CN115079287A - 陀螺组件姿态观测的捷联式车载动态重力矢量测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种陀螺组件姿态观测的捷联式车载动态重力矢量测量方法,属于动态重力测量领域。本发明利用测速仪为捷联式重力仪提供高精度外部速度观测;利用陀螺组件进行惯性系下的高精度姿态计算,为捷联式重力仪提供高精度的姿态观测;通过组合导航卡尔曼滤波的反馈校正计算得到高精度的姿态、速度、位置和比力信息;最后,利用重力扰动提取方法计算得到捷联式车载动态重力矢量结果,并通过重复线内符合精度评估方法进行质量评估。本发明能够实现捷联式车载动态重力矢量测量,具有效率高、成本低、实现简单、不依赖GNSS、环境适应性好、工程实用性强等优点。
Description
技术领域:
本发明属于动态重力测量领域,特别是涉及一种陀螺组件姿态观测的捷联式车载动态重力矢量测量方法。
背景技术:
真实重力场的描述由重力值和重力方向两部分组成,重力标量测量主要关注重力值的大小(重力异常),重力矢量测量则关注重力扰动矢量的三个分量(重力异常和垂线偏差)。垂线偏差在大地测量学、空间科学和现代军事中有重要的应用价值:对垂线偏差进行积分可以确定大地水准面,还可以应用于天文大地测量观测数据的归算;空间科学中,自然天体和人造卫星的精密定轨都离不开精确的地球重力场参数;在高精度惯性导航领域,惯性器件的精度不再是影响惯导精度的主要原因,重力扰动逐渐成为制约高精度惯导精度的主要因素,尤其是在战略武器发射首区,起飞阶段速度慢、高度低、离地近,受局部重力场作用时间长,更需要精确的发射区局部重力场模型。
目前静态重力标量测量和静态重力矢量测量的发展较为完善,已经有成熟的仪器设备,能够达到很高的测量精度,但缺点也很明显,需要逐点测量,单点测量时间较长,耗费人力物力,效率不高,且受到测区环境的限制,无法到达森林、沼泽、山区、滩涂等人迹罕至的地区开展测量作业。
动态重力测量则能够有效克服上述静态重力测量的缺点,在保证一定测量精度的前提下,能够在测区实现高效快速的网格化测量。由于动态重力矢量测量耦合了姿态误差的影响,其技术难度远大于动态重力标量测量,目前仅在航空重力矢量测量中实现了突破,蔡劭琨在其博士论文《航空重力矢量测量及误差分离方法研究》中公开了采用捷联式航空重力仪和GNSS(Global Navigation Satellite System,全球导航卫星系统)进行航空重力矢量测量的关键技术。
捷联式车载动态重力测量是一种沿公路运行的动态重力测量方式,其运动轨迹受到公路的约束限制,存在大量的转弯和起伏,与航空动态重力测量中飞机沿直线测线运动的方式相比,捷联式车载动态重力测量具有更大的载体动态性,对动态矢量测量的高精度姿态计算提出了更大的挑战;而且受到公路附近树木、山体、大型广告牌、跨线桥甚至隧道的影响,捷联式车载动态重力测量的卫星观测条件很差,经常会出现GNSS失锁的情况,这会造成很大的测量误差甚至会导致测量的失败。受到上述因素影响,捷联式车载动态重力测量只在重力标量测量领域有所突破,于瑞航在其博士论文《捷联式车载重力测量关键技术研究》中公开了采用捷联式车载重力仪、GNSS和测速仪进行捷联式车载动态重力标量测量的关键技术。但到目前为止,捷联式车载动态重力矢量测量问题尚未得到很好地解决。
发明内容:
本发明所要解决的技术问题是,针对现有技术发展情况,本发明提供了一种陀螺组件姿态观测的捷联式车载动态重力矢量测量方法,能够解决困扰车载动态重力矢量测量的高精度姿态计算问题,在满足测量精度和分辨率需求的条件下,实现捷联式车载动态重力矢量测量,提高陆地重力矢量测量效率,降低测量成本和时间成本;同时,能够克服近地面动态重力测量过程中卫星观测条件差的不利影响,实现不依赖于GNSS的捷联式车载动态重力矢量测量,提高捷联式车载动态重力矢量测量系统的环境适应性,保证捷联式车载动态重力矢量测量结果的质量。
为解决上述技术问题,本发明所采用的技术方案是:一种陀螺组件姿态观测的捷联式车载动态重力矢量测量方法,基于捷联式车载动态重力矢量测量系统实施,系统由捷联式重力仪、测速仪和高精度原子钟组成,捷联式重力仪的惯性测量单元里包含三个正交安装的陀螺,即陀螺组件;
本发明通过如下步骤实现:
(2)将高精度原子钟溯源同步到UTC时间;
