CN109470241A - 一种具备重力扰动自主补偿功能的惯性导航系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具备重力扰动自主补偿功能的惯性导航系统及方法，其技术特点在于：包括平台式惯性导航系统、惯性信息测量模块和重力梯度测量模块；所述平台式惯性导航系统包括三轴平台框架、平台台体和平台底座；所述惯性信息测量模块包括惯性测量单元和重力测量模块；所述惯性测量单元输出线运动和角运动信息进行导航解算；所述三轴平台框架将平台台体稳定在地理坐标下，同时输出载体位置、速度、航向、姿态导航信息；所述重力测量模块和重力梯度测量模块同步测量载体当前位置的重力异常信息和全张量重力梯度信息，计算出载体当前位置的重力矢量信息，并将重力矢量信息用于惯性测量单元的导航解算。本发明能够提高惯性导航系统精度。

Description

一种具备重力扰动自主补偿功能的惯性导航系统及方法

技术领域

本发明属于惯性导航技术领域，涉及惯性导航系统，尤其是一种具备重力扰动自主补偿功能的惯性导航系统及方法。

背景技术

惯性导航是根据牛顿惯性原理，利用陀螺仪建立导航坐标系，利用加速度计测量载体运动加速度，经过一次积分得到运载体的速度，再经过一次积分得到运载体的地理位置的导航方法。传统的固定方位半解析式惯性导航系统基本原理如图3所示，通过三只单自由度陀螺仪和框架系统构成三轴稳定平台，通过陀螺仪敏感的角运动信息施加指令驱动力矩电机以达到隔离载体角运动的作用。

在系统定位方面，在稳定平台始终保持水平指北的前提下，在平台上水平安装三只相互垂直的加速度计，三只加速度计敏感轴分布沿平台北向轴、东向轴和垂向轴安装，用来分别测量载体北向、东向和垂向加速度。这些加速度信号除含有运载体相对地球的运动加速度以外，还含有哥氏加速度、离心加速度及重力矢量等有害加速度。因此在解算过程中进行有害加速度A_Bx、A_By和A_Bz的补偿，然后经过一次积分可得运载体速度分量，即

式中V_x(t)、V_y(t)和V_z(t)表示载体在地理坐标系下的北向、东向和垂向实时速度，V_x0、V_y0和V_z0表示载体在地理坐标系下的初始时刻北向和东向和垂向速度，A_x、A_y和A_z表示北向、东向和垂向加速度计的输出加速度，A_Bx、A_By和A_Bz表示需要补偿的北向、东向和垂向有害加速度。传统惯导系统的有害加速度项为：

式中Ω表示地球自转角速度，表示载体当前地理纬度，V_x、V_y表示载体北向、东向速度，R表示地球半径，g表示地球椭球模型上的重力加速度。

将所得到速度分量在经过一次积分运算，即可得到运载体相对地球的经度、纬度和高度的变化量。如果输入起始点的经度、纬度和高度，就可得到运载体所在地的经度、纬度和高度。

有害加速度的补偿是惯性导航系统解算过程中重要环节之一，而由于加速度计无法区分运动加速度和重力加速度，一般采用正常重力模型来代替实际重力值在解算中予以补偿。但由于实际地球的形状不规则、内部质量分布不均匀、参考椭球与大地水准面不完全重合等原因，重力矢量和正常重力模型的计算值有所偏差，这种偏差称为重力扰动。重力扰动分为重力异常和垂向偏差两部分，其中重力异常是实际重力矢量模值与模型重力模值之差，垂向偏差为实际重力方向与模型重力方向的夹角。重力扰动矢量可表示为：

δg＝|g|-g₀

g₀＝[0 0 -g₀]^T

g＝[g_x g_y -g_z]^T

式中δg表示重力异常值，|g|表示当前位置实际重力矢量模值，g0表示正常重力模型下的计算值，g_x表示重力矢量东向分量，g_y表示重力矢量北向分量，g_z表示重力矢量垂向分量。

