一种全自主高精度的捷联惯导系统重力扰动补偿方法技术方案

本发明专利技术公开了一种全自主高精度的捷联惯导系统重力扰动补偿方法，通过剖析重力扰动、重力扰动梯度与重力扰动变化率之间的内在耦合关系，建立了能够精确反映重力扰动变化规律的重力扰动及扰动梯度状态模型；并设计了一种不受重力扰动影响的多普勒测速仪

【技术实现步骤摘要】
一种全自主高精度的捷联惯导系统重力扰动补偿方法


[0001]本专利技术涉及导航
，更具体的说是涉及一种全自主高精度的捷联惯导系统重力扰动补偿方法。

技术介绍

[0002]捷联惯导系统具有自主性强、隐蔽性好、导航参数完备、短时精度高、数据输出率高等优点，因此被广泛用于航天器、飞机、舰船和车辆等各类运载体的导航任务中。传统的捷联惯导系统通常假定地球是一个理想的旋转椭球体，并结合理想重力模型对加速度计测量的比力信息进行重力补偿，进而获得载体的运动加速度。但实际上，由于地球形状不规则、质量分布不均匀，所以任意位置的实际重力和理想重力之间必然会存在差异，即存在重力扰动。重力扰动会使捷联惯导系统计算的运动加速度产生误差，进而产生随时间累积的速度、位置和姿态等导航误差。因此，重力扰动已经成为影响长航时高精度捷联惯导系统性能的主要误差源。
[0003]现有重力扰动补偿方法主要包括以下四种：
①
基于全球重力场球谐模型、
②
基于区域重力网格数据、
③
基于重力梯度仪和
④
基于差分卫星导航系统。第
①
种方法将捷联惯导系统解算的位置信息输入事先建好的全球重力场球谐模型中计算得到重力扰动进而实施补偿。但由于全球重力场球谐模型无法对局部区域内的重力扰动进行精确描述，所以该方法在山地等重力扰动变化显著区域的补偿精度较低。第
②
种方法通过读取捷联惯导系统解算位置附近的重力网格数据，再利用插值算法计算得到当前位置的重力扰动。但该方法无法在区域重力网格数据未覆盖的区域使用，所以无法满足长航时运动载体的应用需求。另外，由于前两种方法都需要利用捷联惯导系统解算的位置信息，所以其重力扰动补偿精度均会随惯导位置误差累积而降低。第
③
种方法将重力梯度仪与捷联惯导系统组成组合导航系统，然后将重力梯度仪实时测量的高分辨率重力梯度张量作为量测信息，进而通过最优估计算法对重力扰动进行估计与补偿。但由于重力梯度仪制造工艺复杂、造价昂贵、体积大，所以该补偿方法成本高，且不适用于轻小型运载体。第
④
种方法通过差分卫星导航接收机获得高精度的位置、速度和加速度信息，然后利用最优估计算法对重力扰动进行估计与补偿。但因卫星导航信号易受干扰和遮挡，差分卫星导航系统需要额外布置基准站，并且基准站的作用距离有限，所以该方法的自主性和可靠性无法得到保证。
[0004]因此，如何提供一种高精度、低成本且自主强的捷联惯导系统重力扰动补偿方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术提供了一种全自主高精度的捷联惯导系统重力扰动补偿方法，通过剖析重力扰动、重力扰动梯度与重力扰动变化率之间的内在耦合关系，建立了能够精确反映重力扰动变化规律的状态模型；并设计了一种不受重力扰动影响的多普勒测速仪
‑
陀螺仪自主导航方案，利用其输出的速度、位置和姿态导航参数与捷联惯导系统输出的相
应导航参数进行全面匹配，从而实现了低成本、全自主和高精度的重力扰动补偿。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]一种全自主高精度的捷联惯导系统重力扰动补偿方法，包括以下步骤：
[0008]S1：根据重力扰动位、重力扰动和重力扰动梯度在地球坐标系下的内在联系，建立重力扰动、重力扰动梯度与重力扰动变化率在地理坐标系下的内在耦合关系；
[0009]S2：基于重力扰动位的单值连续性和重力扰动场的保守性构建重力扰动梯度分量的约束方程并采用随机过程对相互独立的重力扰动梯度分量进行描述以构建重力扰动及扰动梯度状态模型；
[0010]S3:根据多普勒测速仪测量的速度以及陀螺仪测量的角速度进行多普勒测速仪
‑
陀螺仪导航解算,得到与重力扰动无关的导航参数；
[0011]S4:利用捷联惯导系统导航解算输出的与重力扰动相关的导航参数和所述与重力扰动无关的导航参数进行参数匹配，获得匹配参数；
[0012]S5:根据重力扰动及扰动梯度状态模型对重力扰动分量及重力扰动梯度分量在状态估计滤波器中进行一步预测；利用所述匹配参数对一步预测结果进行量测更新以获得最终预测结果；
