一种具备重力扰动自主补偿功能的惯性导航系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种具备重力扰动自主补偿功能的惯性导航系统及方法，其技术特点在于：包括平台式惯性导航系统、惯性信息测量模块和重力梯度测量模块；所述平台式惯性导航系统包括三轴平台框架、平台台体和平台底座；所述惯性信息测量模块包括惯性测量单元和重力测量模块；所述惯性测量单元输出线运动和角运动信息进行导航解算；所述三轴平台框架将平台台体稳定在地理坐标下，同时输出载体位置、速度、航向、姿态导航信息；所述重力测量模块和重力梯度测量模块同步测量载体当前位置的重力异常信息和全张量重力梯度信息，计算出载体当前位置的重力矢量信息，并将重力矢量信息用于惯性测量单元的导航解算。本发明专利技术能够提高惯性导航系统精度。

An Inertial Navigation System with Autonomous Compensation Function of Gravity Disturbance and Its Method

The invention relates to an inertial navigation system and method with autonomous compensation function of gravity disturbance, which has the technical characteristics of: including a platform inertial navigation system, an inertial information measurement module and a gravity gradient measurement module; the platform inertial navigation system comprises a three-axis platform framework, a platform platform platform body and a platform base; and the inertial information measurement module includes an inertial measurement unit. The three-axis platform framework stabilizes the platform body in geographical coordinates and outputs navigation information of carrier position, velocity, heading and attitude. The gravity measurement module and gravity gradient measurement module synchronously measure gravity anomaly information and total tensor of current position of carrier. The gravity gradient information is used to calculate the gravity vector information of the current position of the carrier, and the gravity vector information is applied to the navigation solution of the inertial measurement unit. The invention can improve the accuracy of the inertial navigation system.

【技术实现步骤摘要】
一种具备重力扰动自主补偿功能的惯性导航系统及方法
本专利技术属于惯性导航
，涉及惯性导航系统，尤其是一种具备重力扰动自主补偿功能的惯性导航系统及方法。
技术介绍
