一种适用于捷联式海洋重力仪的重力异常数据处理方法技术

本发明专利技术涉及一种适用于捷联式海洋重力仪的重力异常数据处理方法，该方法采用kalman滤波器，估计惯性导航解算中的姿态误差，对姿态矩阵和垂向比力分量进行修正，得到更为精确的比力信息，再由PPP技术得提供的位置、速度和高度信息计算重力各改正项，最后经低通滤波得到沿航线的重力异常信息，本发明专利技术可用于海洋重力仪数据的处理，抗干扰能力强，具有较高的数据处理精度，可以作为高精度海洋重力仪重力异常提取的数据处理方法，特别适用于高精度捷联式动基座海洋重力仪的重力异常提取。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种适用于捷联式海洋重力仪的重力异常数据处理方法，属于航空航天高精度惯性元件的测试

技术介绍
目前，重力测量在资源勘探、固体潮监测等民用和科学研究方面应用广泛。动基座重力测量系统的出现使得高效、大范围的重力测量成为可能。对比于平台式重力仪，捷联式重力仪具有体积小、功耗低、结构简单、可靠性高等优点。捷联式动基座海洋重力仪重力异常提取的数据处理方法是捷联式重力仪应用于海洋重力测量的关键技术。要求重力测量系统的精度优于1mGal(1mGal＝10-5m/s2＝1μg)。这对于重力异常提取的数据处理方法而言，提出了很高的要求。由于重力数据的敏感性，国外成熟产品的软件已经封存为程序包，购买国外的仪器并不能知晓其详细的处理过程和方法。目前，国内对复杂海况下的捷联式重力仪重力异常的提取方法并未形成好的解决方案。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种适用于捷联式海洋重力仪的重力异常数据处理方法，该方法可用于海洋重力仪数据的处理，抗干扰能力强，具有较高的数据处理精度，可以作为高精度海洋重力仪重力异常提取的数据处理方法，特别适用于高精度捷联式动基座海洋重力仪的重力异常提取。本专利技术的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：一种适用于捷联式海洋重力仪的重力异常数据处理方法，包括如下步骤：(1)、将捷联式海洋重力仪安装于船舱内，捷联式海洋重力仪实时记录船舶的速度增量和角速度增量，并投影至载体坐标系下得到速度增量fb和角速度增量(2)、进行捷联式海洋重力仪的动基座初始对准，获得从载体坐标系到实际数学平台坐标系的姿态转移矩阵所述姿态转移矩阵为对准时间段内最后时刻k时刻的姿态转移矩阵；(3)、根据对准时间段内最后时刻k时刻的姿态转移矩阵获得船舶导航过程中当前时刻从载体坐标系到实际数学平台坐标系的姿态转移矩阵东速ve(ti)、北速vn(ti)、纬度lat(ti)和经度lon(ti)，其中ti为当前时刻；(4)、将GPS测量获得的船舶运动信息进行差分处理，获得差分GPS数据；(5)、根据捷联惯性系统误差方程，选取状态向量，构建卡尔曼滤波器的系统状态方程，根据步骤(3)中当前时刻的东速ve(ti)、北速vn(ti)、纬度lat(ti)和经度lon(ti)，以及步骤(4)中差分GPS数据中的当前时刻的东速VE，北速VN、经度λ和纬度L，得到相应东速的差值ve(ti)-VE、北速的差值vn(ti)-VN、经度的差值lon(ti)-λ和纬度的差值lat(ti)-L，作为卡尔曼滤波器的观测量进行东速误差、北速误差、经度误差、纬度误差和姿态误差的估计；(6)、根据步骤(5)中得到的当前时刻的姿态误差修正东北天向比力值，得到修正后的东北天向比力值fn'；(7)、计算重力异常粗值δg，公式如下：其中：gb为码头处的重力基准值；fu为fn'中的天向比力值；为码头处的天向比力初值；au为天向运动加速度；δaE为厄特弗斯改正；δaF为自由空间改正；γ0为正常重力改正；δgdrift为零点漂移改正。在上述适用于捷联式海洋重力仪的重力异常数据处理方法中，获得船舶导航过程中当前时刻的姿态转移矩阵东速ve(ti)、北速vn(ti)、纬度lat(ti)和经度lon(ti)的具体方法如下：根据导航过程中起始时刻，即第k+1时刻的速度增量fb(tk+1)、角速度增量和所述姿态转移矩阵获得导航过程中船舶在第k+1时刻的姿态转移矩阵东速ve(tk+1)、北速vn(tk+1)、纬度lat(tk+1)和经度lon(tk+1)，根据船舶在第k+1时刻的姿态转移矩阵东速ve(tk+1)、北速vn(tk+1)、纬度lat(tk+1)和经度lon(tk+1)，以及第k+2时刻的速度增量fb(tk+2)、角速度增量获得的船舶在第k+2时刻的姿态转移矩阵东速ve(tk+2)、北速vn(tk+2)、纬度lat(tk+2)和经度lon(tk+2)，依次类推，获得船舶在导航过程中当前时刻的姿态转移矩阵东速ve(ti)、北速vn(ti)、纬度lat(ti)和经度lon(ti)。