[0013]S6：利用重力扰动分量的最终预侧结果对捷联惯导系统的导航解算过程进行修正。
[0014]优选的，S1中所述内在耦合关系的构建过程包括：
[0015]S11：获取重力扰动位、重力扰动和重力扰动梯度在地球坐标系下的内在联系：
[0016][0017][0018]式中，T表示重力扰动位；e表示地球坐标系，r表示地心指向载体所在位置的矢量；δg
e
表示地球坐标系e下的重力扰动，δΓ
e
表示地球坐标系e下的重力扰动梯度；
[0019]S12：将地球坐标系e下的重力扰动δg
e
和地球坐标系e下的重力扰动梯度δΓ
e
投影至地理坐标系n下，获得地理坐标系n下的重力扰动δg
n
和地理坐标系n下的重力扰动梯度δΓ
n
：
[0020][0021][0022]式中，e表示地球坐标系；n表示地理坐标系；表示地球坐标系e相对地理坐标系n的方向余弦矩阵；δg
n
表示地理坐标系n下的重力扰动；δΓ
n
表示地理坐标系n下的重力扰动梯度；
[0023]S13:对地理坐标系n下的重力扰动δg
n
进行时间求导获得地理坐标系n下的重力扰动变化率
[0024][0025]式中，表示对应的反对称矩阵，表示地理坐标系n相对地球坐标系e的角速度在地理坐标系n的投影，其为理想值；
[0026]同时，地球坐标系e下的重力扰动变化率地球坐标系e下的重力扰动梯度δΓ
e
和地球坐标系e下的载体速度v
e
满足如下关系：
[0027][0028]式中，v
e
表示地球坐标系e下的载体速度；表示地球坐标系e下的重力扰动变化率；
[0029]将式(6)和式(4)代入式(5)得到所述在地理坐标系下的内在耦合关系：
[0030][0031]式中，v
n
表示地理坐标系n下的载体速度；δΓ
n
表示地理坐标系n下的重力扰动梯度；δg
n
表示地理坐标系n下的重力扰动；表示对应的反对称矩阵，表示地理坐标系n相对地球坐标系e的角速度在地理坐标系n的投影；
[0032]其中，重力扰动梯度δΓ
n
具体为：
[0033][0034]δΓ
EE
表示重力扰动位T关于东向E的二阶偏导数；δΓ
EN
表示重力扰动位T先对东向E求偏导、再对北向N求偏导；δΓ
EU
表示重力扰动位T先对东向E求偏导、再对天向U求偏导；δΓ
NE
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种全自主高精度的捷联惯导系统重力扰动补偿方法，其特征在于,包括以下步骤：S1：根据重力扰动位、重力扰动和重力扰动梯度在地球坐标系下的内在联系，建立重力扰动、重力扰动梯度与重力扰动变化率在地理坐标系下的内在耦合关系；S2：基于重力扰动位的单值连续性和重力扰动场的保守性构建重力扰动梯度分量的约束方程并采用随机过程对相互独立的重力扰动梯度分量进行描述以构建重力扰动及扰动梯度状态模型；S3:根据多普勒测速仪测量的速度以及陀螺仪测量的角速度进行多普勒测速仪
‑
陀螺仪导航解算,得到与重力扰动无关的导航参数；S4:利用捷联惯导系统导航解算输出的与重力扰动相关的导航参数和所述与重力扰动无关的导航参数进行参数匹配，获得匹配参数；S5:根据重力扰动及扰动梯度状态模型对重力扰动分量及重力扰动梯度分量在状态估计滤波器中进行一步预测；利用所述匹配参数对一步预测结果进行量测更新以获得最终预测结果；S6：利用重力扰动分量的最终预测结果对捷联惯导系统的导航解算过程进行修正。2.根据权利要求1所述的一种全自主高精度的捷联惯导系统重力扰动补偿方法，其特征在于,S1中所述内在耦合关系的构建过程包括：S11：获取重力扰动位、重力扰动和重力扰动梯度在地球坐标系下的内在联系：S11：获取重力扰动位、重力扰动和重力扰动梯度在地球坐标系下的内在联系：式中，T表示重力扰动位；e表示地球坐标系，r表示地心指向载体所在位置的矢量；δg
e
表示地球坐标系e下的重力扰动，δΓ
e
表示地球坐标系e下的重力扰动梯度；S12：将地球坐标系e下的重力扰动δg
e
和地球坐标系e下的重力扰动梯度δΓ
e
投影至地理坐标系n下，获得地理坐标系n下的重力扰动δg
n
和地理坐标系n下的重力扰动梯度δΓ
n
：：式中，e表示地球坐标系；n表示地理坐标系；表示地球坐标系e相对地理坐标系n的方向余弦矩阵；δg
n
表示地理坐标系n下的重力扰动；δΓ
n
表示地理坐标系n下的重力扰动梯度；S13:对地理坐标系n下的重力扰动δg
n
