CN108051866B

CN108051866B - 基于捷联惯性/gps组合辅助水平角运动隔离的重力测量方法

Info

Publication number: CN108051866B
Application number: CN201711032670.1A
Authority: CN
Inventors: 高巍; 周贤高; 裴志; 张子山; 毋兴涛
Original assignee: 707th Research Institute of CSIC
Current assignee: 707th Research Institute of CSIC
Priority date: 2017-10-30
Filing date: 2017-10-30
Publication date: 2019-04-26
Anticipated expiration: 2037-10-30
Also published as: CN108051866A

Abstract

本发明涉及一种基于捷联惯性/GPS组合辅助水平角运动隔离的重力测量方法，包括如下步骤：在实测过程中，重力仪的IMU外部采用双轴稳定平台隔离载体的水平角运动，在动态条件下经导航解算产生水平施矩量来控制平台跟踪地理水平；在重力测量数据后期处理过程中，结合DGPS信息完成对残余水平误差的Kalman滤波估计，将IMU的比力测量值通过姿态旋转到地理坐标系方向。本发明在实测过程中，通过双轴惯性稳定平台控制，使IMU基本保持地理水平位置，在对实测IMU数据的后期处理过程中，结合高精度的差分GPS信息完成对残余水平误差的Kalman滤波估计，同时能够实现对重力敏感器元件误差的估计和补偿，从而提高重力测量的动态环境适应性和重力测量精度。

Description

基于捷联惯性/GPS组合辅助水平角运动隔离的重力测量方法

技术领域

本发明属于动态重力测量技术领域，尤其是一种基于捷联惯性/GPS组合辅助水平角运动隔离的重力测量方法。

背景技术

在动态重力测量过程中，若将捷联式惯性信息测量单元(IMU)直接与载体固连，那么重力敏感器将始终随载体一起运动，尤其水平方向的角运动会放大重力敏感器与水平方向的非正交误差、标度因数误差等因素对重力测量精度的影响。因此在IMU的外围增加一个双轴平台，通过IMU陀螺和加速度计信息实现惯性稳定并实时追踪地理坐标系，保证重力敏感器的敏感轴方向始终接近地理垂向，这样可以有效提高实测数据的质量。

但是，在上述过程中，由于陀螺和加速度计元件误差引起的平台水平修正施矩量计算误差，方位轴无法隔离载体角运动，水平陀螺耦合方位旋转引起的惯性稳定误差以及闭环控制过程中的动态响应误差将导致IMU的水平姿态与地理坐标系水平之间依然存在一定程度的偏差，致使正交化后的重力敏感方向不能严格与地理垂向重合，造成最终的重力测量误差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种设计合理、精度高且动态环境适应性强的基于捷联惯性/GPS组合辅助水平角运动隔离的重力测量方法。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种基于捷联惯性/GPS组合辅助水平角运动隔离的重力测量方法，包括以下步骤：

步骤1、在实测过程中，重力仪的IMU外部采用双轴稳定平台隔离载体的水平角运动，IMU中两个水平陀螺与内外环架同轴用于稳定平台反馈控制，垂向陀螺负责方位角运动测量，配合三个加速度计共同构成速率方位平台惯导控制模式，在动态条件下经导航解算产生水平施矩量来控制平台跟踪地理水平；

步骤2、在重力测量数据后期处理过程中，结合DGPS信息完成对残余水平误差的Kalman滤波估计，将IMU的比力测量值通过姿态旋转到地理坐标系方向。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明在实测过程中，通过双轴惯性稳定平台控制，使IMU基本保持地理水平位置，在对实测IMU数据的后期处理过程中，结合高精度的差分GPS信息完成对残余水平误差的Kalman滤波估计，将IMU的比力测量值通过姿态旋转到地理坐标系方向，通过比力测量矢量的坐标转换获得更为准确的垂向加速度信息，同时能够实现对重力敏感器元件误差的估计和补偿，从而提高重力测量的动态环境适应性和重力测量精度。

2、本发明通过双轴稳定平台隔离载体的水平角运动扰动，实时跟踪地理水平，降低了单独捷联式惯性系统进行动态测量时，载体水平运动扰动对重力测量的影响；在对惯性测量数据的后处理中，通过组合导航离线处理，进一步修正双轴稳定平台相对地理水平的姿态误差，实现了对重力敏感器元件误差估计和补偿，提高了测量精度。

