CN116559966A - 基于sins/ldv组合的重力测量方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于SINS/LDV组合的重力测量方法及系统，属于地面车载重力测量领域；所述系统包括捷联惯导系统、激光多普勒测速仪、UPS电源以及导航计算机，其中，捷联惯导系统用于敏感载体的角运动和线运动；捷联惯导系统分别与激光多普勒测速仪和导航计算机连接；激光多普勒测速仪与导航计算机连接，UPS电源分别与捷联惯导系统和激光多普勒测速仪连接；本发明提出的基于SINS/LDV组合系统的重力测量方法及系统，测量与数据处理期间无需借助GNSS信号即可实现地面车载重力测量，在密林、山谷、高楼林立等特殊测量环境中可以保持较高的重力测量精度，极大地提高了车载重力测量的环境适应能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于捷联惯导系统(Strapdown Inertial Navigation System,SINS)/激光多普勒测速仪(Laser Doppler Velocimeter,LDV,通常简称测速仪)组合的重力测量方法及系统，属于地面车载重力测量领域。
背景技术
作为地球基本物理场之一，重力场反映了地下物质分布及其随时空变化的趋势，在大地测量学、地球物理学以及空间科学等方面起着重要的作用：在大地测量方面，重力场可以用于确定地球形状和高程基准；在地球物理学中，重力测量为研究海洋与陆地岩石圈结构、地壳构造以及地壳均衡等提供了有关海底及地球内部信息；此外，各种空间飞行器例如惯性导航系统的运行、卫星精密轨道的测定以及远程武器的发射均需要地球重力场信息。由此可见，重力测量在解决不同种类的问题时起着十分重要的作用。
重力测量按照测量结果可以分为绝对重力测量和相对重力测量，绝对重力测量是根据物体自由落体运动或对称落体运动的原理来测定某点处的重力加速度值，通常采用走停时的测量方法，测量效率相对较低；相对重力测量是测量某两点之间的重力加速度差值，一般采取测量重力异常的方式，该重力测量方式精度相对较低，但是测量效率大大提高。
为了提高野外地质勘探的效率，通常采用连续重力测量的方式，其主要包括航空、航海以及地面车载重力测量等方法，而地球重力场的精细化测量同时依赖于多种重力测量方式的组合。在目前的连续重力测量实现过程中主要是依靠捷联惯导系统与全球导航卫星定位系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)的组合，其重力测量精度很大程度上取决于GNSS信号的精度。在航海和航空重力测量过程中，GNSS工作环境比较理想，而在地面车载重力测量中，由于GNSS经常工作在密林、山谷、高楼林立等环境下导致定位精度下降，最终导致重力测量精度下降。
发明内容
针对当前地面连续车载重力测量方式的缺陷，本发明提出一种基于SINS/LDV组合的重力测量方法及系统。
为了实现上述技术目的，本发明提出的技术方案如下：
一种基于SINS/LDV组合的重力测量方法，基于由捷联惯导系统(SINS)、激光多普勒测速仪(LDV)、UPS电源以及导航计算机组成的重力测量系统，分为以下步骤：
S1：进行系统装配，将捷联惯导系统分别与激光多普勒测速仪和导航计算机连接；
将激光多普勒测速仪与导航计算机连接，同时将UPS电源分别与捷联惯导系统和激光多普勒测速仪连接；
S2：设计重力测量路线，由于地球重力大小与纬度变化紧密相关，因此在进行地面重力测量时路线一般选择南北方向的重复测线，这样既可以体现出重力异常的变化趋势，又方便对测量系统的性能进行精度评估。
S3：进行系统安装误差的标定，在将搭建好的系统安装于载体(例如实验车)时，由于安装误差的存在，测速仪坐标系m系与载体坐标系b系之间不能完全重合，需要对其进行标定；其中影响激光多普勒测速仪速度投影的安装误差有测速仪坐标系m系与载体坐标系b系之间的俯仰安装角误差θ、航向安装角误差ψ以及比例因子K，其标定方法如下：
S3.1：首先设θ＝0、ψ＝0以及K＝1，起点为地标点A，坐标为(XA，YA，ZA)；
S3.2：经过1～2min直线运动后载体行驶到另一个地标点B，其坐标为(XB，YB，ZB)，点A到点B位移大小为L1；
激光多普勒测速仪经航迹推算后的位置为点C，其坐标为(XC，YC，ZC)，点A到点C位移大小为L2，具体航迹推算方法参见参考文献《One-dimensional reference-beam LDVfor accurate altitude estimation in a land vehicle》(Rong Huang,Qi Wang,Xiaoming Nie,et al,《Applied Optics》,2020.11)；