其中,代表地球系相对于惯性系绕地球自转轴以地球自转角速度ωie转动,与UTC时间tk有关,UTC时间由高精度原子钟提供,为地球系到导航系的姿态变换矩阵,与当地地理纬度L和地理经度λ有关,出发点的地理纬度和经度由事先测得的高精度路标点提供;作为改进,出发点的地理纬度和经度由GNSS提供;
(5)测量车从出发点开始进入测线开展捷联式车载动态重力矢量测量,捷联式重力仪进行捷联惯导的姿态更新、速度更新和位置更新;
(6)采用捷联式重力仪陀螺组件输出值,按照公式(3)进行惯性系下的姿态更新:
其中,代表双子样算法计算得到的等效旋转矢量,Δθm1代表双子样第一个采样周期的陀螺输出角增量,Δθm2代表双子样第二个采样周期的陀螺输出角增量,表示以惯性系为参考基准,载体系从tm-1时刻到tm时刻的旋转变化,由陀螺组件输出值计算得到;和分别代表tm-1时刻和tm时刻的惯性系下的姿态矩阵,而开始计算时的姿态矩阵由t0时刻的初始姿态给出;
(7)将惯性系下的姿态转换到导航系下,获得导航系下的陀螺组件姿态更新结果,同时,利用导航系下的陀螺组件姿态更新结果作为外部姿态观测量,利用测速仪速度输出值在导航系下的投影作为速度外部观测量,进行捷联式重力仪和测速仪的组合导航,对捷联惯导更新的姿态误差、速度误差、位置误差进行卡尔曼滤波估计,并利用滤波估计结果对捷联惯导解算结果进行反馈校正,输出高精度的姿态信息、速度信息、位置信息和比力信息;
(8)利用组合导航输出的速度和位置信息计算厄特弗斯改正项和正常重力改正项;
(9)对组合导航输出的速度信息进行一次差分得到载体的运动加速度;
(10)将载体运动加速度和比力测量值直接求差,并按照公式(4)进行厄特弗斯改正和正常重力改正:
其中,为载体运动加速度,fb为比力测量值,为地球自转角速度在导航系下投影,为载体在地球表面附近移动因地球表面弯曲而引起的导航系旋转角速度,为载体运动速度在导航系下的投影,统称为厄特弗斯改正项,γn为正常重力改正项;
(11)由于原始信号中包含了大量的高频噪声,对原始信号进行低通滤波处理,最后得到重力扰动矢量δgn;
(12)采用重复测线内符合精度评估方法评价捷联式车载动态重力矢量测量结果。
作为改进,在卫星观测条件好的时候,将测速仪和高精度原子钟替换成能够为捷联式重力仪提供外部速度和位置观测以及高精度UTC时间的GNSS系统。
本发明的有益效果是:
本发明能够实现捷联式车载动态重力矢量测量,提高陆地重力矢量测量效率,降低测量成本和时间成本;同时,能够克服近地面动态重力测量过程中卫星观测条件差的不利影响,实现不依赖于GNSS的捷联式车载动态重力矢量测量,提高捷联式车载动态重力矢量测量系统的环境适应性,保证捷联式车载动态重力矢量测量结果的质量。
附图说明:
图1为本发明的流程图。
具体实施方式:
下面将通过实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1所示,本发明一种陀螺组件姿态观测的捷联式车载动态重力矢量测量方法基于捷联式车载动态重力矢量测量系统实施,系统由捷联式重力仪、测速仪和高精度原子钟组成,捷联式重力仪的惯性测量单元里包含三个正交安装的陀螺,即陀螺组件;
本发明通过如下步骤实现:
(2)将高精度原子钟溯源同步到UTC时间;
其中,代表地球系相对于惯性系绕地球自转轴以地球自转角速度ωie转动,与UTC时间tk有关,UTC时间由高精度原子钟提供,为地球系到导航系的姿态变换矩阵,与当地地理纬度L和地理经度λ有关,出发点的地理纬度和经度由事先测得的高精度路标点提供;作为改进,出发点的地理纬度和经度由GNSS提供;
(5)测量车从出发点开始进入测线开展捷联式车载动态重力矢量测量,捷联式重力仪进行捷联惯导的姿态更新、速度更新和位置更新;
(6)采用捷联式重力仪陀螺组件输出值,按照公式(3)进行惯性系下的姿态更新:
其中,代表双子样算法计算得到的等效旋转矢量,Δθm1代表双子样第一个采样周期的陀螺输出角增量,Δθm2代表双子样第二个采样周期的陀螺输出角增量,表示以惯性系为参考基准,载体系从tm-1时刻到tm时刻的旋转变化,由陀螺组件输出值计算得到;和分别代表tm-1时刻和tm时刻的惯性系下的姿态矩阵,而开始计算时的姿态矩阵由t0时刻的初始姿态给出;
(7)将惯性系下的姿态转换到导航系下,获得导航系下的陀螺组件姿态更新结果,同时,利用导航系下的陀螺组件姿态更新结果作为外部姿态观测量,利用测速仪速度输出值在导航系下的投影作为速度外部观测量,进行捷联式重力仪和测速仪的组合导航,对捷联惯导更新的姿态误差、速度误差、位置误差进行卡尔曼滤波估计,并利用滤波估计结果对捷联惯导解算结果进行反馈校正,输出高精度的姿态信息、速度信息、位置信息和比力信息;
