基于INS和GPS组合的垂线偏差动态测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于INS和GPS组合的垂线偏差动态测量装置及方法。首先构建了INS/GPS姿态测量子系统和LGU/GPS姿态测量子系统，在开始测量的时刻，利用INS/GPS输出的姿态矩阵对LGU/GPS姿态测量子系统进初始化；此后，利用LGU/GPS和INS/GPS分别进行姿态解算，并计算LGU/GPS与INS/GPS输出的姿态角之差；通过建立垂线偏差测量的观测方程和状态方程，以INS/GPS与LGU/GPS输出的姿态角之差为观测量，在全球重力模型的辅助下，利用Kalman滤波的方法得到垂线偏差的最优估计值。本发明专利技术能有效降低系统的复杂度和成本，提高了测量的精度和可靠性，不依赖于测量环境，可操作性强且便于实施。

【技术实现步骤摘要】
基于INS和GPS组合的垂线偏差动态测量装置及方法
本专利技术属于测绘领域，特别涉及一种基于惯性导航系统(INS)和全球定位系统(GPS)组合的垂线偏差动态测量方法。
技术介绍
基于惯性导航系统/全球定位系统组合的矢量重力测量方法是获取重力场信息的有效手段，它具有高精度、高分辨率、测量效率高等特点，广泛应用于海洋、航空重力测量中。重力矢量垂直分量的测量目前已较为成熟，并广泛应用于商业测量中，然而对重力矢量水平分量(即垂线偏差)的测量仍然是一个难以解决的技术问题。国防科学技术大学的战德军等在申请号为“CN201310730904.5”的专利技术专利申请中(公开号：CN103674030A)提出了一种“基于天文姿态基准保持的垂线偏差测量装置与方法”，采用的技术方案如图1所示，它利用INS/GPS姿态测量系统中的激光陀螺组合体(LGU)与GPS组合，构建了LGU/GPS姿态测量子系统；首先启动INS/GPS姿态测量系统，进行初始对准并输出系统姿态；然后启动星敏感器并利用其姿态输出对LGU/GPS姿态测量子系统进行初始化，此后LGU/GPS姿态测量子系统自主实现姿态测量；利用LGU/GPS姿态测量子系统输出的姿态和INS/GPS姿态测量系统输出的姿态求差，进而计算垂线偏差；最后修正垂线偏差测量值中的跳变误差，并利用全球重力模型数据修正垂线偏差测量值中的低频误差。该方法能够实现垂线偏差的动态测量，并具有鲁棒性强，能够有效抑制惯性器件误差，不依赖于差分GPS，应用范围广等优点。然而，上述测量方法存在一定的局限性，主要表现在如下三个方面：一是该测量方法需要由星敏感器提供高精度天文姿态基准，大大增加了测量设备的成本和结构的复杂度；二是星敏感器的使用依赖于天气条件，且只能在夜晚使用，因而严重地限制了测量实施的灵活性；二是该专利技术所提出的垂线偏差低频误差补偿算法只是一种工程上的经验处理方法，其算法不是最优的，因此补偿精度不高，可靠性也较差。如何在动态条件下实现垂线偏差测量，抑制测量误差，提高测量的精度和可靠性，同时减小甚至消除测量设备对环境的依赖，是本领域技术人员极为关注的技术问题。
技术实现思路
本专利技术是对专利技术“CN201310730904.5”的一种改进，要解决的技术问题是提出一种在不依赖于天文姿态基准的条件下，利用INS和GPS组合实现垂线偏差动态测量的装置及方法，提高测量的精度和可靠性，简化测量系统的复杂度，且不依赖于测量环境，便于实施。为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：一种基于INS和GPS组合的垂线偏差动态测量装置，由惯性导航系统(INS)、GPS天线、GPS接收机和数据处理计算机组成，所述INS、GPS天线以及GPS接收机组成INS/GPS姿态测量子系统(以下简称INS/GPS)，所述INS包含了三个正交安装的激光陀螺，称为激光陀螺组合体(LGU)，所述LGU、GPS天线以及GPS接收机组成LGU/GPS姿态测量子系统(以下简称LGU/GPS，关于LGU/GPS参见专利技术CN201310730904.5中的描述)，三个激光陀螺均与GPS接收机通信；所述INS、GPS天线、GPS接收机固联安装于测量载体上，测量载体可以是测量船、测量车等运载工具；所述GPS天线与所述GPS接收机通信，所述INS、GPS接收机通过数据线与数据处理计算机连接，INS和GPS接收机的测量数据通过数据线传输到数据处理计算机中，在数据处理计算机中完成垂线偏差的解算。