[发明专利]基于垂线偏差补偿的高精度姿态修正方法

说明书

技术领域

本发明主要涉及到组合导航技术领域，特指一种基于惯性导航系统(INS)与全球定位系统(GPS)组合的用于姿态修正的高精度重力修正和补偿方法。

背景技术

重力扰动是高精度惯性导航系统中主要的误差源，重力扰动的补偿一直是高精度导航系统中重要的研究方向。重力扰动补偿的精度、实时性影响着导航系统的精度。高精度姿态测量系统主要受重力扰动水平分量(对应为垂线偏差)的影响，对垂线偏差(DOV)进行补偿将减少水平加速度误差与姿态解算通道的耦合，因此垂线偏差的补偿精度与实时性对姿态测量系统影响尤为明显。

目前，常用的重力扰动补偿方法主要包括以下三种：绝对重力传感器实测补偿法、重力扰动建模补偿法、直接做差法。

绝对重力传感器实测补偿(参见海工大金际航等人2013年发表于CIAC会议的论文Accuracy Improvement of Ship’s Inertial System by Deflections of the Vertical Based Gravity Gradiometer)，即利用绝对传感器实时测量重力扰动来对惯导系统进行补偿，实时性好，但精度会受到地形和其他客观因素的影响，且测量垂线偏差需要专用设备。

重力扰动建模补偿(参见J.K.Kwon等人2002年发表于Geophysics第67期的论文The effect of stochastic gravity models in airborne vector gravimetry)，理论上可获得重力扰动的最优估计，但重力扰动模型的建模工作较为复杂，在未勘测地区精度有限。

直接做差法(参见K.P.Schwarz2006年发表的论文Simultaneous determination of position and gravity from INS/DGPS)，即利用DGPS输出的加速度与INS加速度做差估计重力扰动，其最大的技术瓶颈在于高精度水平姿态基准获取困难，测量精度有限(参见K.P.Schwarz等人2001年发表的论文Estimating the gravity disturbance vector from airborne gravimetry)。

北京航空航天大学房建成等在2014年IEEE远程传感与遥感杂志第8期发表论文An Accurate Gravity Compensation Method for High-Accuracy Airborne POS，提出一种直接做差-建模方法(DD-M)，将直接做差法和建模法相结合，先用直接做差法得到有限精度的重力扰动数据，在此基础上用时间序列分析法得到重力扰动分布，建立较高精度的重力扰动模型。最后将获得的重力扰动数据代入INS/GPS系统进行解算，以此来提高系统位置和姿态精度。该方法一定程度上提高了系统精度，但直接做差和建模的精度有限，没有从根本上解决垂线偏差测量精度的问题，导致补偿效果有限。

另有从业者在中国专利201410305314.2中提出了一种“基于INS/GPS组合的垂线偏差动态测量装置及测量方法”，其采用的技术方案如图1所示，包括惯性导航系统1、GPS天线2、GPS接收机3及第一数据处理计算机4，用来对数据处理计算机5进行检测。它利用INS/GPS姿态测量系统中的激光陀螺组合体(LGU)与GPS构建LGU/GPS姿态测量子系统，其输出的姿态和INS/GPS姿态测量系统输出的姿态求差，进而计算垂线偏差。最后修正垂线偏差测量值中的跳变误差，并利用全球重力模型数据修正垂线偏差测量值中的低频误差。该方法利用SINS中的LGU进行姿态解算，提供一个不与垂线偏差耦合的姿态基准，用于观测SINS/GNSS组合导航的姿态误差，并建立观测方程。通过对LGU的姿态测量误差和垂线偏差扰动量的建模，在频域上实现LGU姿态误差与垂线偏差扰动量的解耦，最终利用Kalman滤波估计得到垂线偏差扰动的最优估计值。该装置能够实现垂线偏差的动态测量，并具有鲁棒性强，能够有效抑制惯性器件误差，不依赖于差分GPS，应用范围广等优点。

但是，由于该方案是针对垂线偏差测量的应用，对实时性要求不高。为提高测量精度，方案中测量点处的垂线偏差需要通过测量点前、后各一段时间的数据进行估计，当前时刻的垂线偏差由于数据量不足会导致估计精度相对较低，直接利用当前输出的垂线偏差进行补偿对系统精度的提高较为有限。

发明内容