(8)利用组合导航输出的速度和位置信息计算厄特弗斯改正项和正常重力改正项;
(9)对组合导航输出的速度信息进行一次差分得到载体的运动加速度;
(10)将载体运动加速度和比力测量值直接求差,并按照公式(4)进行厄特弗斯改正和正常重力改正:
其中,为载体运动加速度,fb为比力测量值,为地球自转角速度在导航系下投影,为载体在地球表面附近移动因地球表面弯曲而引起的导航系旋转角速度,为载体运动速度在导航系下的投影,统称为厄特弗斯改正项,γn为正常重力改正项;
(11)由于原始信号中包含了大量的高频噪声,对原始信号进行低通滤波处理,最后得到重力扰动矢量δgn;
(12)采用重复测线内符合精度评估方法评价捷联式车载动态重力矢量测量结果。
在卫星观测条件好的时候,可以将测速仪和高精度原子钟替换成能够为捷联式重力仪提供外部速度和位置观测以及高精度UTC时间的GNSS系统。
本发明具有效率高、成本低、实现简单、不依赖GNSS、环境适应性好、工程实用性强等优点。
以上仅是本发明的优选实施方式,本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例,凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰,应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种陀螺组件姿态观测的捷联式车载动态重力矢量测量方法,其特征在于,所述方法包括如下步骤:
(2)将高精度原子钟溯源同步到UTC时间;
其中,代表地球系相对于惯性系绕地球自转轴以地球自转角速度ωie转动,与UTC时间tk有关,UTC时间由高精度原子钟提供,为地球系到导航系的姿态变换矩阵,与当地地理纬度L和地理经度λ有关,出发点的地理纬度和经度由事先测得的高精度路标点提供;
(5)测量车从出发点开始进入测线开展捷联式车载动态重力矢量测量,捷联式重力仪进行捷联惯导的姿态更新、速度更新和位置更新;
(6)采用捷联式重力仪陀螺组件输出值,按照公式(3)进行惯性系下的姿态更新:
其中,代表双子样算法计算得到的等效旋转矢量,Δθm1代表双子样第一个采样周期的陀螺输出角增量,Δθm2代表双子样第二个采样周期的陀螺输出角增量,表示以惯性系为参考基准,载体系从tm-1时刻到tm时刻的旋转变化,由陀螺组件输出值计算得到;和分别代表tm-1时刻和tm时刻的惯性系下的姿态矩阵,而开始计算时的姿态矩阵由t0时刻的初始姿态给出;
(7)将惯性系下的姿态转换到导航系下,获得导航系下的陀螺组件姿态更新结果,同时,利用导航系下的陀螺组件姿态更新结果作为外部姿态观测量,利用测速仪速度输出值在导航系下的投影作为速度外部观测量,进行捷联式重力仪和测速仪的组合导航,对捷联惯导更新的姿态误差、速度误差、位置误差进行卡尔曼滤波估计,并利用滤波估计结果对捷联惯导解算结果进行反馈校正,输出高精度的姿态信息、速度信息、位置信息和比力信息;
(8)利用组合导航输出的速度和位置信息计算厄特弗斯改正项和正常重力改正项;
(9)对组合导航输出的速度信息进行一次差分得到载体的运动加速度;
(10)将载体运动加速度和比力测量值直接求差,并按照公式(4)进行厄特弗斯改正和正常重力改正:
其中,为载体运动加速度,fb为比力测量值,为地球自转角速度在导航系下投影,为载体在地球表面附近移动因地球表面弯曲而引起的导航系旋转角速度,为载体运动速度在导航系下的投影,统称为厄特弗斯改正项,γn为正常重力改正项;
(11)由于原始信号中包含了大量的高频噪声,对原始信号进行低通滤波处理,最后得到重力扰动矢量δgn;
(12)采用重复测线内符合精度评估方法评价捷联式车载动态重力矢量测量结果。
2.如权利要求1所述的一种陀螺组件姿态观测的捷联式车载动态重力矢量测量方法,其特征在于,在卫星观测条件好的时候,将测速仪和高精度原子钟替换成能够为捷联式重力仪提供外部速度和位置观测以及高精度UTC时间的GNSS系统。
3.如权利要求1所述的一种陀螺组件姿态观测的捷联式车载动态重力矢量测量方法,其特征在于,所述步骤(4)中出发点的地理纬度和经度由GNSS提供。
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