INS采用龙兴武等在2010年《中国惯性技术学报》第2期“激光陀螺单轴旋转惯性导航系统”论文中公开的单轴旋转式结构。本专利技术还提供了一种利用上述装置动态测量垂线偏差的方法，具体包括以下步骤：1、构建INS/GPS姿态测量子系统，并进行8小时以上对准。由INS、GPS天线和GPS接收机构建INS/GPS姿态测量子系统，启动INS/GPS姿态测量子系统，进行8小时以上对准，在对准过程中INS/GPS姿态测量子系统采用专利“CN201310730904.5”实施步骤1中所述的算法实现组合姿态测量，在整个测量过程中INS/GPS姿态测量子系统连续输出INS坐标系(b系)相对于计算导航坐标系(n'系)的姿态矩阵对准过程中无垂线偏差数据输出。2、INS/GPS对准结束后，启动LGU/GPS姿态测量子系统，利用第一步中INS/GPS对准后输出的姿态矩阵对LGU/GPS进行姿态矩阵的初始化。记ti为第i个测量采样点对应的时刻，1≤i≤N，N为整个测量过程的采样点总数，ti时刻INS/GPS输出的姿态矩阵为LGU/GPS输出的姿态矩阵为上标n表示真实导航坐标系(n系)。启动LGU/GPS姿态测量子系统的时刻记为t0，即i＝0，则LGU/GPS姿态矩阵的初始化方法为：令3、LGU/GPS姿态测量子系统进行姿态更新。LGU/GPS姿态测量子系统采用专利“CN201310730904.5”中步骤5.3所述的方法进行姿态更新，同时数据处理计算机存储全部测量采样时刻INS/GPS输出的姿态矩阵和LGU/GPS输出的姿态矩阵4、利用全部测量过程中ti时刻INS/GPS输出的姿态矩阵和LGU/GPS输出的姿态矩阵计算姿态矩阵并计算其输出的相应的姿态角之差。的计算方法为：其中[]T表示矩阵的转置，符号·表示矩阵乘法。为了方便描述，将任意t时刻计算得到的n′系到n系的姿态矩阵简记为任意t时刻INS/GPS与LGU/GPS输出的三个姿态角之差为ΔΦE，ΔΦN，ΔΦU，其中，下标E、N、U分别表示东向、北向、天向分量。ΔΦE、ΔΦN和ΔΦU由式(2)计算得到：其中表示矩阵的第2行，第3列的元素，表示矩阵的第3行，第1列的元素，表示矩阵的第1行，第2列的元素。5、以INS/GPS与LGU/GPS输出的三个姿态角之差ΔΦE，ΔΦN，ΔΦU为观测量，通过建立垂线偏差测量的观测方程和状态方程，在全球重力模型的辅助下，利用Kalman滤波的方法提取垂线偏差。具体的实施方法如下：记t时刻测量载体所在位置真实的东向垂线偏差为η，北向垂线偏差为ξ，如图3所示，由全球重力模型计算得到的东向和北向垂线偏差值分别记为选用的全球重力模型为EGM2008全球重力模型，该全球重力模型的计算程序和使用方法可以从“http://earth-info.nga.mil/GandG/wgs84/gravitymod/index.html”网站获取。由EGM2008全球重力模型计算得到的东向和北向垂线偏差误差分别记为δη和δξ，并存在式(3)的关系：记INS/GPS输出的相对于n′系的姿态误差角为vE，vN，vU，LGU/GPS输出的相对于n系的姿态误差角为φE、φN本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于INS和GPS组合的垂线偏差动态测量装置，其特征在于：该装置由惯性导航系统(1)、GPS天线(2)、GPS接收机(3)和数据处理计算机(4)组成，所述惯性导航系统(1)、GPS天线(2)以及GPS接收机(3)组成INS/GPS姿态测量子系统，所述惯性导航系统(1)包含了三个正交安装的激光陀螺，称为激光陀螺组合体，所述激光陀螺组合体、GPS天线(2)以及GPS接收机(3)组成LGU/GPS姿态测量子系统，三个激光陀螺均与GPS接收机(3)通信；所述惯性导航系统(1)、GPS天线(2)、GPS接收机(3)固联安装于测量载体(5)上，所述GPS天线(2)与所述GPS接收机(3)通信，所述惯性导航系统(1)、GPS接收机(3)通过数据线与数据处理计算机(4)连接，惯性导航系统(1)和GPS接收机(3)的测量数据通过数据线传输到数据处理计算机(4)中，在数据处理计算机(4)中完成垂线偏差的解算。