在考虑重力扰动的条件下，则惯导系统中有害加速度可表示为：

随着惯性元件精度的不断提高和惯性导航系统技术的不断发展，重力扰动已成为高精度惯性导航系统的一项主要误差来源。传统的应对方法是采用专用的重力仪或重力梯度仪实时测量重力矢量，对惯性导航系统进行补偿。惯导系统与重力信息测量系统是分离的，存在系统复杂、可靠性差、成本高、数据信息传输延迟的问题。并且由于二者空间不一致，存在一定的测量误差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种具备重力扰动自主补偿功能的惯性导航系统及方法，具备重力实时测量功能和重力梯度实时测量功能，利用重力、重力梯度的实时测量值计算有害加速度中的重力扰动项并在解算中予以补偿，以实现提高惯性导航系统精度的目的。

本发明解决其现实问题是采取以下技术方案实现的：

一种具备重力扰动自主补偿功能的惯性导航系统，包括平台式惯性导航系统、惯性信息测量模块和重力梯度测量模块；所述平台式惯性导航系统包括三轴平台框架、平台台体和平台底座；所述惯性信息测量模块包括惯性测量单元和重力测量模块；所述平台底座上安装有平台框架，在该平台框架上安装有平台台体；在该平台台体上固装有惯性测量单元和重力测量模块、重力梯度测量模块；所述惯性测量单元输出线运动和角运动信息进行导航解算；所述三轴平台框架将平台台体稳定在地理坐标下，同时输出载体位置、速度、航向、姿态导航信息；所述重力测量模块和重力梯度测量模块同步测量载体当前位置的重力异常信息和全张量重力梯度信息，计算出载体当前位置的重力矢量信息，并将重力矢量信息用于惯性测量单元的导航解算。

一种具备重力扰动自主补偿功能的惯性导航方法，包括以下步骤：

步骤1、惯性导航系统在执行导航功能的同时，同步完成重力和重力梯度实时测量；

步骤2、根据步骤1获得的重力梯度张量的测量值结合惯导系统解算出当前载体的位置信息，实时计算载体当前位置的重力矢量水平双分量；

步骤3、通过当前位置的重力异常值，结合步骤2中得到的当前位置的重力矢量水平分量，计算载体当前位置的重力矢量垂向分量，从而得到地理坐标系下的重力矢量；

步骤4、利用地理坐标系下的重力矢量三分量，在惯导系统解算中更高精度的补偿有害加速度中的重力矢量。

而且，所述步骤2的具体步骤包括：

(1)在系统正常工作时，平台上的重力测量组件输出当前位置的重力异常值δg，重力梯度测量组件输出当前位置的重力梯度全张量信息Γ，其中Γ在数学上可表示为：

式中，Γ_ij(i,j＝x,y,z)为梯度张量的分量，表示重力分量g_i在j方向上的变化率；

(2)将所得到重力梯度信息中的水平分量对位置经过一次积分运算，即可得到当前位置重力矢量水平分量的变化量；如果输入起始点的重力矢量水平分量g_x0及g_y0，就可得到运载体所在地重力矢量的水平分量Δg_x及Δg_y，即：

式中g_x(p)、g_y(p)表示当前位置重力矢量的北向、东向分量，g_x0、g_y0表示初始位置重力矢量的北向、东向分量。

而且，所述步骤3的具体步骤包括：

(1)重力仪输出的载体当前位置的重力异常值δg，即实际重力矢量与模型重力矢量的模之差；模型重力矢量模g₀的计算式为：

式中，g_e＝9.78049m/s²表示赤道海平面上的重力加速度；

(2)将重力仪输出的载体当前位置的重力异常值δg与模型重力矢量模g0相加，可得到载体当前位置的重力矢量模值|g|，即：

|g(p)|＝g₀(p)+δg(p)

(3)再将得到的载体当前位置的重力矢量模值|g(p)|进行坐标分解，即可得到重力矢量在垂向上的投影，即：

本发明的优点和有益效果：

1、本发明在具备惯性导航功能的同时还拥有实时进行重力异常测量、重力梯度测量能力，利用重力异常、重力梯度信息自主补偿惯性导航系统解算中的重力扰动误差，以达到提高惯性导航系统精度的目的。

2、本发明通过此惯性导航系统内部的重力测量组件和重力梯度测量组件计算运载体当前位置的重力矢量信息，补偿惯导解算过程中的重力扰动项，以提高系统的导航精度。

3、本发明的重力测量组件、重力梯度测量组件和加速度计测量组件共用惯性导航系统的平台，可达到减小系统体积、提高系统可靠性、降低系统成本的作用。

4、本发明的重力测量组件、重力梯度测量组件和惯性测量单元在空间上紧密安装在一起，可在最大程度上降低由于重力信息测量组件与惯性测量单元空间不一致带来的测量误差。

5、本发明的惯导系统还可利用重力和重力梯度的实时测量值与事先建立的重力数据库或重力梯度数据库进行匹配比对，利用重力信息与地理坐标信息的相关特性，估算运载体当前地理位置，以提高系统的位置精度。