附图说明

图1为双轴稳定平台的结构示意图；

图2为速率地平坐标系与地理坐标系相对位置关系示意图；

图3为速率方位捷联双轴平台惯导控制流程图；

图4为重力数据后处理算法流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述。

步骤1、在实测过程中，通过双轴稳定平台控制，使捷联式惯性信息测量单元(IMU)基本保持地理水平位置。

如图1所示，重力仪的IMU外部采用双轴稳定平台隔离载体的水平角运动，IMU中两个水平陀螺与内外环架同轴，用于稳定平台反馈控制，垂向陀螺负责方位角运动测量，配合三个加速度计共同构成速率方位平台惯导控制模式，在动态条件下经导航解算产生水平施矩量来控制平台跟踪地理水平。

所述速率方位平台惯导采用的导航坐标系为地平坐标系k，其水平轴OX_k、OY_k与大地保持水平，OZ_k与姿态保持固连，如图2所示。

所述地平坐标系k与地理坐标系之间存在姿态变换，变换矩阵为：

其中，K为方位角，北偏西为正；

经惯性空间稳定后，水平陀螺输出在地理系下的投影为零用于控制，垂直陀螺敏感载体角运动，其输出在地理坐标系下的投影为：

其中，v_E为载体东向速度；ω为地球自转角速率；为地理纬度；R_N为子午面地球半径；h为载体高度；此时，方位捷联惯导系统的方位角通过陀螺输出减去载体运动角速率获得，有：

其中，K_c为解算方位角；b_gz为方位陀螺漂移；K(0)为初始方位；

IMU的加速度测量值f^b(k)通过姿态变换得到地理坐标下的加速度，再进行后续导航解算，有：

fⁿ为地理系下IMU加速度测量值；f^b(k)载体坐标系(与地平坐标系k重合)下IMU加速度测量值；b_a为加速度计零偏。

对水平加速度积分获得地理系下的水平速度为：

其中，f_E、f_N为重力仪敏感到东向和北向角速度；为解算方位角；v_E,c为解算东向速度；v_E(0)、v_N(0)为东向和北向初始速度；

对水平速度进行积分获得纬度信息为：

其中，R_M为卯酉圈地球半径；v_N,c为解算北向速度；为初始纬度；

在得到速度和位置的更新信息后，计算地理坐标系下东北向平台跟踪地理坐标系的施矩角速率ω_E和ω_N为：

最后将地理坐标系下的平台施矩量转换到k系后，直接作用于直流力矩电机，实现平台修正回路功能，施矩量为：

其中，ω_x为平台X轴陀螺施矩量，ω_y为平台Y轴陀螺施矩量；为地理坐标系到地平坐标系旋转矩阵；ω_E,c和ω_N,c分别为重力仪平台东向和北向解算施矩量；b_gx和b_gy分别为X和Y轴陀螺漂移。

速率方位捷联控制水平轴跟踪地平坐标系的控制流程如图3所示。

步骤2、重力测量数据的后期处理过程：结合GPS信息完成对残余水平误差的Kalman滤波估计，将IMU的比力测量值通过姿态旋转到地理坐标系方向。

本步骤组合导航离线处理，进一步修正双轴稳定平台相对地理水平的姿态误差。在后期数据处理过程中，结合高精度的差分GPS信息完成对残余水平误差的Kalman滤波估计，将IMU的比力测量值通过姿态旋转到地理坐标系方向，通过比力测量矢量的坐标转换获得更为准确的垂向加速度信息，同时能够实现对重力敏感器元件误差的估计和补偿，从而提高重力测量的动态环境适应性和重力测量精度。如图4所示，具体处理过程如下：

在一次测量作业后，采用重力仪中IMU的陀螺和加速度计测量值和在地理坐标系下进行惯导解算，得到惯导输出位置、速度、姿态和地理坐标系下的比力测量值。在离线获得DGPS数据后，结合载体飞行姿态信息完成对GPS定位数据的偏心修正，得到仪器位置的高精度定位数据。再经过一次差分后得到载体的速度信息。

选择地理坐标系下，SINS动态误差模型作为Kalman滤波器的状态转移矩阵，有：

其中，为载体坐标系到地理坐标系的转换矩阵；为陀螺角速率测量误差；为加速度计测量误差,W为系统噪声；

其中，姿态误差模型为：

速度误差模型为：

位置误差模型为：

元件误差模型：

对应的误差状态向量X(t)为：

式中，[φ_Eφ_Nφ_U]为IMU在东向、北向和天向姿态误差，[v_Ev_Nv_U]为东向、北向和垂向速度；为地理纬度、经度和高度；为陀螺漂移；为加速度计零偏，f_U为垂向加速度测量值。

