CN117251684B - 一种基于多源信息融合的无人平台重力仪数据处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电变量的测量技术领域，尤其涉及一种基于多源信息融合的无人平台重力仪数据处理方法，包括如下步骤：采集无人平台重力仪载体的运动加速度信息传输给数据处理器；频响曲线补偿与修正模块进行修正后传输给重力测量常规修正与补偿模块；重力测量常规修正与补偿模块对信息扣除载体各方向运动加速度干扰的影响后传输给综合误差补偿模块；综合误差补偿模块求取相关系数，得到残余补偿量进行综合补偿后传输给带通滤波器；带通滤波器进行滤波处理后，有效分离出无人平台重力仪的重力加速度信息。本发明提供的方法实现基于多源融合的重力信息的提取，大幅提升了无人平台重力仪的重力测量精度。

Description

一种基于多源信息融合的无人平台重力仪数据处理方法

技术领域

本发明涉及点数字数据处理技术领域，尤其涉及一种基于多源信息融合的无人平台重力仪数据处理方法。

背景技术

无人平台重力仪是一种测量惯性空间垂直方向加速度的设备，其需要从敏感到的垂直加速度中扣除载体自身的垂向运动加速度，剩余的就是地球重力场加速度，简称重力信息。因此无人平台重力仪的重力测量精度由两方面构成，一是自身敏感重力加速度的精度，二是利用辅助信息进行各项改正，即扣除各方向载体运动加速度干扰的精度。由于水下环境相对复杂，且海底重力信号强度按照一定的衰减规律向海面传播。因此在船载重力测量中，水层像一个巨大的低通滤波器，随着观测距离的增加，海底重力信号中的高频分量会迅速衰减并率先消失，同一海底地质特征在不同高度测线上也会反映出重力异常。水下重力测量，虽然可以避免高频分量的衰减，还能够获得更高强度的重力信号，然而，无人潜器水下测量环境比较复杂，不可避免的受到潮汐、海浪或洋流等随机因素的影响，使得水下重力测量信号往往混有大量随机噪声。在数据处理时，如何从复杂的宽频数据中有效分离出真正高频重力异常，这一直是公认的技术难题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于多源信息融合的无人平台重力仪数据处理方法，通过频响曲线补偿与修正模块、重力测量常规修正与补偿模块、综合误差补偿模块对无人平台重力仪采集的数据进行补偿与修正后再通过带通滤波器进行滤波处理，实现了较高分辨率重力信息的提取，大幅提升了无人平台重力仪的重力测量精度。

本发明是通过以下技术方案予以实现：

一种基于多源信息融合的无人平台重力仪数据处理方法，其包括如下步骤：

S1：无人平台重力仪的重力敏感器采集无人平台重力仪载体的运动加速度信息，并将采集的信息传输给AD转换模块，AD转换模块将信息转换成数字信号后传输给数据处理器；

S2：数据处理器中的频响曲线补偿与修正模块根据接收的信息绘制重力敏感器真实频率响应曲线，并针对真实频率响应曲线的变化以及不同的频段构建修正传递函数对真实频率响应曲线进行修正，使真实频率响应曲线的频响幅值始终趋近于1，从而得到经频响曲线补偿与修正后的信息，并将经频响曲线补偿与修正后的信息传输给数据处理器中的重力测量常规修正与补偿模块；

S3：重力测量常规修正与补偿模块对经频响曲线补偿与修正后的信息扣除载体各方向运动加速度干扰的影响，得到重力异常矢量后再将重力异常矢量信息传输给数据处理器中的综合误差补偿模块；

S4：综合误差补偿模块将重力异常矢量与载体的运动信息求取相关系数，得到残余补偿量，然后对重力异常矢量进行综合补偿，得到补偿后的重力加速度信息，再将补偿后的重力加速度信息传输给带通滤波器；

S5：带通滤波器对补偿后的重力加速度信息进行滤波处理后，有效分离出无人平台重力仪的重力信息。

进一步，步骤S3中重力测量常规修正与补偿模块对经频响曲线补偿与修正后的信息按照式（1）扣除载体各方向运动加速度干扰的影响：

（1）；

其中：为重力异常矢量在天向的投影，/>为重力敏感器实测加速度在天向的投影，/>为载体相对于地球的加速度在天向的投影，/>为在重力测量中为厄特弗斯改正项，/>表示正常地球重力场在天向的投影。

