[发明专利]基于捷联惯性/GPS组合辅助水平角运动隔离的重力测量方法

权利要求书

1.一种基于捷联惯性/GPS组合辅助水平角运动隔离的重力测量方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、在实测过程中，重力仪的IMU外部采用双轴稳定平台隔离载体的水平角运动，IMU中两个水平陀螺与内外环架同轴用于稳定平台反馈控制，垂向陀螺负责方位角运动测量，配合三个加速度计共同构成速率方位平台惯导控制模式，在动态条件下经导航解算产生水平施矩量来控制平台跟踪地理水平；该步骤的具体实现方法为：

所述速率方位平台惯导采用地平坐标系k，该地平坐标系k的水平轴OX_k、OY_k与大地保持水平，垂直轴OZ_k与姿态保持固连；

所述地平坐标系k与地理坐标系之间存在姿态变换，其变换矩阵为：

其中，K为方位角，北偏西为正；

经惯性空间稳定后，水平陀螺输出在地理系下的投影为零用于控制，垂直陀螺敏感载体角运动，其输出在地理坐标系下的投影为：

其中，v_E为载体东向速度；ω为地球自转角速率；为地理纬度；R_N为子午面地球半径；h为载体高度；此时，方位捷联惯导系统的方位角通过陀螺输出减去载体运动角速率获得，有：

其中，K_c为解算方位角；b_gz为方位陀螺漂移；K(0)为初始方位；

IMU的加速度测量值f^b(k)通过姿态变换得到地理坐标下的加速度，再进行后续导航解算得到：

其中，fⁿ为地理系下IMU加速度测量值；f^b(k)为载体坐标系下IMU加速度测量值；b_a为加速度计零偏；

对水平加速度积分获得地理坐标系下的水平速度：

其中，f_E、f_N为重力仪敏感到东向和北向角速度；为解算方位角；v_E,c为解算东向速度；v_E(0)、v_N(0)为东向和北向初始速度；

对水平速度进行积分获得纬度信息为：

其中，R_M为卯酉圈地球半径；v_N,c为解算北向速度；为初始纬度；

计算地理坐标系下东北向平台跟踪地理坐标系的东北向施矩角速率ω_E和ω_N为：

将地理坐标系下的平台施矩量转换到地平坐标系k系后，直接作用于直流力矩电机，实现平台修正功能，该施矩量为：

其中，ω_x为平台X轴陀螺施矩量，ω_y为平台Y轴陀螺施矩量；为地理坐标系到地平坐标系旋转矩阵；ω_E,c和ω_N,c分别为重力仪平台东向和北向解算施矩量；b_gx和b_gy分别为X和Y轴陀螺漂移；

步骤2、在重力测量数据后期处理过程中，结合DGPS信息完成对残余水平误差的Kalman滤波估计，将IMU的比力测量值通过姿态旋转到地理坐标系方向；该步骤的具体实现方法为：

在一次测量作业后，采用重力仪中IMU的陀螺和加速度计测量值和在地理坐标系下进行惯导解算，得到惯导输出位置、速度、姿态和地理坐标系下的比力测量值；在离线获得DGPS数据后，结合载体飞行姿态信息完成对GPS定位数据的偏心修正，得到仪器位置的高精度定位数据，再经过一次差分后得到载体的速度信息。

2.根据权利要求1所述的基于捷联惯性/GPS组合辅助水平角运动隔离的重力测量方法，其特征在于：在地理坐标系下进行惯导解算时，将SINS动态误差模型作为卡拉曼滤波器的状态转移矩阵，该状态转移矩阵表示如下：

其中，为载体坐标系到地理坐标系的转换矩阵；为陀螺角速率测量误差；为加速度计测量误差,W为系统噪声；另外，姿态误差模型AA、AP、AV分别为：

速度误差模型VA、VV、VP分别为：

位置误差模型PA、PV、PP分别为：

元件误差模型为：

元件误差对应的误差状态向量X(t)为：

式中，[φ_E φ_N φ_U]为IMU在东向、北向和天向姿态误差，[v_E v_N v_U]为东向、北向和垂向速度；为地理纬度、经度和高度；为陀螺漂移；为加速度计零偏，f_U为垂向加速度测量值。