附图说明

图1是本发明的新型惯性导航系统组成图；

图2是本发明的具备补偿重力扰动能力的新型惯性导航系统原理图；

图3是本发明的固定方位半解析式惯导系统原理图；

附图标记说明：

1-1-惯性测量单元；1-2-重力测量模块；2-重力梯度测量模块；3-平台框架；4-平台台体；5-平台底座。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：

一种具备重力扰动自主补偿功能的惯性导航系统，如图1所示，包括平台式惯性导航系统、惯性信息测量模块1和重力梯度测量模块2；所述平台式惯性导航系统包括隔离载体运动的三轴平台框架3、稳定在地理坐标系下的平台台体4和平台底座5；惯性信息测量模块1包括惯性测量单元1-1和重力测量模块1-2；

所述平台底座上安装有平台框架，在该平台框架上安装有平台台体；在该平台台体上固装有惯性测量单元和重力测量模块、重力梯度测量模块；所述惯性测量单元输出线运动和角运动信息进行导航解算；所述三轴平台框架将平台台体稳定在地理坐标下，同时输出载体位置、速度、航向、姿态等导航信息；所述重力测量模块和重力梯度测量模块同步测量载体当前位置的重力异常信息和全张量重力梯度信息，计算出载体当前位置的重力矢量信息，并将重力矢量信息用于惯性测量单元的导航解算，以提高惯性导航系统性能；平台底座则用于承载平台框架、惯性测量单元、重力测量模块和重力梯度测量模块。

本发明的新型惯性导航系统的工作原理为：

在惯性导航系统中增加重力测量组件和重力梯度测量模块，二者与系统中加速度计组件紧密安装，在稳定平台的作用下共同稳定在地理坐标系下，惯导系统正常工作时，稳定平台采用三环固定指北半解析式稳定平台控制方案，可以充分隔离载体的角运动影响，同时将导航用加速度计测量组件、重力测量模块和重力梯度测量模块稳定在地理坐标系下。

一种具备重力扰动自主补偿功能的惯性导航方法，如图2所示，包括以下步骤：

步骤1、惯性导航系统在执行导航功能的同时，同步完成重力和重力梯度实时测量；

步骤2、根据步骤1获得的重力梯度张量的测量值结合惯导系统解算出当前载体的位置信息，实时计算载体当前位置的重力矢量水平双分量；

所述步骤2的具体步骤包括：

(1)在系统正常工作时，平台上的重力测量组件输出当前位置的重力异常值δg，重力梯度测量组件输出当前位置的重力梯度全张量信息Γ，其中Γ在数学上可表示为：

式中，Γ_ij(i,j＝x,y,z)为梯度张量的分量，表示重力分量gi在j方向上的变化率；

(2)将所得到重力梯度信息中的水平分量对位置经过一次积分运算，即可得到当前位置重力矢量水平分量的变化量；如果输入起始点的重力矢量水平分量g_x0及g_y0，就可得到运载体所在地重力矢量的水平分量Δg_x及Δg_y，即：

式中g_x(p)、g_y(p)表示当前位置重力矢量的北向、东向分量，g_x0、g_y0表示初始位置重力矢量的北向、东向分量。

步骤3、通过当前位置的重力异常值，结合步骤2中得到的当前位置的重力矢量水平分量，计算载体当前位置的重力矢量垂向分量，从而得到地理坐标系下的重力矢量；

所述步骤3的具体步骤包括：

(1)重力仪输出的载体当前位置的重力异常值δg，即实际重力矢量与模型重力矢量的模之差；模型重力矢量模g₀的计算式为：

式中，g_e＝9.78049m/s²表示赤道海平面上的重力加速度；

(2)将重力仪输出的载体当前位置的重力异常值δg与模型重力矢量模g0相加，可得到载体当前位置的重力矢量模值|g|，即：

|g(p)|＝g₀(p)+δg(p)