进一步，步骤S4中残余补偿量根据式（2）计算：

（2）；

其中：表示残余补偿量，/>（/>=1,...,7）为相关系数，/>表示相关系数的序号，表示载体外部多源运动传感系统测得的载体沿/>轴方向的速度，/>表示载体外部多源运动传感系统测得的载体沿/>轴方向的加速度，/>表示载体外部多源运动传感系统测得的载体沿/>轴方向的加速度，/>表示载体外部多源运动传感系统测得的载体沿/>轴方向的加速度，</>>表示取平均值。

进一步，步骤S2中频响曲线补偿与修正模块进行频响曲线补偿与修正时包括如下步骤：

S21：对重力敏感器施加低频线运动激励，得到重力敏感器的真实频响曲线；

S22：针对真实频响曲线的变化以及不同的频段，放大的部分乘以一个小于1的修正系数，衰减的部分乘以一个大于1的修正系数，使频响幅值始终趋近于1，将所有修正系数构建一个修正传递函数；

S23：将修正传递函数写入频响曲线补偿与修正模块，使重力敏感器采集的真实信号与修正传递函数的修正系数相乘，得到经频响曲线补偿与修正后的信息储存并输出。

发明的有益效果：

本发明通过频响曲线补偿与修正模块、重力测量常规修正与补偿模块、综合误差补偿模块对无人平台重力仪采集的重力信息数据进行补偿与修正，再通过带通滤波器进行滤波处理，实现了基于多源融合影响的重力信息的提取，大幅提升了无人平台重力仪的重力测量精度。

附图说明

图1是本发明流程示意图。

图2是本发明重力敏感器频响曲线补偿示意图。

具体实施方式

一种基于多源信息融合的无人平台重力仪数据处理方法，其流程图如图1所示，包括如下步骤：

S1：无人平台重力仪的重力敏感器采集无人平台重力仪载体的运动加速度信息，并将采集的信息传输给AD转换模块，AD转换模块将信息转换成数字信号后传输给数据处理器；

利用无人平台重力仪开展水下重力测量，可以避免高频分量的衰减，还能够获得更高强度的重力信号。然而，受海浪起伏、海流、水下潜器自身运动控制特性等多种因素干扰，无人潜器始终处于不稳定状态，而潜器体小、质轻的特性又放大了该动态扰动的影响，重力仪时刻受到载体角运动、线运动激励的影响。同时，重力敏感单元加工、制造和误差标定不可能完美无缺，在无人潜器运动激励下，会产生交叉耦合、非线性、低频频率响应等多种运动激励误差，此类误差在常规改正和滤波处理后不能完全消除。由此可见，水下重力测量误差与下列因素有关：载体三个方向的运动速度以及运动加速度，因此在无人平台重力仪在进行水下重力信息测量时必须进行以下修正，才能保证其测量精度。

S2：数据处理器中的频响曲线补偿与修正模块根据接收的信息绘制重力敏感器真实频率响应曲线，并针对真实频率响应曲线的变化以及不同的频段构建修正传递函数对真实频率响应曲线进行修正，使真实频率响应曲线的频响幅值始终趋近于1，从而得到经频响曲线补偿与修正后的信息，并将经频响曲线补偿与修正后的信息传输给数据处理器中的重力测量常规修正与补偿模块；

具体处理步骤如下：

S21：对重力敏感器施加低频线运动激励，得到重力敏感器的真实频响曲线；

S22：针对真实频响曲线的变化以及不同的频段，放大的部分乘以一个小于1的修正系数，衰减的部分乘以一个大于1的修正系数，使频响幅值始终趋近于1，将所有修正系数构建一个修正传递函数；

S23：将修正传递函数写入频响曲线补偿与修正模块，使重力敏感器采集的真实信号与修正传递函数的修正系数相乘，得到经频响曲线补偿与修正后的信息储存并输出；

假设重力敏感器采集载体运动信息为，/>表示载体运动加速度的频率，重力敏感器真实频响曲线对应的值为/>，修正传递函数/>，则经过数据处理器中的频响曲线补偿与修正模块通过上述补偿与修正后，最后存储并输出的则是，/>为补偿修正后的频响曲线值，其在全频段都近似为1，因此可以1:1真实地记录载体的垂向运动加速度，为后续提取重力信息奠定了基础，具体的重力敏感器频响曲线补偿示意图如图2所示。

S3：重力测量常规修正与补偿模块对经频响曲线补偿与修正后的信息扣除载体各方向运动加速度干扰的影响，得到重力异常矢量后再将重力异常矢量信息传输给数据处理器中的综合误差补偿模块；