惯性导航是根据牛顿惯性原理，利用陀螺仪建立导航坐标系，利用加速度计测量载体运动加速度，经过一次积分得到运载体的速度，再经过一次积分得到运载体的地理位置的导航方法。传统的固定方位半解析式惯性导航系统基本原理如图3所示，通过三只单自由度陀螺仪和框架系统构成三轴稳定平台，通过陀螺仪敏感的角运动信息施加指令驱动力矩电机以达到隔离载体角运动的作用。在系统定位方面，在稳定平台始终保持水平指北的前提下，在平台上水平安装三只相互垂直的加速度计，三只加速度计敏感轴分布沿平台北向轴、东向轴和垂向轴安装，用来分别测量载体北向、东向和垂向加速度。这些加速度信号除含有运载体相对地球的运动加速度以外，还含有哥氏加速度、离心加速度及重力矢量等有害加速度。因此在解算过程中进行有害加速度ABx、ABy和ABz的补偿，然后经过一次积分可得运载体速度分量，即式中Vx(t)、Vy(t)和Vz(t)表示载体在地理坐标系下的北向、东向和垂向实时速度，Vx0、Vy0和Vz0表示载体在地理坐标系下的初始时刻北向和东向和垂向速度，Ax、Ay和Az表示北向、东向和垂向加速度计的输出加速度，ABx、ABy和ABz表示需要补偿的北向、东向和垂向有害加速度。传统惯导系统的有害加速度项为：式中Ω表示地球自转角速度，表示载体当前地理纬度，Vx、Vy表示载体北向、东向速度，R表示地球半径，g表示地球椭球模型上的重力加速度。将所得到速度分量在经过一次积分运算，即可得到运载体相对地球的经度、纬度和高度的变化量。如果输入起始点的经度、纬度和高度，就可得到运载体所在地的经度、纬度和高度。有害加速度的补偿是惯性导航系统解算过程中重要环节之一，而由于加速度计无法区分运动加速度和重力加速度，一般采用正常重力模型来代替实际重力值在解算中予以补偿。但由于实际地球的形状不规则、内部质量分布不均匀、参考椭球与大地水准面不完全重合等原因，重力矢量和正常重力模型的计算值有所偏差，这种偏差称为重力扰动。重力扰动分为重力异常和垂向偏差两部分，其中重力异常是实际重力矢量模值与模型重力模值之差，垂向偏差为实际重力方向与模型重力方向的夹角。重力扰动矢量可表示为：δg＝|g|-g0g0＝[00-g0]Tg＝[gxgy-gz]T式中δg表示重力异常值，|g|表示当前位置实际重力矢量模值，g0表示正常重力模型下的计算值，gx表示重力矢量东向分量，gy表示重力矢量北向分量，gz表示重力矢量垂向分量。在考虑重力扰动的条件下，则惯导系统中有害加速度可表示为：随着惯性元件精度的不断提高和惯性导航系统技术的不断发展，重力扰动已成为高精度惯性导航系统的一项主要误差来源。传统的应对方法是采用专用的重力仪或重力梯度仪实时测量重力矢量，对惯性导航系统进行补偿。惯导系统与重力信息测量系统是分离的，存在系统复杂、可靠性差、成本高、数据信息传输延迟的问题。并且由于二者空间不一致，存在一定的测量误差。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提出一种具备重力扰动自主补偿功能的惯性导航系统及方法，具备重力实时测量功能和重力梯度实时测量功能，利用重力、重力梯度的实时测量值计算有害加速度中的重力扰动项并在解算中予以补偿，以实现提高惯性导航系统精度的目的。本专利技术解决其现实问题是采取以下技术方案实现的：一种具备重力扰动自主补偿功能的惯性导航系统，包括平台式惯性导航系统、惯性信息测量模块和重力梯度测量模块；所述平台式惯性导航系统包括三轴平台框架、平台台体和平台底座；所述惯性信息测量模块包括惯性测量单元和重力测量模块；所述平台底座上安装有平台框架，在该平台框架上安装有平台台体；在该平台台体上固装有惯性测量单元和重力测量模块、重力梯度测量模块；所述惯性测量单元输出线运动和角运动信息进行导航解算；所述三轴平台框架将平台台体稳定在地理坐标下，同时输出载体位置、速度、航向、姿态导航信息；所述重力测量模块和重力梯度测量模块同步测量载体当前位置的重力异常信息和全张量重力梯度信息，计算出载体当前位置的重力矢量信息，并将重力矢量信息用于惯性测量单元的导航解算。一种具备重力扰动自主补偿功能的惯性导航方法，包括以下步骤：步骤1、惯性导航系统在执行导航功能的同时，同步完成重力和重力梯度实时测量；步骤2、根据步骤1获得的重力梯度张量的测量值结合惯导系统解算出当前载体的位置信息，实时计算载体当前位置的重力矢量水平双分量；步骤3、通过当前位置的重力异常值，结合步骤2中得到的当前位置的重力矢量水平分量，计算载体当前位置的重力矢量垂向分量，从而得到地理坐标系下的重力矢量；步骤4、利用地理坐标系下的重力矢量三分量，在惯导系统解算中更高精度的补偿有害加速度中的重力矢量。而且，所述步骤2的具体步骤包括：(1)在系统正常工作时，平台上的重力测量组件输出当前位置的重力异常值δg，重力梯度测量组件输出当前位置的重力梯度全张量信息Γ，其中Γ在数学上可表示为：式中，Γij(i,j＝x,y,z)为梯度张量的分量，表示重力分量gi在j方向上的变化率；(2)将所得到重力梯度信息中的水平分量对位置经过一次积分运算，即可得到当前位置重力矢量水平分量的变化量；如果输入起始点的重力矢量水平分量gx0及gy0，就可得到运载体所在地重力矢量的水平分量Δgx及Δgy，即：式中gx(p)、gy(p)表示当前位置重力矢量的北向、东向分量，gx0、gy0表示初始位置重力矢量的北向、东向分量。