基于SINS/LDV组合的重力测量方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于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；本发明专利技术提出的基于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。环境适应能力。环境适应能力。

【技术实现步骤摘要】
基于SINS/LDV组合的重力测量方法及系统


[0001]本专利技术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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。

技术实现思路

[0005]针对当前地面连续车载重力测量方式的缺陷，本专利技术提出一种基于SINS/LDV组合的重力测量方法及系统。
[0006]为了实现上述技术目的，本专利技术提出的技术方案如下：
[0007]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：
[0008]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；
[0009]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；
[0010]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。
[0011]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：
[0012]S3.1：首先设θ＝0、ψ＝0以及K＝1，起点为地标点A，坐标为(X
A
，Y
A
，Z
A
)；
[0013]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(X
B
，Y
B
，Z
B
)，点A到点B位移大小为L1；
[0014]激光多普勒测速仪经航迹推算后的位置为点C，其坐标为(X
C
，Y
C
，Z
C
)，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 LDV for accurate altitude estimation in a land vehicle》(Rong Huang,Qi Wang,Xiaoming Nie,et al,《Applied Optics》,2020.11)；
[0015]则标定的结果为：
[0016][0017]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
[0018][0019]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：
[0020][0021]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。
[0022]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；
[0023]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
[0024]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
[0025][0026]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；
[0027]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)；
[0028]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
[0029]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δg
U(l)
：
[0030][0031]其中，为测速仪速度的垂向分量v
U_LDV(l)
经一次差分后得到的垂向加速度，
[0032]为捷联惯导系统中垂向加速度计的测量值，ω
ie
为地球自转角速度，v
E_LDV(l)
和v
N_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，R
M(l)
和R...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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(X
A
，Y
A
，Z
A
)；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(X
B
，Y
B
，Z
B
)，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(X
C
，Y
C
，Z
C
)，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δg
U(l)
：其中，为测速仪速度的垂向分量v
U_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，ω
ie
为地球自转角速度，v
E_LDV(l)
和v
N_LDV(l)...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏国，杨泽坤，高春峰，周健，于旭东，周文健，刘万青，程嘉奕，朱旭，侯承志，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：