【技术特征摘要】
1.一种基于INS和GPS组合的垂线偏差动态测量方法，该方法基于以下装置实施，所述装置由惯性导航系统(1)、GPS天线(2)、GPS接收机(3)和数据处理计算机(4)组成，所述惯性导航系统(1)、GPS天线(2)以及GPS接收机(3)组成INS/GPS姿态测量子系统，所述惯性导航系统(1)包含了三个正交安装的激光陀螺，称为激光陀螺组合体，所述激光陀螺组合体、GPS天线(2)以及GPS接收机(3)组成LGU/GPS姿态测量子系统，三个激光陀螺均与GPS接收机(3)通信；所述惯性导航系统(1)、GPS天线(2)、GPS接收机(3)固联安装于测量载体(5)上，所述GPS天线(2)与所述GPS接收机(3)通信，所述惯性导航系统(1)、GPS接收机(3)通过数据线与数据处理计算机(4)连接，惯性导航系统(1)和GPS接收机(3)的测量数据通过数据线传输到数据处理计算机(4)中，在数据处理计算机(4)中完成垂线偏差的解算；其特征在于该方法包括以下步骤：1)构建INS/GPS姿态测量子系统，并进行8小时以上对准：启动INS/GPS姿态测量子系统，进行8小时以上对准，在对准过程中INS/GPS姿态测量子系统实现组合姿态测量，在整个测量过程中INS/GPS姿态测量子系统连续输出INS坐标系相对于计算导航坐标系的姿态矩阵对准过程中无垂线偏差数据输出；2)INS/GPS对准结束后，启动LGU/GPS姿态测量子系统，利用第一步中INS/GPS对准后输出的姿态矩阵对LGU/GPS进行姿态矩阵的初始化：记ti为第i个测量采样点对应的时刻，1≤i≤N，N为整个测量过程的采样点总数，ti时刻INS/GPS输出的姿态矩阵为LGU/GPS输出的姿态为上标n表示真实导航坐标系，启动LGU/GPS姿态测量子系统的时刻记为t0，LGU/GPS姿态矩阵的初始化方法为令3)LGU/GPS姿态测量子系统进行姿态更新：LGU/GPS姿态测量子系统进行姿态更新，同时数据处理计算机存储全部测量采样时刻INS/GPS输出的姿态矩阵和LGU/GPS输出的姿态矩阵4)利用全部测量过程中ti时刻INS/GPS输出的姿态矩阵和LGU/GPS输出的姿态矩阵计算坐标旋转矩阵并计算其输出的相应的姿态角之差：的计算方法为：其中[]T表示矩阵的转置，符号·表示矩阵乘法；将任意t时刻计算得到的n′系到n系的姿态矩阵简记为任意t时刻INS/GPS与LGU/GPS输出的三个姿态角之差为：ΔΦE，ΔΦN，ΔΦU，其中，下标E、N、U分别表示东向、北向、天向分量，ΔΦE、ΔΦN和ΔΦU由下式计算得到：其中表示矩阵的第2行，第3列的元素，表示矩阵的第3行，第1列的元素，表示矩阵的第1行，第2列的元素；5)以INS/GPS与LGU/GPS输出的三个姿态角之差ΔΦE，ΔΦN，ΔΦU为观测量，通过建立垂线偏差测量的观测方程和状态方程，在全球重力模型的辅助下，利用Kalman滤波的方法提取垂线偏差：记t时刻测量载体所在位置真实的东向垂线偏差为η，北向垂线偏差为ξ，由全球重力模型计算得到的东向和北向垂线偏差值分别记为由全球重力模型计算得到的东向和北向垂线偏差误差分别记为δη和δξ，并存在下式的关系：记INS/GPS输出的相对于n′系的姿态误差角为vE，vN，vU，LGU/GPS输出的相对于n系的姿态误差角为φE、φN、φU；具体实施方法如下：5.1)建立垂线偏差测量的状态方程：选取垂线偏差测量系统的状态变量为φE、φN、φU、δη、δξ、εU，其中εU为激光陀螺的等效天向零偏，分别对上述状态变量进行动态建模，φE、φN、φU满足如下微分方程：其中，ωie为地球自转角速度，L为测量点的地理纬度；εU建模为随机常值模型，则有：全球重力模型的东向和北向垂线偏差误差δη、δξ的统计模型分别由以下两式给出：其中xE、xN为中间状态变量，ω0为该统计模型的固有频率，ω0与测量载体的运动速度V之间存在固定关系ω0＝2π×V/1000...

【专利技术属性】
技术研发人员：王省书，戴东凯，战德军，秦石乔，黄宗升，郑佳兴，吴伟，胡春生，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43