具体可以按照式（1）扣除载体各方向运动加速度干扰的影响：

（1）；

其中：为重力异常矢量在天向的投影，/>为重力敏感器实测加速度在天向的投影，/>为载体相对于地球的加速度在天向的投影，/>为在重力测量中为厄特弗斯改正项，/>表示正常地球重力场在天向的投影。

无人平台重力仪利用惯性稳定平台提供当地地理水平，使安装在其上的重力敏感器仅敏感当地垂线方向的加速度信息，经过对重力原始数据的后处理得到自由空间重力异常信息。重力测量的基本原理可以通过式（3）表示：

（3）；

其中：表示载体坐标系，/>表示地理坐标系，/>表示地球坐标系，/>表示惯性坐标系，/>表示地理坐标系下的重力异常矢量；/>表示地理坐标系下载体相对于地球的加速度矢量；/>表示地理坐标系下载体相对于地球的速度矢量；/>表示载体坐标系与地理坐标系间方向余弦矩阵；/>表示载体坐标系下加速度计比力测量值；/>表示地理坐标系下正常重力矢量；/>表示地球坐标系相对于惯性坐标系的旋转角速度在地理坐标系下的三维矢量投影，/>表示地理坐标系相对于地球坐标系的旋转角速度在地理坐标系下的三维矢量投影，/>表示地球自转和载体运动所引起的哥氏加速度和离心加速度；

，将（3）表示为地理坐标系下的标量形式如式（4）所示：

（4）；

其中：表示正常地球重力场在天向的投影，/>表示重力异常矢量在东向的投影，/>表示重力异常矢量在北向的投影，/>表示重力异常矢量在天向的投影，/>表示载体相对于地球的速度在东向的投影，/>表示载体相对于地球的速度在北向的投影，表示载体相对于地球的速度在天向的投影，/>表示无人平台重力仪加速度计实测加速度在东向的投影，/>表示无人平台重力仪加速度计实测加速度在北向的投影，/>表示地球子午圈的半径，/>代表地球自转角速度，/>代表地球卯酉圈的半径,/>为地球的纬度，为载体的地理高度，/>为矩阵转置；

地理坐标系下的比力可以通过IMU测到的比力/>经姿态转换得到为式（5）：

（5）；

其中：表示转化矩阵，/>表示无人平台重力仪加速度计实测加速度在/>轴方向的投影，/>表示无人平台重力仪加速度计实测加速度在/>轴方向的投影，/>表示重力敏感器实测加速度在/>轴方向的投影；

而重力测量中为厄特弗斯改正项为式（6）：

（6）；

将式（6）代入到式（4）中的重力异常矢量在天向的投影式子里就得到了式（1），因此采用式（1）进行计算，就可以扣除载体各方向运动加速度干扰的影响。

S4：综合误差补偿模块将重力异常矢量与载体的运动信息求取相关系数，得到残余补偿量，然后对重力异常矢量进行综合补偿，得到补偿后的重力加速度信息，再将补偿后的重力加速度信息传输给带通滤波器；

具体残余补偿量可以根据式（2）计算：

（2）；

其中：表示残余补偿量，/>（/>=1,...,7）为相关系数，/>表示相关系数的序号，表示载体外部多源运动传感系统测得的载体沿/>轴方向的速度，/>表示载体外部多源运动传感系统测得的载体沿/>轴方向的加速度，/>表示载体外部多源运动传感系统测得的载体沿/>轴方向的加速度，/>表示载体外部多源运动传感系统测得的载体沿/>轴方向的加速度，</>>表示取平均值。

由于受海浪起伏、海流、水下潜器自身运动控制特性等多种因素干扰，无人潜器等载体始终处于不稳定状态，同时载体体小、质轻的特性又放大了该动态扰动的影响，无人平台重力仪时刻受到载体角运动、线运动激励的影响。另一方面，重力敏感单元加工、制造和误差标定不可能完美无缺，运动激励下产生交叉耦合、非线性、低频频率响应等多种运动激励误差，此类误差在常规改正和滤波处理后不能完全消除，因此，提出基于载体运动监视信息的综合误差补偿技术，其基本思想是：重力敏感器由于受交叉耦合、非线性影响而产生的这部分毫伽级误差混叠在中，虽然不能由常规各项改正补偿去除，但是其激励源是载体的运动速度和加速度，因此其必然与载体的运动参数间有一定的相关性。因为真正我们需要的地球重力异常变化，是与用什么样的载体测量以及载体如何运动无关的，仅与地球自身的物理特性有关。借助此事实，我们将/>与载体的运动速度、加速度等运动信息去求取相关系数，从而形成新的残余补偿量/>，可以对上一步常规补偿与改正后进一步补偿，实现了基于多源融合的重力信息的较高精度提取。