在上述适用于捷联式海洋重力仪的重力异常数据处理方法中，姿态转移矩阵通过如下方法获得：其中：其中：为载体坐标系到实际数学平台坐标系的姿态转移矩阵，L代表大地纬度，ωie为地球自转角速度，t0为对准时间段内的初始对准时刻，tk为对准时间段内的任意时刻；为载体坐标系到载体惯性坐标系的姿态转移矩阵，具体表达式为：式中：q0q1q2q3为对准数据段最后时刻k的四元素；为载体惯性坐标系到经线地心惯性坐标系的姿态转移矩阵，具体表达式为：其中：g为地球重力值，分别计算Vi(tk1)和Vi(tk2)的值，tk1和tk2分别是对准时段内的两个时刻；Δtk＝tk-t0，为当前时刻从载体坐标系到实际数学平台坐标系的姿态转移矩阵；fb(ti)为当前时刻的速度增量。在上述适用于捷联式海洋重力仪的重力异常数据处理方法中，载体坐标系到载体惯性坐标系的姿态转移矩通过如下方法获得：(3.1)、初始对准时刻t0，载体坐标系到载体惯性坐标系的姿态转移矩阵表示如下：其中：I为3阶单位矩阵，其对应的初始时刻四元素为Q(t0)＝[1000]；(3.2)、根据t0时刻的四元素Q(t0)和t1时刻的角速度增量获得t1时刻的四元素其中，Φ＝|Φ|；(3.3)、根据t1时刻的四元素Q(t1)和t2时刻的角速度增量获得t2时刻的四元素Q(t2)，依次类推，获得对准数据段最后时刻k时刻的四元素Q(k)＝[q0q1q2q3]，根据Q(k)计算如下：在上述适用于捷联式海洋重力仪的重力异常数据处理方法中，步骤(4)中差分GPS数据包括GPS时间、经度λ、纬度L、海拔高、大地高、东北天速度(VE，VN，VU)、东北天加速度、卫星数、PDOP、HDOP、VDOP、质量数Q以及GPS周。在上述适用于捷联式海洋重力仪的重力异常数据处理方法中，步骤(5)中根据捷联惯性系统误差方程，选取的状态向量XINS为13阶，具体表示如下：其中：δL为纬度误差；δλ为经度误差；δve、δvn分别为东速误差和北速误差；φe、φn和φu分别为三个姿态误差角；εx、εy和εz为激光陀螺的零位；和为加速度计零位。在上述适用于捷联式海洋重力仪的重力异常数据处理方法中，步骤(6)中修正后的东北天向比力值fn'表示如下：其中：φ×为反对称阵，为当前时刻从载体坐标系到实际数学平台坐标系的姿态转移矩阵；fb(ti)为当前时刻的速度增量；ΔT为系统采样间隔时间。在上述适用于捷联式海洋重力仪的重力异常数据处理方法中，对所述步骤(7)中计算的重力异常粗值δg采用数字滤波器进行滤波处理，以提高数据精度。在上述适用于捷联式海洋重力仪的重力异常数据处理方法中，数字滤波采用FIR和IIR低通滤波器，截止频率小于0.01Hz；或者采用正反卡尔曼滤波器。在上述适用于捷联式海洋重力仪的重力异常数据处理方法中，若船舶在行驶过程中存在形成网格的交叉点，则进行测线网平差处理方法，消除仪器的系统误差和半系统误差，提高测量精度。在上述适用于捷联式海洋重力仪的重力异常数据处理方法中，步骤(4)中采用PPP技术将GPS测量获得的船舶运动信息进行差分处理。本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)、本专利技术采用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适用于捷联式海洋重力仪的重力异常数据处理方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)、将捷联式海洋重力仪安装于船舱内，捷联式海洋重力仪实时记录船舶的速度增量和角速度增量，并投影至载体坐标系下得到速度增量fb和角速度增量(2)、进行捷联式海洋重力仪的动基座初始对准，获得从载体坐标系到实际数学平台坐标系的姿态转移矩阵所述姿态转移矩阵为对准时间段内最后时刻k时刻的姿态转移矩阵；(3)、根据对准时间段内最后时刻k时刻的姿态转移矩阵获得船舶导航过程中当前时刻从载体坐标系到实际数学平台坐标系的姿态转移矩阵东速ve(ti)、北速vn(ti)、纬度lat(ti)和经度lon(ti)，其中ti为当前时刻；(4)、将GPS测量获得的船舶运动信息进行差分处理，获得差分GPS数据；(5)、根据捷联惯性系统误差方程，选取状态向量，构建卡尔曼滤波器的系统状态方程，根据步骤(3)中当前时刻的东速ve(ti)、北速vn(ti)、纬度lat(ti)和经度lon(ti)，以及步骤(4)中差分GPS数据中的当前时刻的东速VE，北速VN、经度λ和纬度L，得到相应东速的差值ve(ti)‑VE、北速的差值vn(ti)‑VN、经度的差值lon(ti)‑λ和纬度的差值lat(ti)‑L，作为卡尔曼滤波器的观测量进行东速误差、北速误差、经度误差、纬度误差和姿态误差的估计；(6)、根据步骤(5)中得到的当前时刻的姿态误差修正东北天向比力值，得到修正后的东北天向比力值fn'；(7)、计算重力异常粗值δg，公式如下：δg=gb+(fu-f0u)-au+δaE+δaF-γ0+δgdrift]]>其中：gb为码头处的重力基准值；fu为fn'中的天向比力值；为码头处的天向比力初值；au为天向运动加速度；δaE为厄特弗斯改正；δaF为自由空间改正；γ0为正常重力改正；δgdrift为零点漂移改正。...