(3)再将得到的载体当前位置的重力矢量模值|g(p)|进行坐标分解，即可得到重力矢量在垂向上的投影，即：

步骤4、利用地理坐标系下的重力矢量三分量，在惯导系统解算中更高精度的补偿有害加速度中的重力矢量。

通过上述方法，可通过惯性系统上的重力测量组件和重力梯度测量组件得到载体当前位置的重力矢量三分量信息，以此补偿惯导解算有害加速度补偿中的重力扰动项，可达到提高惯性导航系统精度的目的。

此外，通过重力测量组件和重力梯度测量组件提供的重力、重力梯度实时信息与事先建立的重力数据库或重力梯度数据库进行匹配导航，可有效降低惯性导航系统定位误差的发散速度，延长重调周期。相比于现有利用分立的重力仪、重力梯度仪提供的重力信息与惯导信息进行组合导航，本惯导系统的重力、重力梯度测量组件与惯性测量单元空间距离更近，可有效降低二者测量点位置不一致引起的误差，使得重力测量信息更准确，匹配精度更高。

需要强调的是，本发明所述实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述实施例，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 (4)

1.一种具备重力扰动自主补偿功能的惯性导航系统，其特征在于：包括平台式惯性导航系统、惯性信息测量模块和重力梯度测量模块；所述平台式惯性导航系统包括三轴平台框架、平台台体和平台底座；所述惯性信息测量模块包括惯性测量单元和重力测量模块；所述平台底座上安装有平台框架，在该平台框架上安装有平台台体；在该平台台体上固装有惯性测量单元和重力测量模块、重力梯度测量模块；所述惯性测量单元输出线运动和角运动信息进行导航解算；所述三轴平台框架将平台台体稳定在地理坐标下，同时输出载体位置、速度、航向、姿态导航信息；所述重力测量模块和重力梯度测量模块同步测量载体当前位置的重力异常信息和全张量重力梯度信息，计算出载体当前位置的重力矢量信息，并将重力矢量信息用于惯性测量单元的导航解算。

2.根据权利要求1所述的一种具备重力扰动自主补偿功能的惯性导航系统的导航方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、惯性导航系统在执行导航功能的同时，同步完成重力和重力梯度实时测量；

步骤2、根据步骤1获得的重力梯度张量的测量值结合惯导系统解算出当前载体的位置信息，实时计算载体当前位置的重力矢量水平双分量；

步骤3、通过当前位置的重力异常值，结合步骤2中得到的当前位置的重力矢量水平分量，计算载体当前位置的重力矢量垂向分量，从而得到地理坐标系下的重力矢量；

步骤4、利用地理坐标系下的重力矢量三分量，在惯导系统解算中更高精度的补偿有害加速度中的重力矢量。

3.根据权利要求2所述的一种具备重力扰动自主补偿功能的惯性导航系统的导航方法，其特征在于：所述步骤2的具体步骤包括：

(1)在系统正常工作时，平台上的重力测量组件输出当前位置的重力异常值δg，重力梯度测量组件输出当前位置的重力梯度全张量信息Γ，其中Γ在数学上可表示为：

式中，Γ_ij(i,j＝x,y,z)为梯度张量的分量，表示重力分量g_i在j方向上的变化率；

(2)将所得到重力梯度信息中的水平分量对位置经过一次积分运算，即可得到当前位置重力矢量水平分量的变化量；如果输入起始点的重力矢量水平分量g_x0及g_y0，就可得到运载体所在地重力矢量的水平分量Δg_x及Δg_y，即：

式中g_x(p)、g_y(p)表示当前位置重力矢量的北向、东向分量，g_x0、g_y0表示初始位置重力矢量的北向、东向分量。

4.根据权利要求2所述的一种具备重力扰动自主补偿功能的惯性导航系统的导航方法，其特征在于：所述步骤2的具体步骤包括：

所述步骤3的具体步骤包括：

(1)重力仪输出的载体当前位置的重力异常值δg，即实际重力矢量与模型重力矢量的模之差；模型重力矢量模g₀的计算式为：

式中，g_e＝9.78049m/s²表示赤道海平面上的重力加速度；

(2)将重力仪输出的载体当前位置的重力异常值δg与模型重力矢量模g₀相加，可得到载体当前位置的重力矢量模值|g|，即：

|g(p)|＝g₀(p)+δg(p)

(3)再将得到的载体当前位置的重力矢量模值|g(p)|进行坐标分解，即可得到重力矢量在垂向上的投影，即：