S5：带通滤波器对补偿后的重力加速度信息进行滤波处理后，有效分离出无人平台重力仪的重力信息。

虽然常规船载重力测量在水面探测到海底高频重力信息的强度较弱，但其仍包含海底高频重力信息的频率分量。将水下重力数据延拓至水面，并与水面测量的高精度重力数据进行频谱对比和相关性分析，可以有效确定水下高频重力异常数据所在的频段。以此为基础，针对性地设计带通滤波器，对水下重力测量数据进行滤波，可大幅衰减不同频段的水下测量高频噪声，从而提高测量信噪比，有效分离出高频重力信息，满足洋底地壳表层研究需求，从本质上提高了近海底重力测量分辨率，进一步实现了基于多源融合的重力信息的较高精度提取。

综上所述，本发明提供一种基于多源信息融合的无人平台重力仪数据处理方法，通过频响曲线补偿与修正模块、重力测量常规修正与补偿模块、综合误差补偿模块对无人平台重力仪采集的重力信息数据进行补偿与修正，再通过带通滤波器进行滤波处理，实现了基于多源融合影响的重力信息的提取，大幅提升了无人平台重力仪的重力测量精度。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于多源信息融合的无人平台重力仪数据处理方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：无人平台重力仪的重力敏感器采集无人平台重力仪载体的运动加速度信息，并将采集的信息传输给AD转换模块，AD转换模块将信息转换成数字信号后传输给数据处理器；

S2：数据处理器中的频响曲线补偿与修正模块根据接收的信息绘制重力敏感器真实频率响应曲线，并针对真实频率响应曲线的变化以及不同的频段构建修正传递函数对真实频率响应曲线进行修正，使真实频率响应曲线的频响幅值始终趋近于1，从而得到经频响曲线补偿与修正后的信息，并将经频响曲线补偿与修正后的信息传输给数据处理器中的重力测量常规修正与补偿模块；

S3：重力测量常规修正与补偿模块对经频响曲线补偿与修正后的信息按照式（1）扣除载体各方向运动加速度干扰的影响，得到重力异常矢量后再将重力异常矢量信息传输给数据处理器中的综合误差补偿模块；

（1）；

其中：为重力异常矢量在天向的投影，/>为重力敏感器实测加速度在天向的投影，为载体相对于地球的加速度在天向的投影，/>为在重力测量中为厄特弗斯改正项，/>表示正常地球重力场在天向的投影；

S4：综合误差补偿模块将重力异常矢量与载体的运动信息求取相关系数，按照式（2）计算残余补偿量，然后对重力异常矢量进行综合补偿，得到补偿后的重力加速度信息，再将补偿后的重力加速度信息传输给带通滤波器；

（2）；

其中：表示残余补偿量，/>（/>=1,...,7）为相关系数，/>表示相关系数的序号,/>表示载体外部多源运动传感系统测得的载体沿/>轴方向的速度,/>表示载体外部多源运动传感系统测得的载体沿/>轴方向的加速度，/>表示载体外部多源运动传感系统测得的载体沿轴方向的加速度，/>表示载体外部多源运动传感系统测得的载体沿/>轴方向的加速度，</>>表示取平均值；

S5：带通滤波器对补偿后的重力加速度信息进行滤波处理后，有效分离出无人平台重力仪的重力加速度信息。

2.根据权利要求1所述的一种基于多源信息融合的无人平台重力仪数据处理方法，其特征在于，步骤S2中频响曲线补偿与修正模块进行频响曲线补偿与修正时包括如下步骤：

S21：对重力敏感器施加低频线运动激励，得到重力敏感器的真实频响曲线；

S22：针对真实频响曲线的变化以及不同的频段，放大的部分乘以一个小于1的修正系数，衰减的部分乘以一个大于1的修正系数，使频响幅值始终趋近于1，将所有修正系数构建一个修正传递函数；

S23：将修正传递函数写入频响曲线补偿与修正模块，使重力敏感器采集的真实信号与修正传递函数的修正系数相乘，得到经频响曲线补偿与修正后的信息储存并输出。