则标定的结果为：
S3.3：通过标定后的俯仰安装角误差θ、航向安装角误差ψ计算得到测速仪坐标系m系和载体坐标系b系之间的安装误差矩阵
通过计算的测速仪坐标系m系和载体坐标系b系之间的安装误差矩阵以及比例因子K，得到某一导航时刻激光多普勒测速仪速度在b系下的投影：
式中，l为导航信息的更新迭代时刻，为某一导航时刻激光多普勒测速仪测量的速度在测速仪坐标系m系下投影，由激光多普勒测速仪提供。
S4：完成激光多普勒测速仪安装误差标定后，接着进入组合导航解算；
导航计算机对测量过程中捷联惯导系统的输出进行导航解算，得到载体坐标系b系与导航坐标系n系之间实时的3×3姿态矩阵以及载体速度和位置在n系下的实时投影/>与/>
通过实时姿态矩阵进一步得到某一导航时刻测速仪速度在导航坐标系n系下的投影/>
惯导系统由于天向无阻尼会导致系统误差迅速发散，载体实时姿态矩阵载体速度在n系下的实时投影/>以及载体位置在n系下的实时投影/>等的误差会迅速增大，与姿态矩阵/>相关的测速仪速度/>的误差也会增大；
为了得到稳定的高精度载体实时姿态矩阵速度/>位置/>以及测速仪/>必须借助激光多普勒测速仪对惯导系统的天向进行阻尼，通常选择卡尔曼滤波器进行不同传感器之间的信息融合并对系统误差进行估计与反馈，从而抑制惯导系统误差的发散，卡尔曼滤波器的构建步骤参见参考文献《基于二维激光多普勒测速仪的车载组合导航系统》(陈红江，聂晓明，王梦成，《红外与激光工程》，2018.12)；
至此可以稳定输出实时的高精度载体姿态矩阵速度/>位置/>以及测速仪速度/>
S5：受捷联惯导系统器件精度的限制，目前主要进行重力异常标量测量，即重力异常矢量的垂向分量δgU(l)：
其中，为测速仪速度/>的垂向分量vU_LDV(l)经一次差分后得到的垂向加速度，
为捷联惯导系统中垂向加速度计的测量值，ωie为地球自转角速度，vE_LDV(l)和vN_LDV(l)分别为测速仪速度/>在导航坐标系n系的东向、北向上的速度投影，L(l)和h(l)分别为载体所在位置的纬度和高度，RM(l)和RN(l)分别为载体所在位置的子午圈半径和卯酉圈半径，γU(l)为载体所在位置的正常重力值：
其中，g0＝9.780325333434361(m/s2)为赤道处重力大小，e＝0.0818191908426为椭圆偏心率，Re＝6378137m为地球赤道半径。
进一步地，S5中，(5)式中等号右侧的各种观测值会受大量不同频谱特性的噪声的影响，计算得到的重力异常中也会包含大量噪声。通常情况下，重力异常信号主要集中在频带上低频段的很窄部分，而噪声占据了相当宽的频带，主要集中在高频段。因此可以将(5)式计算得到的原始重力异常信号经过低通滤波器处理，选择的滤波器为汉宁窗FIR低通滤波器，基于该窗函数得到的结果精度较高且因边界效应舍弃的无效数据较少，最得到去除噪声后的重力异常值。
进一步地，测线在测量时受测量环境以及仪器工作状态变化的影响，不同测线的重力异常值之间会产生一定的偏移，为了得到更精确地重力异常值，需要对不同测线之间的测点分段插值，然后对不同测点的重力异常值进行平差，具体的平差方法见参考文献《航空重力重复线测试数据质量评价方法研究》(郭志宏，熊盛青，周坚鑫，等，《地球物理学报》，2008.5)，最后得到实际的重力异常值。
本发明还提供一种基于上述方法的重力测量系统，包括捷联惯导系统(StrapdownInertial Navigation System,SINS)、激光多普勒测速仪、UPS电源以及导航计算机，其中，捷联惯导系统用于敏感载体的角运动和线运动；捷联惯导系统分别与激光多普勒测速仪和导航计算机连接；激光多普勒测速仪与导航计算机连接，UPS电源分别与捷联惯导系统和激光多普勒测速仪连接；为了提高高程测量精度，以捷联惯导系统的脉冲输出为基准去触发激光多普勒测速仪的输出，预防捷联惯导系统与激光多普勒测速仪内部晶振不一致导致的数据丢失现象。
为了降低系统设计复杂度，采用基于固态探测体的激光多普勒测速仪，不需要人为掺杂示踪粒子，而是利用探测体表面的自然颗粒。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明提出的基于SINS/LDV组合系统的重力测量方法及系统，测量与数据处理期间无需借助GNSS信号即可实现地面车载重力测量，在密林、山谷、高楼林立等特殊测量环境中可以保持较高的重力测量精度，极大地提高了车载重力测量的环境适应能力。
附图说明
