水下地磁辅助导航是当前导航领域的前沿课题。其研究意义在于，首先可克服水下载体通常的主导航系统——惯性导航系统存在误差随时间累积的缺陷，其次可弥补目前应用较广的卫星导航系统存在无线信号水中快速衰减的不足。而地磁场作为地球本身的固有参照源，为水下载体提供了相对稳定的自主导航定位信息。目前国内外水下地磁导航的研究仅处于前期论证的起步阶段，本文依托于863课题“水下地磁导航关键技术与原型系统研究”(2007AA092201)，预研了水下地磁辅助导航系统的理论模型及其关键技术的算法实现。　　 水下地磁辅助导航起步较晚，源于该项技术存在大量的技术难题。首先水下地磁基准数据缺乏，目前能够获取的海洋磁场资料以航空磁测数据为主；其次水下载体自身磁场对地磁场的测量产生严重的干扰，甚至地磁场可能完全湮没在载体磁场中；再次地磁场本身存在较大的扰动，如磁暴等的发生可使该项技术几乎不可用。因此目前该项研究仍处于理论探索阶段，已有工作主要集中于传统匹配算法的移植应用，可获取的直接可借鉴资料较少。　　 针对该项研究刚刚起步缺乏完整理论体系的背景，在调研国内外研究现状的基础上，本文在海上实测数据的支撑下对各环节的理论模型、关键技术及相关算法进行探索与实现，具体的研究内容及得到的相关结论如下：　　 1.海洋地磁导航三维参考立方空间的构建。该模块分为纵向的延拓与横向的插值两部分。延拓环节包含地磁场正常场与异常场的解析建模，提出基于最大后验估计与二维小波消噪组合的向下延拓方法。插值环节主要提出了基于航向冗余的收敛Kriging插值算法。同时为弥补实测基准数据地磁分布在多样性方面的不足，建立了扩展的随机—相关骨架与分形细节组合改进二维标量场模拟生成算法。三维参考立方空间的建立为水下载体运行于有限深度提供了高精度参考定位的解决方案。　　 2.水下地磁导航定位的预处理。该模块主要包含对定位精度影响较大的最优航迹规划、测量序列消噪、拖曳距离选择三个部分。为解决基准地磁图可导航性的分析问题，提出基于平行航迹差异度的最优航迹规划算法。为减弱实测序列的附加噪声对定位结果产生的影响，建立了双密度小波—平移不变—交叉验证组合的消噪算法。为克服水下载体自身磁场对测量结果的干扰，采用拖曳测量方式并对载体磁场进行简化磁偶极子建模确定合适的拖曳距离。上述预处理环节大大提高了导航定位的精度与可靠性。　　 3.基于水下载体特定运动模式的新的匹配定位定向算法。在对相关匹配算法从模式识别角度进行深入理论分析的基础上，针对相关匹配应尽可能提取包含真实航迹的待匹配轨迹这一关键环节，本文提出了基于等值线等距分割相交直线的新型定位定向算法。该算法在低噪声干扰下定位精度大大高于传统的相关匹配算法。同时为克服地磁日变、月变乃至年变、磁暴等使实测磁场偏离参考磁场分布的问题，提出了相对相关的匹配判定规则，降低地磁导航中干扰因素的影响。配合Huber型M估计去除野值，三者组合的匹配定位算法在精度、可靠性、效率等方面均有提高。　　 4.引入基于多模型自适应估计和改进粒子滤波的迭代定位算法。滤波融合算法探讨的基础是相对精确的惯导模型，本文在分解惯导误差源的基础上构建了捷联惯导的仿真平台，为组合滤波修正的研究构建了基准源。然而针对实际应用，当前开发的惯导误差模型通常无法反映真实误差传播规律。因此采用基于多模型自适应估计的单态滤波器阵，实现迭代定位并只针对惯导位置进行修正，定位结果具有较高的精度。针对水下地磁导航干扰因素较多、拖曳测量使得位置误差较大，以及日变偏移使得多模型自适应估计失效等问题，采用适合非线性非高斯过程的粒子滤波进行迭代定位。同时基于减低非高斯性状可使得粒子需覆盖的范围减小，采用离线野值辨识算法对粒子滤波进行改进，结果表明无论定位鲁棒性还是执行效率均有提高。　　 5.针对本文所提模型与算法的海上实测数据验证与分析。实测天津渤海湾内的局部区域地磁基准数据及同步的惯导、GPS数据，作为检验本文所提算法的真实参考基准。基于此数据，本文验证并分析了航迹规划、消噪算法、拖曳测量、匹配定位定向、相对相关、多模型自适应估计迭代定位、粒子滤波迭代定位算法，为论文的算法验证和有效性检验提供了真实的数据基础。　　 本研究的开展以水下地磁组合导航系统的功能模块分解为基本框架，以移植并比较现有方法的适用性为出发点，然后逐模块探索相应的解决方法为基本研究方案。采用的数学方法主要包括实现提供逆解完备参量信息的冗余采样、时频同步分析的小波变换、适用多源信息融合的滤波估计等。并通过真实海磁测量数据、惯导数据、仿真试验进行算法的效果验证，保证构建的理论模型与关键技术具备基本的可靠性与实用性。　　 通过以上研究，本文除构建了水下地磁辅助导航系统的基本理论外，主要的创新点包括：　　 1)基于辅助导航的要求构建了地磁三维参考立方空间，并提出了基于MAP估计与二维小波消噪组合磁异常下延算法、基于航向测量冗余的收敛Kriging插值算法、扩展的随机.相关骨架与分形细节组合改进二维标量场模拟生成算法：2)针对预处理环节，提出了平行航迹差异度最优航迹规划算法、双密度小波—平移不变—交叉验证组合消噪算法；3)提出基于水下载体匀速直线特定运动模式的定向定位算法，为克服地磁日变、月变等干扰因素引入了相对相关的匹配判定规则，并采用Huber型M—估计器来提高定位结果的稳定性；4)在地磁/惯性的组合导航过程中，针对目前简化的惯导模型无法真实表征惯导机理的现状及初始位置误差较大，应用多模型自适应估计的单态滤波阵针对位置偏移进行修正；同时针对水下地磁导航是非线性非高斯性态，应用粒子滤波算法实现定位修正，并采用离线野值辨识算法趋近高斯分布而减少粒子数目加以改进。　　 本文研究抽象出水下地磁辅助导航系统各环节的数学本质，以机理探讨和算法实现为基本研究思路，在海上实测数据的验证下，初步证实了水下地磁场在辅助导航上的理论可行性。本文的研究成果具有一定的理论价值和应用价值，为进一步开展水下地磁辅助导航的工程实现提供了理论基础和技术支撑。