【技术特征摘要】
1.一种适用于捷联式海洋重力仪的重力异常数据处理方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)、将捷联式海洋重力仪安装于船舱内，捷联式海洋重力仪实时记录船舶的速度增量和角速度增量，并投影至载体坐标系下得到速度增量fb和角速度增量(2)、进行捷联式海洋重力仪的动基座初始对准，获得从载体坐标系到实际数学平台坐标系的姿态转移矩阵所述姿态转移矩阵为对准时间段内最后时刻k时刻的姿态转移矩阵；(3)、根据对准时间段内最后时刻k时刻的姿态转移矩阵获得船舶导航过程中当前时刻从载体坐标系到实际数学平台坐标系的姿态转移矩阵东速ve(ti)、北速vn(ti)、纬度lat(ti)和经度lon(ti)，其中ti为当前时刻；(4)、将GPS测量获得的船舶运动信息进行差分处理，获得差分GPS数据；(5)、根据捷联惯性系统误差方程，选取状态向量，构建卡尔曼滤波器的系统状态方程，根据步骤(3)中当前时刻的东速ve(ti)、北速vn(ti)、纬度lat(ti)和经度lon(ti)，以及步骤(4)中差分GPS数据中的当前时刻的东速VE，北速VN、经度λ和纬度L，得到相应东速的差值ve(ti)-VE、北速的差值vn(ti)-VN、经度的差值lon(ti)-λ和纬度的差值lat(ti)-L，作为卡尔曼滤波器的观测量进行东速误差、北速误差、经度误差、纬度误差和姿态误差的估计；(6)、根据步骤(5)中得到的当前时刻的姿态误差修正东北天向比力值，得到修正后的东北天向比力值fn'；(7)、计算重力异常粗值δg，公式如下：δg=gb+(fu-f0u)-au+δaE+δaF-γ0+δgdrift]]>其中：gb为码头处的重力基准值；fu为fn'中的天向比力值；为码头处的天向比力初值；au为天向运动加速度；δaE为厄特弗斯改正；δaF为自由空间改正；γ0为正常重力改正；δgdrift为零点漂移改正。2.根据权利要求1所述的一种适用于捷联式海洋重力仪的重力异常数据处理方法，其特征在于：获得船舶导航过程中当前时刻的姿态转移矩阵东速ve(ti)、北速vn(ti)、纬度lat(ti)和经度lon(ti)的具体方法如下：根据导航过程中起始时刻，即第k+1时刻的速度增量fb(tk+1)、角速度增量和所述姿态转移矩阵获得导航过程中船舶在第k+1时刻的姿态转移矩阵东速ve(tk+1)、北速vn(tk+1)、纬度lat(tk+1)和经度lon(tk+1)，根据船舶在第k+1时刻的姿态转移矩阵东速ve(tk+1)、北速vn(tk+1)、纬度lat(tk+1)和经度lon(tk+1)，以及第k+2时刻的速度增量fb(tk+2)、角速度增量获得的船舶在第k+2时刻的姿态转移矩阵东速ve(tk+2)、北速vn(tk+2)、纬度lat(tk+2)和经度lon(tk+2)，依次类推，获得船舶在导航过程中当前时刻的姿态转移矩阵东速ve(ti)、北速vn(ti)、纬度lat(ti)和经度lon(ti)。3.根据权利要求1所述的一种适用于捷联式海洋重力仪的重力异常数据处理方法，其特征在于：所述姿态转移矩阵通过如下方法获得：其中：Cen=010-sinL0cosLcosL0sinL,Cie(tk)=cosωie(tk-t0)sinωie(tk-t0)0-sinωie(tk-t0)cosωie(tk-t0)0001,]]>其中：为载体坐标系到实际数学平台坐标系的姿态转移矩阵，L代表大地纬度，ωie为地球自转角速度，t0为对准时间段内的初始对准时刻，tk为对准时间段内的任意时刻；为载体坐标系到载体惯性坐标系的姿态转移矩阵，具体表达式为：Cbib0(tk)=q02+q12-q22-q322(q1q2-q0q3)2(q1q3+q0q2)2(q1q2+q0q3)q02-q12+q22-q322(q2q3-q0q1)2(q1q3-q0q2)2(q2q3+q0q1)q02-q12-q22+q32;]]>式中：q0...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗骋，李东明，王文晶，侯淑华，曾培香，李海兵，熊志明，杨艳广，
申请(专利权)人：北京航天控制仪器研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11