为了更加清晰地描述本发明的技术方案，下面结合附图对其作进一步阐述。
图1系统连接方式示意图；
图2系统安装示意图；
图中数字说明：1-激光多普勒测速仪；2-捷联惯导系统；3-全球定位系统；4-导航计算机；5-UPS电源；
图3组合导航位置误差结果图；
图4原始重力异常值变化趋势图；
图5滤波后重力异常值变化趋势图；
图6平差前不同测线的重力异常值；
图7平差后不同测线的重力异常值。
具体实施方法
为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，现结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
实验采用的捷联惯导系统的陀螺零偏稳定性优于0.0015°/h，加速度计零偏稳定性优于20μg，定位精度优于0.5nm/1h；激光多普勒测速仪测速精度优于0.05％，输出频率为100Hz，UPS电源额定功率为5400W，输出电压为110～220V，导航计算机为常规的笔记本电脑，系统连接方式如图1所示；为了方便比较，采用差分全球点位系统(Global PositioningSystem,GPS)提供位置参考基准(输出频率1Hz，单点状态下高程定位精度3m，差分状态下高程定位精度4cm)，系统的安装示意图如图2所示。
为了凸显重力异常值的变化，实验测线选择位于长沙市南北分布的万家丽高架，实验共三个来回，六条测线，单程约16.9km，总里程约101.6km。
根据采集到的捷联惯导系统和激光多普勒测速仪的数据，进行以下步骤：
(1)LDV安装误差标定：采用步骤S1中的方法完成测速仪安装误差的标定，标定结果为俯仰安装角误差η＝-5.1493°、航向安装角误差ψ＝0.3762°、比例因子K＝1.1355；
(2)SINS/LDV组合导航：根据步骤S2的方法实现SINS与LDV的组合导航，并以GPS信号为基准计算SINS/LDV组合导航位置误差，结果如图4所示；其中水平位置误差小于8m，高度位置误差小于3m；
(3)重力异常计算：根据式(5)计算全程的重力异常值，结果如图4所示。
(4)基于汉宁窗的FIR低通滤波：根据图4发现，重力测量过程中产生了许多高幅值噪声；由于噪声主要集中在高频段，而重力异常信号存在于低频段，因此需要通过FIR低通滤波器进行滤波，得到如图5所示去除噪声后的重力异常值变化趋势。
(5)平差：受测量环境以及仪器工作状态的影响，不同测线之间的重力异常值会产生一定的偏移，如图6所示，因此需要进一步对系统进行平差，平差后的结果如图7所示，最后得到实际的重力异常值。
综上所述，本发明在于提出一种基于SINS/LDV组合的重力测量方法及系统，并针对其中的关键技术进行了权利要求。该发明属于全自主式车载重力测量，具有较高的隐蔽性和环境适应能力。
Claims (7)
1.一种基于SINS/LDV组合的重力测量方法，基于由捷联惯导系统、激光多普勒测速仪、UPS电源以及导航计算机组成的重力测量系统，其特征在于，该方法分为以下步骤：
S1：进行系统装配，将捷联惯导系统分别与激光多普勒测速仪和导航计算机连接；
将激光多普勒测速仪与导航计算机连接，同时将UPS电源分别与捷联惯导系统和激光多普勒测速仪连接；
S2：设计重力测量路线，选择南北方向的重复测线；
S3：进行系统安装误差的标定，在将搭建好的系统安装于载体时，由于安装误差的存在，测速仪坐标系m系与载体坐标系b系之间不能完全重合，需要对其进行标定；其中影响激光多普勒测速仪速度投影的安装误差有测速仪坐标系m系与载体坐标系b系之间的俯仰安装角误差θ、航向安装角误差ψ以及比例因子K，其标定方法如下：
S3.1：首先设θ＝0、ψ＝0以及K＝1，起点为地标点A，坐标为(XA，YA，ZA)；
S3.2：经过1～2min直线运动后载体行驶到另一个地标点B，其坐标为(XB，YB，ZB)，点A到点B位移大小为L1；
激光多普勒测速仪经航迹推算后的位置为点C，其坐标为(XC，YC，ZC)，点A到点C位移大小为L2；
则标定的结果为：
S3.3：通过标定后的俯仰安装角误差θ、航向安装角误差ψ计算得到测速仪坐标系m系和载体坐标系b系之间的安装误差矩阵
通过计算的测速仪坐标系m系和载体坐标系b系之间的安装误差矩阵以及比例因子K，得到某一导航时刻激光多普勒测速仪速度在b系下的投影：
式中，l为导航信息的更新迭代时刻，为某一导航时刻激光多普勒测速仪测量的速度在测速仪坐标系m系下投影，由激光多普勒测速仪提供；
S4：完成激光多普勒测速仪安装误差标定后，接着进入组合导航解算；
导航计算机对测量过程中捷联惯导系统的输出进行导航解算，得到载体坐标系b系与导航坐标系n系之间实时的3×3姿态矩阵以及载体速度和位置在n系下的实时投影与/>
