率相當(dāng)。表1為重力匹配定位解算結(jié)果。仿真結(jié)果表明,本文所提算法能夠選擇被傳統(tǒng)適配區(qū)選取算法漏掉的強(qiáng)適配區(qū),在此適配區(qū)內(nèi),重力匹配定位效果好,精度高。
圖9 強(qiáng)適配區(qū)內(nèi)重力匹配定位航跡圖Fig.9 Gravity matching positioning track map in strong adaptation area
表1 強(qiáng)適配區(qū)內(nèi)重力匹配定位誤差Tab.1 Gravity matching positioning error in strong adaptation area
本文針對(duì)傳統(tǒng)重力場(chǎng)適配區(qū)選取算法缺乏對(duì)重力場(chǎng)三維信息、局部信息充分利用的問題,提出一種基于分割嵌套三角剖分的重力場(chǎng)適配區(qū)選取算法。首先利用墨卡托投影和重力異??臻g校正,將傳統(tǒng)重力場(chǎng)柵格信息變換為三維高程信息。再利用分割嵌套的思想,不斷從重力場(chǎng)最小環(huán)形域中分割出最優(yōu)三角形,從而形成重力場(chǎng)三角網(wǎng)絡(luò)。對(duì)網(wǎng)絡(luò)中每一個(gè)小三角形,本文選取了坡度、坡向、起伏度和粗糙度作為重力場(chǎng)局部幾何特征,采用k-means聚類算法,將重力場(chǎng)分為強(qiáng)適配區(qū)、弱適配區(qū)和非適配區(qū)。在強(qiáng)適配區(qū)內(nèi),重力場(chǎng)的坡度較大,坡向變化明顯,同時(shí)起伏度和粗糙度較大。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,基于分割嵌套三角剖分的重力場(chǎng)適配區(qū)選取算法彌補(bǔ)了傳統(tǒng)方法描述重力場(chǎng)特征時(shí)單一、片面的缺陷,能夠挖掘出重力場(chǎng)更多的局部信息減少了人工干預(yù)和人工經(jīng)驗(yàn)判斷,更加全面客觀地劃分適配區(qū)。未來(lái)可以繼續(xù)針對(duì)三角剖分后的重力場(chǎng)進(jìn)行幾何特征挖掘,同時(shí)將軌跡信息也進(jìn)行相似處理,利用重力場(chǎng)三角形和軌跡三角形進(jìn)行基于計(jì)算幾何的匹配算法研究。
中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)報(bào)2022年1期