[发明专利]基于重力场模型的垂线偏差补偿方法

说明书

本发明针对现有惯性导航系统精度受到垂线偏差影响而降低的问题，公开了一种基于重力场模型的垂线偏差补偿方法，属于惯性导航技术领域。本发明通过所述标定、计算正常重力矢量、由重力场模型计算垂线偏差、根据垂线偏差计算补偿后的重力矢量、初始对准和导航解算等步骤，补偿了垂线偏差对惯性导航系统的影响，提高了惯性导航定位精度，本发明步骤简单、易于实现，可在不增加额外的硬件成本的条件下减弱垂线偏差对惯性导航影响，提升惯性导航系统精度。

技术领域：

本发明涉及重力辅助惯性导航技术，特别是涉及一种基于重力场模型的垂线偏差补偿方法，属于惯性导航领域。

背景技术：

惯性导航系统(Inertial Navigation System,INS)具有高精度、全天候、完全自主的优点，广泛地应用于航空、航天、舰船及地面车辆导航。垂线偏差所引起的水平重力扰动是惯性导航系统的主要误差源之一，对惯性导航系统的姿态测量精度、速度测量精度及定位精度有较大影响，特别是在长时间的惯性导航中表现尤为明显，垂线偏差引起惯性导航误差的原因在于定义导航坐标系时，假设的重力垂线方向(参考椭球的法线方向)与真实的重力垂线方向不一致，两者方向的差异正是垂线偏差。针对垂线偏差进行补偿以提高惯性导航系统精度是当前惯性导航技术领域的研究热点，垂线偏差补偿方法主要分为两类：基于垂线偏差实时测量数据的补偿方法和基于重力场模型的垂线偏差补偿方法。基于垂线偏差实时测量数据的补偿方法的原理是通过重力梯度仪或重力矢量仪实时测量垂线偏差，并将其补偿到惯性导航解算中以提高惯性导航系统精度，但重力梯度仪、重力矢量仪的使用受成本、获取渠道等诸多条件限制，难以广泛推广应用。基于重力场模型的垂线偏差补偿方法的原理是利用重力场模型计算垂线偏差并补偿到惯性导航解算中以提高惯性导航系统精度，目前已有多个适用于全球的重力场模型公布，为此类方法的推广应用奠定了基础。惯性导航是由初始对准与导航解算两个步骤组成，国内外学者在开展垂线偏差补偿方法研究时，主要关注了垂线偏差对导航解算的影响，而没有考虑其对初始对准的影响，但垂线偏差将影响初始对准所建立的导航坐标系，如果惯性导航解算中的各个向量未投影到统一的导航坐标系就会引起惯性导航误差。因此，进行垂线偏差补偿时，必须要从初始对准阶段就考虑垂线偏差的影响，并在初始对准与导航解算两个阶段都进行补偿，才能有效地补偿垂线偏差影响，提高惯性导航系统精度。

发明内容：

针对以上问题，本发明通过标定、计算正常重力矢量、由重力场模型计算垂线偏差、根据垂线偏差计算补偿后的重力矢量、初始对准和导航解算等步骤，补偿了垂线偏差对惯性导航系统的影响，提高了惯性导航定位精度。

一种基于重力场模型的垂线偏差补偿方法，其步骤为：

步骤S1：惯性导航系统工作前，通过高精度三轴转台对惯性导航系统进行标定，精确地估计出加速度计零偏，并在加速度计输出数据中扣除零偏；

步骤S2：定义导航系n和n′，其中n表示以参考椭球法线为垂向建立的导航坐标系，n′表示以真实重力为垂向建立的导航坐标系；使惯性导航系统处于静止状态，根据惯性导航系统的初始纬度L₀、初始经度λ₀和初始高度h₀，使用正常重力模型计算初始位置处的标量正常重力值，以此构建未经垂线偏差补偿的正常重力矢量向量上标n表示该向量投影在导航系n；

步骤S3：根据惯性导航系统的初始纬度L₀、初始经度λ₀和初始高度h₀，使用EGM2008重力场球谐函数模型计算垂线偏差的北向分量ξ和东向分量η；

步骤S4：将步骤S2所述未经垂线偏差补偿的正常重力矢量绕旋转轴转动角度后，得到垂线偏差补偿后的重力矢量通过以下步骤实现：

步骤S41:根据步骤S3所述ξ和η，计算旋转轴其中

u₂＝0

步骤S42：计算转动角度