通过实时姿态矩阵进一步得到某一导航时刻测速仪速度在导航坐标系n系下的投影/>
至此可以稳定输出实时的高精度载体姿态矩阵速度/>位置/>以及测速仪速度/>
S5：受捷联惯导系统器件精度的限制，目前主要进行重力异常标量测量，即重力异常矢量的垂向分量δgU(l)：
其中，为测速仪速度/>的垂向分量vU_LDV(l)经一次差分后得到的垂向加速度，/>为捷联惯导系统中垂向加速度计的测量值，ωie为地球自转角速度，vE_LDV(l)和vN_LDV(l)分别为测速仪速度/>在导航坐标系n系的东向、北向上的速度投影，L(l)和h(l)分别为载体所在位置的纬度和高度，RM(l)和RN(l)分别为载体所在位置的子午圈半径和卯酉圈半径，γU(l)为载体所在位置的正常重力值：
其中，g0＝9.780325333434361(m/s2)为赤道处重力大小，e＝0.0818191908426为椭圆偏心率，Re＝6378137m为地球赤道半径。
2.一种根据权利要求1所述基于SINS/LDV组合的重力测量方法，基于由捷联惯导系统、激光多普勒测速仪、UPS电源以及导航计算机组成的重力测量系统，其特征在于：为了得到稳定的高精度载体实时姿态矩阵速度/>位置/>以及测速仪/>必须借助激光多普勒测速仪对惯导系统的天向进行阻尼，通常选择卡尔曼滤波器进行不同传感器之间的信息融合并对系统误差进行估计与反馈，从而抑制惯导系统误差的发散。
3.一种根据权利要求1或2所述基于SINS/LDV组合的重力测量方法，基于由捷联惯导系统、激光多普勒测速仪、UPS电源以及导航计算机组成的重力测量系统，其特征在于：S5中，将(5)式计算得到的原始重力异常信号经过低通滤波器处理。选择的滤波器为汉宁窗FIR低通滤波器，基于该窗函数得到的结果精度较高且因边界效应舍弃的无效数据较少，最后得到去除噪声后的重力异常值。
4.一种根据权利要求1或3所述基于SINS/LDV组合的重力测量方法，基于由捷联惯导系统、激光多普勒测速仪、UPS电源以及导航计算机组成的重力测量系统，其特征在于：为了得到更精确地重力异常值，需要对不同测线之间的测点分段插值，然后对不同测点的重力异常值进行平差，最后得到实际的重力异常值。
5.一种根据权利要求1或2所述基于SINS/LDV组合的重力测量方法，基于由捷联惯导系统、激光多普勒测速仪、UPS电源以及导航计算机组成的重力测量系统，其特征在于：S5中，选择的低通滤波器为汉宁窗FIR低通滤波器。
6.一种基于权利要求1或2所述方法的重力测量系统，其特征在于：包括捷联惯导系统、激光多普勒测速仪、UPS电源以及导航计算机，其中，捷联惯导系统用于敏感载体的角运动和线运动；捷联惯导系统分别与激光多普勒测速仪和导航计算机连接；激光多普勒测速仪与导航计算机连接，UPS电源分别与捷联惯导系统和激光多普勒测速仪连接；为了提高高程测量精度，以捷联惯导系统的脉冲输出为基准去触发激光多普勒测速仪的输出，预防捷联惯导系统与激光多普勒测速仪内部晶振不一致导致的数据丢失现象。
7.一种基于权利要求6所述的重力测量系统，其特征在于：为了降低系统设计复杂度，采用基于固态探测体的激光多普勒测速仪，不需要人为掺杂示踪粒子，而是利用探测体表面的自然颗粒。
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|---|---|---|---|---|
| CN117169980A (zh) * | 2023-11-01 | 2023-12-05 | 中国船舶集团有限公司第七〇七研究所 | 一种重力测量加速度偏心效应误差精确补偿方法 |
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Cited By (2)
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| CN117169980A (zh) * | 2023-11-01 | 2023-12-05 | 中国船舶集团有限公司第七〇七研究所 | 一种重力测量加速度偏心效应误差精确补偿方法 |
| CN117169980B (zh) * | 2023-11-01 | 2024-01-16 | 中国船舶集团有限公司第七〇七研究所 | 一种重力测量加速度偏心效应误差精确补偿方法 |
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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