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技术领域

本发明属于水下目标探测技术领域，具体涉及一种利用重力场相关辅助的无源导航目标探测方法。

背景技术

现今对于水下导航的方式有很多种，例如有GPS卫星导航、天文导航、无线电导航等，基于重力梯度导航(此处指竖直方向重力梯度)不需要接收外部的信息，同时也不向外部辐射信息进而难以进行干扰等诸多优点，是严格意义上的无源导航，具有十分重要和可行的现实意义，利用重力场相关辅助导航避障已经成为了现代导航避障技术研究的热点。

利用重力梯度仪进行辅助导航开始于20世纪60年代，从最初的研究集中在实时检测重力异常以提高惯性导航系统的精度，发展为基于重力梯度仪的高精度高分辨率的重力图研究，利用高精度的重力图和重力测量仪器便可以对惯性导航系统进行辅助修正。同时，重力梯度作为重力位的二阶导数，经过前人多番验证，重力梯度具有比重力本身更高的分辨率，且同一位置有多个分量。很多情况下，由于重力位与重力梯度都受测量点到质心距离和密度的影响，其中影响最大的一般都是垂直分量。所以我们可以选择单一分量(垂直分量)来进行水下导航避障。

目前，重力梯度张量测量在国外已经由理论研究迈入到十分成熟并进入商业应用阶段，而在我国还处于起步阶段，但重力梯度张量数据的处理和解释已经得到了开展。除了用重力梯度仪直接观测重力梯度张量，还可由重力异常数据经过一定的算法求得重力梯度张量，更直接的办法是直接用模型正演计算简单模型研究复杂地质体。国内、外学者已经研究和提出了众多重力梯度的求取算法，例如样条函数插值法，差商方法、频率域中的傅里叶变换法和余弦变换法以及有限单元方法等。

目前有AGTI算法对目标进行探测，探测质量难以确定，并且AGTI算法的质量误差会带入到距离探测中，同时，AGTI算法需要重力梯度全张量或5个张量进行计算，计算量大效率不高，同时它的最大缺陷是质量的探测误差很大，它的质量探测与积分范围有关，积分范围越大，质量的误差会越小，而积分越大，计算时间越长。这样计算时间越长，要等好长时间才能探测出目标体信息，它的实时性就会很差，其次他的距离R的探测依赖于质量，导致质量的误差会引入到距离中，那么它的位置探测也会有很大误差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对目前水下潜器对目标探测时精度不高、方法复杂的问题，提供一种基于牛顿迭代法的水下重力梯度目标探测方法，可以准确高效获取目标质量和位置，并大致判断物质种类而不依赖于形状，具有防伪装，抗干扰特性，探测方法简单通俗、使用方便快速、大大减少了人工的干预，实现了自动探测。不仅仅适用于战时水下水下潜器(潜艇)的探测，而且还可适用于水下机器人的目标探测。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种基于牛顿迭代法的水下重力梯度目标探测方法，其特征在于包括如下主要步骤：

S1：利用水下潜器的重力梯度仪对航行的区域进行实时测量，获取实测的力梯度值；

S2：利用实测的重力梯度值去减去正常的重力梯度值，得到重力梯度异常，即为目标体或密度异常体引起的重力梯度值；

S3：将步骤S2得到的目标体或密度异常体引起的重力梯度值作为重力梯度模型非线性方程组的输入，求解非线性方程组获目标体的质心相对于探测点的相对位置；由目标体的质心相对于探测点的相对位置，确定目标体的质心与探测点之间的距离；

S4：最后将上述距离和万有引力常量代入重力梯度垂直分量公式，获取目标体的质量,完成水下目标探测。

进一步的，在步骤S4之后，还可以进行步骤S5：根据目标体的质量和前述测得的目标体或密度异常体引起的重力梯度值，计算出目标体的平均密度，根据平均密度大致判断目标体物质种类。

进一步的，所述目标体为海底山峰、敌方潜艇、礁石、沉船之类的至少一种物质，当它们连成一体或重叠时将他们看成一个整体处理。

进一步的，步骤S3中，将重力梯度模型非线性方程组化简，选取三个张量求解，得到目标体距离探测点在三维坐标系中各个方向的相对距离。

进一步的，步骤S3中，选取xx,yy,zz三个张量，分别是重力位对x方向的二阶导数，y方向的二阶导数，zz方向的二阶导数。

进一步的，步骤S3中，非线性方程组化简如下：

其中x,y,z是目标体质心与测量点在x,y,z三个方向的相对距离，l是相邻测量点的步长，Γxx(t)是t时刻xx方向的重力梯度值，Γyy(t)是t时刻yy方向的重力梯度值，Γzz(t)是t时刻zz方向的重力梯度值；通过求解上述方程组，便可以得到x,y,z的值，获取目标体与探测点在三个方向的相对距离。

进一步的，步骤S3中，根据以下公式获取目标体质心与测量点的距离：

R代表目标体质心与测量点的距离，x,y,z是目标体质心与测量点在x,y,z三个方向的相对距离。

进一步的，步骤S3中，采用经典的牛顿迭代法求解非线性方程组。

进一步的，步骤S4中，目标体的质量m通过如下重力梯度垂直分量公式计算得到：

其中G为万有引力常量，Γzz是由目标体或密度异常体引起的重力梯度值，Δz为目标体z方向到探测点的相对距离。

本发明通过分析重力梯度的基本原理，设计一种重力梯度模型，将水下目标探测问题转化为数学问题，对目标在三维坐标系上相对位置的求取转化为重力梯度模型非线性方程组的求解；非线性方程组的求解采用经典的牛顿迭代法，再将求的值带入重力梯度垂直分量来反求质量，完成水下目标的探测。

基于牛顿迭代法的水下重力梯度目标探测方法，是首先通过重力梯度仪测得重力梯度值，此处说的重力梯度值均为密度异常体造成的重力梯度值。再带入化简得到一个非线性方程组，那么目标的质心相对于探测点的相对位置变成了求解非线性方程组的问题。对于非线性方程组的问题，采用经典的牛顿迭代法，可以很快的借助计算机求解得到，三维坐标系的相对位置确定后，距离也就可以确定，万有引力常量已知，最后由重力梯度垂直分量公式，将已知量和已经求取的量带入，就可以获取目标体的质量。进而完成了目标探测的任务。

相对于现有技术，本发明有益效果在于：

(1)本发明与其他水下目标探测方法相比，属于无源目标探测，具有隐蔽安全，精确有效，稳定性好，方法简单等优点。

(2)本发明先探测相对位置，再探测质量，避免了其他方法因质量探测的误差引入位置探测从而导致位置探测精度不足的问题。

(3)本发明专注于目标的总质量和相对位置的探测，这两个参数对水下潜器非常重要，还可以由重力梯度值来大致判断何种物质，关注的是总质量、平均密度，质心与测量点的距离，与他的形状无关，具有防伪装，抗干扰，还可以应用于避障的和水下矿物质勘探。

(4)本发明使用方法简便，可以快速有效的进行水下目标探测，与其他的重力梯度目标探测相比，具有简单通俗，使用方便，快速的目的，全张量中只用三个张量就可以进行水下目标探测，计算量少，且大大减少了人工的干预，对相对位置的探测转化为数学上求解非线性方程组的问题，减少了人工的工作量，实现了自动探测的目的。