[发明专利]一种可实时测量重力加速度的惯性导航系统

说明书

本发明公开了一种可实时测量重力加速度的惯性导航系统，其特征在于，包括一个水平加速度计、一个陀螺和一数据处理单元；其中所述水平加速度计，用于实时测量得到惯性导航系统载体所在位置的比力a并将其发送给数据处理单元；所述陀螺，用于实时测量得到的角速度ω并将其发送给数据处理单元；所述数据处理单元，用于根据公式获得载体所在位置的重力加速度g；f为观测频率。本发明无需目前高精度重力仪所需的低温冷却设备，也无需引入新的测量器件，仅使用惯导系统中的一个水平加速度计及一个陀螺即可完成重力加速度的实时测量；且系统的测量精度和观测频率成反比，频率越低，系统的测量精度越高。

技术领域

本发明涉及一种可实时测量重力加速度的惯性导航系统，可应用于航天、航空、航海及其它民用领域。

背景技术

惯性导航系统是一种应用广泛、原理简单的导航定位系统，一个完整的导航系统由三轴加速度计、三轴陀螺、计算系统及附件组成。惯性导航系统可分为平台式惯性导航系统和捷联式惯性导航系统，依据所选取的导航坐标系的不同，平台式惯导系统又可分为空间稳定惯导系统和当地水平惯导系统。当地水平惯导系统尽管只需安装两个加速度计以测量两个水平轴向的比力分量(加速度计测量的是载体相对惯性空间的绝对加速度和引力加速度之差，称作“比力”)，避免了补偿比力中的重力加速度分量，但其需要一个稳定的三轴平台，台面一直和地面平行，难以使用。捷联式惯性导航系统和空间稳定惯导系统的加速度输出信号中会包含重力加速度，而目前用于补偿重力加速度的方法仅仅依靠正常重力场公式，只考虑重力加速度与纬度、高度的关系；实际上地球上的各种物体(如山川、海沟、大型建筑物等)均会影响到重力加速度值，因此，传统方案会引入大量由于重力加速度不准带来的误差，可实时测量重力加速度的惯性导航系统对提高惯导系统的精度和可靠性有重要的意义。

目前重力的实时测量方式主要有绝对重力测量和相对重力测量两大类，绝对重力测量是指用仪器直接测定空间某点的绝对重力值，测量仪器一般都具有体积大、结构复杂等缺点；相对重力测量是指用仪器测定空间两点之间的重力差值，测量仪器原理较为简单且精度高，但是无法获取重力加速度的绝对值(真实值)。本发明中直接利用惯性导航系统中的传感器实时测量绝对重力加速度，无需目前高精度重力仪所需的低温冷却设备，也无需引入新的测量器件，具有广阔的应用前景。

发明内容

针对目前惯导系统中仅使用正常重力场(仅考虑纬度和高度因素)估算重力加速度的问题，本发明提供了一种实时测量重力加速度的方法及惯性导航系统，并将该方法应用在惯导系统的初始对准和实际解算过程当中。该方法无需目前高精度重力仪所需的低温冷却设备，也无需引入新的测量器件，仅使用惯导系统中的一个水平加速度计及一个陀螺即可完成重力加速度的实时测量；且系统的测量精度和观测频率成反比，观测频率越低，系统的测量精度越高。

本发明的技术方案为：

一种实时测量重力加速度的方法，其步骤包括：

1)选择一个水平加速度计及一个敏感轴与之垂直的、固定面与水平加速度计正交的陀螺(如附图1所示，可选陀螺为敏感轴为水平方向的任一陀螺)，见附图1；如果系统本身不存在水平加速度计及对应陀螺，通过坐标系变换归化至水平即可；

2)根据公式a＝(j2πf)²d、ω＝j2πfθ计算初始位置的重力加速度g，以计算所得的重力加速度g作为初始条件，进行惯导系统的初始对准；

3)利用步骤1)所选定的加速度计测量得到惯性导航系统载体所在位置的实时加速度a，利用步骤1)所选定的陀螺测量得到惯性导航系统载体所在位置的实时角速度ω；

4)根据公式a＝(j2πf)²d、ω＝j2πfθ确定载体实时位置的绝对重力加速度g；其中f为观测频率。