之后，以对GPS数据修正、差分后得到的姿态经纬度、高程、速度信息作为观测量对Kalman滤波器进行更新，观测方程为：

Z(t)＝H(t)X(t)+V

其中，观测向量为：

观测矩阵为：

在得到导航计算位置误差、速度误差、姿态误差和加速度计的零偏估计后，同时对位置误差、速度误差和姿态误差进行实时反馈校正。通过组合导航得到的IMU姿态经零相位延迟低通滤波处理后对载体坐标系b下的比力测量值f^b经空间旋转得到地理坐标下的垂向加速度f_U，同时利用估计出的加速度计零偏b_aU对f_U进行补偿：

最后，对GPS数据进行二次差分得到载体加速度利用GPS位置和速度信息完成厄特弗斯改正和正常场改正，对比力测量值与GPS载体垂向加速度直接求差，最终获得重力异常δg。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims

1.一种基于捷联惯性/GPS组合辅助水平角运动隔离的重力测量方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、在实测过程中，重力仪的IMU外部采用双轴稳定平台隔离载体的水平角运动，IMU中两个水平陀螺与内外环架同轴用于稳定平台反馈控制，垂向陀螺负责方位角运动测量，配合三个加速度计共同构成速率方位平台惯导控制模式，在动态条件下经导航解算产生水平施矩量来控制平台跟踪地理水平；该步骤的具体实现方法为：

所述速率方位平台惯导采用地平坐标系k，该地平坐标系k的水平轴OX_k、OY_k与大地保持水平，垂直轴OZ_k与姿态保持固连；

所述地平坐标系k与地理坐标系之间存在姿态变换，其变换矩阵为：

其中，K为方位角，北偏西为正；

IMU的加速度测量值f^b(k)通过姿态变换得到地理坐标下的加速度，再进行后续导航解算得到：

其中，fⁿ为地理系下IMU加速度测量值；f^b(k)为载体坐标系下IMU加速度测量值；b_a为加速度计零偏；

对水平加速度积分获得地理坐标系下的水平速度：

对水平速度进行积分获得纬度信息为：

计算地理坐标系下东北向平台跟踪地理坐标系的东北向施矩角速率ω_E和ω_N为：

将地理坐标系下的平台施矩量转换到地平坐标系k系后，直接作用于直流力矩电机，实现平台修正功能，该施矩量为：

其中，ω_x为平台X轴陀螺施矩量，ω_y为平台Y轴陀螺施矩量；为地理坐标系到地平坐标系旋转矩阵；ω_E,c和ω_N,c分别为重力仪平台东向和北向解算施矩量；b_gx和b_gy分别为X和Y轴陀螺漂移；

步骤2、在重力测量数据后期处理过程中，结合DGPS信息完成对残余水平误差的Kalman滤波估计，将IMU的比力测量值通过姿态旋转到地理坐标系方向；该步骤的具体实现方法为：

在一次测量作业后，采用重力仪中IMU的陀螺和加速度计测量值和在地理坐标系下进行惯导解算，得到惯导输出位置、速度、姿态和地理坐标系下的比力测量值；在离线获得DGPS数据后，结合载体飞行姿态信息完成对GPS定位数据的偏心修正，得到仪器位置的高精度定位数据，再经过一次差分后得到载体的速度信息。

2.根据权利要求1所述的基于捷联惯性/GPS组合辅助水平角运动隔离的重力测量方法，其特征在于：在地理坐标系下进行惯导解算时，将SINS动态误差模型作为卡拉曼滤波器的状态转移矩阵，该状态转移矩阵表示如下：

其中，为载体坐标系到地理坐标系的转换矩阵；为陀螺角速率测量误差；为加速度计测量误差,W为系统噪声；另外，姿态误差模型AA、AP、AV分别为：

速度误差模型VA、VV、VP分别为：

位置误差模型PA、PV、PP分别为：

元件误差模型为：

元件误差对应的误差状态向量X(t)为：

式中，[φ_E φ_N φ_U]为IMU在东向、北向和天向姿态误差，[v_E v_N v_U]为东向、北向和垂向速度；为地理纬度、经度和高度；为陀螺漂移；为加速度计零偏，f_U为垂向加速度测量值。