[发明专利]基于天文姿态基准保持的垂线偏差动态测量装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及测绘领域,特别是一种基于天文姿态基准保持的垂线偏差动态测量方法。

背景技术

由于地球形状的不规则、地形的起伏、密度分布不均等因素，实际的重力场与正常重力模型之间存在差异，称之为重力扰动，其垂直分量称为重力异常，水平分量表现为垂线偏差。垂线偏差是大地测量学和空间科学中非常重要的数据。通过垂线偏差可以计算高程异常，确定大地水准面，还可应用于天文大地测量观测数据的归算、弹道计算、空间技术及高精度惯性导航领域。此外，通过研究垂线偏差的时变特性与地震、火山活动之间的关系，可以为地震和火山监测提供新的手段。

Journal of Surveying Engineering（《测绘工程杂志》）2010年第一期中“Modern Determination of Vertical Deflections Using Digital Zenith Cameras”（利用数字天顶相机的垂线偏差现代测量方法）论文公开了一种利用天顶数字相机测量垂线偏差的方法，其原理是利用高精度的天顶数字相机获取载体相对于参考椭球面的水平姿态角，同时利用高精度电子水平仪测量载体相对于真实大地水准面的水平姿态角，将两者求差可得到垂线偏差。该方法的测量精度极高，可以达到0.1″，但由于只能进行静态测量，测量效率很低，因而对人力、物力及时间的消耗巨大。

美国专利US005112126公开了一种用于矿井内垂线偏差测量的方法。其实施方法为：利用天文经纬仪测量得到本地参考椭圆面的法线方向，即正常重力的方向，采用三个高精度激光陀螺进行姿态解算，用于该法线方向的姿态保持，并将激光陀螺组合体放入矿井中，同时将一个摆仪与激光陀螺组合体固联安装，利用摆仪测量当地真实垂线的方向，该发明设计了一种光学测量装置用于测量真实垂线的方向与正常重力方向之间偏差角，即可得到垂线偏差。该专利的缺点在于不能实现动态测量，且测量精度容易受陀螺测量误差的影响，所设计的用于测量垂线偏差的光学测量装置结构较为复杂，通用性不强。

美国专利US3803916公开了一种重力扰动矢量测量的方案。其实施方法为：利用LORAN（long range electronic navigation system远距电子导航系统）进行定位，测量载体在天文坐标系中的位置；同时利用惯性导航系统进行定位解算，将解算结果和LORAN定位结果做差，该差值反映的是陀螺零偏与垂线偏差对惯性导航系统的影响。在扣除陀螺零偏引起的位置误差后，通过捷联惯性导航的反向滤波技术，利用位置误差反算出垂线偏差。这种专利主要缺陷有两点：一是重力扰动模型建模（包括模型的形式和模型参数辨识）较为困难，当模型存在误差时，所估计得到的重力扰动矢量误差较大；二是导航的水平姿态误差角与垂线偏差存在严重的耦合，垂线偏差将引起导航的水平姿态角误差，同时水平姿态角的误差也会引起严重的水平重力扰动估计误差，这两种状态量在只有位置辅助的条件下是不可分离的。

美国专利US5924056和Journal of Geodesy（《大地测量杂志》）2001年的论文“A new approach for airborne vector gravimetry using GPS-INS”（利用GPS/INS实现航空矢量重力测量的新方法）中公开了一类矢量重力测量方法。它的基本原理是：利用INS（Inertial Navigation System惯性导航系统）和GPS（Global Position System全球定位系统）进行组合导航实现比力测量，利用高精度动态差分GPS测量载体的运动加速度，将比力输出和运动加速度做差即可得到矢量重力扰动，这是目前国外研究中普遍采用的矢量重力测量方案。该方案的主要缺陷在于比力的水平分量测量精度不高，垂线偏差的存在将导致水平姿态角测量误差，进而将天向重力加速度耦合到比力的水平分量上，国内外采用多次迭代求解的方法抑制这一影响，但效果欠佳，没有从本质上解决耦合问题，此外这种方案对GPS精度要求极高，需要建立差分GPS基站，在远洋条件下无法使用。根据目前公开的文献，该类矢量重力测量技术尚未有成熟的产品，其精度和分辨率难以令人满意。

重力梯度仪也是垂线偏差动态测量的有力工具，但目前只有少数国家发展出成熟的产品，如Bell Geospace公司的Air-FTG重力梯度仪、美国专利US5357802公开的一种旋转加速度计重力梯度仪等。由于涉及军事领域，重力梯度仪严格限制出口，并对关键技术严格保密。国内的研究进展较为缓慢，离实用还有较大的差距。