而且，所述步骤3的具体步骤包括：(1)重力仪输出的载体当前位置的重力异常值δg，即实际重力矢量与模型重力矢量的模之差；模型重力矢量模g0的计算式为：式中，ge＝9.78049m/s2表示赤道海平面上的重力加速度；(2)将重力仪输出的载体当前位置的重力异常值δg与模型重力矢量模g0相加，可得到载体当前位置的重力矢量模值|g|，即：|g(p)|＝g0(p)+δg(p)(3)再将得到的载体当前位置的重力矢量模值|g(p)|进行坐标分解，即可得到重力矢量在垂向上的投影，即：本专利技术的优点和有益效果：1、本专利技术在具备惯性导航功能的同时还拥有实时进行重力异常测量、重力梯度测量能力，利用重力异常、重力梯度信息自主补偿惯性导航系统解算中的重力扰动误差，以达到提高惯性导航系统精度的目的。2、本专利技术通过此惯性导航系统内部的重力测量组件和重力梯度测量组件计算运载体当前位置的重力矢量信息，补偿惯导解算过程中的重力扰动项，以提高系统的导航精度。3、本专利技术的重力测量组件、重力梯度测量组件和加速度计测量组件共用惯性导航系统的平台，可达到减小系统体积、提高系统可靠性、降低系统成本的作用。4、本专利技术的重力测量组件、重力梯度测量组件和惯性测量单元在空间上紧密安装在一起，可在最大程度上降低由于重力信息测量组件与惯性测量单元空间不一致带来的测量误差。5、本专利技术的惯导系统还可利用重力和重力梯度的实时测量值与事先建立的重力数据库或重力梯度数据库进行匹配比对，利用重力信息与地理坐标信息的相关特性，估算运载体当前地理位置，以提高系统的位置精度。附图说明图1是本专利技术的新型惯性导航系统组成图；图2是本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具备重力扰动自主补偿功能的惯性导航系统，其特征在于：包括平台式惯性导航系统、惯性信息测量模块和重力梯度测量模块；所述平台式惯性导航系统包括三轴平台框架、平台台体和平台底座；所述惯性信息测量模块包括惯性测量单元和重力测量模块；所述平台底座上安装有平台框架，在该平台框架上安装有平台台体；在该平台台体上固装有惯性测量单元和重力测量模块、重力梯度测量模块；所述惯性测量单元输出线运动和角运动信息进行导航解算；所述三轴平台框架将平台台体稳定在地理坐标下，同时输出载体位置、速度、航向、姿态导航信息；所述重力测量模块和重力梯度测量模块同步测量载体当前位置的重力异常信息和全张量重力梯度信息，计算出载体当前位置的重力矢量信息，并将重力矢量信息用于惯性测量单元的导航解算。

【技术特征摘要】
1.一种具备重力扰动自主补偿功能的惯性导航系统，其特征在于：包括平台式惯性导航系统、惯性信息测量模块和重力梯度测量模块；所述平台式惯性导航系统包括三轴平台框架、平台台体和平台底座；所述惯性信息测量模块包括惯性测量单元和重力测量模块；所述平台底座上安装有平台框架，在该平台框架上安装有平台台体；在该平台台体上固装有惯性测量单元和重力测量模块、重力梯度测量模块；所述惯性测量单元输出线运动和角运动信息进行导航解算；所述三轴平台框架将平台台体稳定在地理坐标下，同时输出载体位置、速度、航向、姿态导航信息；所述重力测量模块和重力梯度测量模块同步测量载体当前位置的重力异常信息和全张量重力梯度信息，计算出载体当前位置的重力矢量信息，并将重力矢量信息用于惯性测量单元的导航解算。2.根据权利要求1所述的一种具备重力扰动自主补偿功能的惯性导航系统的导航方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1、惯性导航系统在执行导航功能的同时，同步完成重力和重力梯度实时测量；步骤2、根据步骤1获得的重力梯度张量的测量值结合惯导系统解算出当前载体的位置信息，实时计算载体当前位置的重力矢量水平双分量；步骤3、通过当前位置的重力异常值，结合步骤2中得到的当前位置的重力矢量水平分量，计算载体当前位置的重力矢量垂向分量，从而得到地理坐标系下的重力矢量；步骤4、利用地理坐标系下的重力矢量三分量，在惯导系统解算中更高精度的补偿有害加速度中的重力矢量。3.根据权利要求2所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：李中，李达，王伟，高巍，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七零七研究所，
类型：发明
国别省市：天津,12