进行时间求导获得地理坐标系n下的重力扰动变化率化率式中，表示对应的反对称矩阵，表示地理坐标系n相对地球坐标系e的角速度在地理坐标系n的投影，其为理想值；同时，地球坐标系e下的重力扰动变化率地球坐标系e下的重力扰动梯度δΓ
e
和地
球坐标系e下的载体速度v
e
满足如下关系：式中，v
e
表示地球坐标系e下的载体速度；表示地球坐标系e下的重力扰动变化率；将式(6)和式(4)代入式(5)得到所述在地理坐标系下的内在耦合关系：式中，v
n
表示地理坐标系n下的载体速度；δΓ
n
表示地理坐标系n下的重力扰动梯度；δg
n
表示地理坐标系n下的重力扰动；表示对应的反对称矩阵，表示地理坐标系n相对地球坐标系e的角速度在地理坐标系n的投影；其中，重力扰动梯度δΓ
n
具体为：δΓ
EE
表示重力扰动位T关于东向E的二阶偏导数；δΓ
EN
表示重力扰动位T先对东向E求偏导、再对北向N求偏导；δΓ
EU
表示重力扰动位T先对东向E求偏导、再对天向U求偏导；δΓ
NE
表示重力扰动位T先对北向N求偏导、再对东向E求偏导；δΓ
NN
表示重力扰动位T关于北向N的二阶偏导数；δΓ
NU
表示重力扰动位T先对北向N求偏导、再对天向U求偏导；δΓ
UE
表示重力扰动位T先对天向U求偏导、再对东向E求偏导；δΓ
UN
表示重力扰动位T先对天向U求偏导、再对北向N求偏导；δΓ
UU
表示重力扰动位T关于天向U的二阶偏导数。3.根据权利要求2所述的一种全自主高精度的捷联惯导系统重力扰动补偿方法，其特征在于,S2中所述重力扰动及扰动梯度状态模型的构建过程包括：根据重力扰动位的单值连续性构建地理坐标系n下的重力扰动梯度δΓ
n
的约束方程：根据重力扰动场的保守性构建重力扰动位T的拉普拉斯方程：式中，表示拉普拉斯算子；将式(8)和式(9)代入式(7)得到：
式中，表示地理坐标系n下的重力扰动变化率在东、北、天三个方向的分量；δΓ
EE
表示重力扰动位T关于东向E的二阶偏导数；δΓ
EN
表示重力扰动位T先对东向E求偏导、再对北向N求偏导；δΓ
EU
表示重力扰动位T先对东向E求偏导、再对天向U求偏导；δΓ
NN
表示重力扰动位T关于北向N的二阶偏导数；δΓ
NU
表示重力扰动位T先对北向N求偏导、再对天向U求偏导；下角标“E”、“N”和“U”分别表示东向、北向和天向；δg
E
,δg
N
,δg
U
表示地理坐标系n下的重力扰动δg
n
在东、北、天三个方向的分量；v
E
,v
N
,v
U
表示地理坐标系n下的载体速度v
n
在东、北、天三个方向的分量，ω
enE
,ω
enN
,ω
enU
表示角速度在东、北、天三个方向的分量，表示地理坐标系n相对地球坐标系e的角速度在地理坐标系n的投影；利用一阶马尔可夫过程对重力扰动梯度分量δΓ
k
进行描述，得到：式中，d
k
表示相关距离；δΓ
k
包括δΓ
EE
,δΓ
EN
,δΓ
EU
,δΓ
NN
,δΓ
NU
；表示重力扰动梯度分量δΓ
k
的变化率；w
δΓ,k
表示激励白噪声；v表示载体速度v
n
的模；式(10)和式(11)即为所构建的重力扰动及扰动梯度状态模型。4.根据权利要求1所述的一种全自主高精度的捷联惯导系统重力扰动补偿方法，其特征在于,S3中所述与重力扰动无关的导航参数包括：与重力扰动无关的速度参数与重力扰动无关的位置参数和与重力扰动无关的姿态矩阵所述与重力扰动无关的导航参数的导航解算过程包括以下步骤:S31：利用安装矩阵和姿态矩阵将所述多普勒测速仪测量的速度转换到地理坐标系n下，得到与重力扰动无关的速度参数坐标系n下，得到与重力扰动无关的速度参数S32：对与重力扰动无关的速度参数进行积分计算得到与重力扰动无关的位置参数
S33：利用与重力扰动无关的速度参数和与重力扰动无关的位置参数对角速度和角速度进行更新：进行更新：将更新后的角速度和角速度投影至惯性器件测量坐标系b下，并结合陀螺仪测量的角速度计算得到更新后的姿态角速度计算得到更新后的姿态角速度利用姿态角速度对姿态矩阵进行实时更新，得到更新的姿态矩阵进行实时更新，得到更新的姿态矩阵其中，表示多普勒测速仪测量的速度，D表示多普勒测速仪，m表示多普勒测速仪测量坐标系；表示惯性器件测量坐标系b相对惯性坐标系i的角速度在惯性器件测量坐标系b的投影，即
‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：王新龙，杨洁，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：