CN111722295B - 一种水下捷联式重力测量数据处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种水下捷联式重力测量数据处理方法，包括对激光陀螺单轴旋转捷联惯性导航***的位置进行误差估计与补偿，再经低通滤波器，得到准确的位置；以新的准确位置和计程仪的速度和深度计的水深作为捷联式重力仪的外观测量，应用扩展卡尔曼滤波，计算出当地地理坐标系下的加速度计比力值；经重力各项改正后，用正反综合卡尔曼滤波，得到当地重力异常值。本发明提供的一种水下捷联式重力测量数据处理方法，能够满足水下长时间、高精度、低成本的捷联式重力测量需求。

Description

一种水下捷联式重力测量数据处理方法

技术领域

本发明涉及一种水下捷联式重力测量数据处理方法，属于重力测量领域。

背景技术

水下重力测量对国民经济发展和国防建设具有重要意义。进行水下长时间大范围移动式重力测量需要准确的水下定位信息。随着科学技术的发展，激光陀螺单轴旋转捷联惯性导航***依靠外界信息能够长时间地提供高精度的水下定位信息。针对由激光陀螺单轴旋转捷联惯性导航***、计程仪、深度计、捷联式重力仪组成的水下捷联式重力测量***，本发明提供了一种水下捷联式重力测量数据处理方法，它能够满足水下长时间、高精度、低成本的捷联式重力测量需求。

发明内容

本发明的目的是为了满足水下长时间、高精度、低成本的捷联式重力测量需求。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：根据计程仪的速度，使用扩展卡尔曼滤波，估计出激光陀螺单轴旋转捷联惯性导航***的位置误差，然后对位置误差进行补偿，再用低通滤波器得到准确位置；以新的准确位置和计程仪的速度和深度计的水深作为捷联式重力仪的外观测量，应用捷联导航算法和扩展卡尔曼滤波，得到当地地理坐标系下的加速度计比力值；经重力各项改正后，用正反综合卡尔曼滤波，获得当地重力异常值。

对本发明所述的重力各项改正是厄特弗斯改正、正常重力场改正、空间位置改正、水平加速度改正，重力仪零漂改正。

对本发明所述的低通滤波器是正反的汉宁窗FIR低通滤波器。

有益效果：

本发明提供的一种水下捷联式重力测量数据处理方法，能够满足水下长时间、高精度、低成本的捷联式重力测量需求。

附图说明

图1是本发明一种水下捷联式重力测量数据处理方法的流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步地说明。

对于由激光陀螺单轴旋转捷联惯性导航***、计程仪、深度计、捷联式重力仪组成的水下捷联式重力测量***，水下捷联式重力仪的测量点位置是由激光陀螺单轴旋转捷联惯性导航***/计程仪组合***提供。

组合***的扩展卡尔曼滤波状态方程为

其中，X_k是***状态向量，Φ_k+1/k是状态转移矩阵，Γ_k+1是***的噪声转换矩阵，W_K是噪声矩阵。状态向量为

其中，δV_E，δV_N为东向和北向速度和误差，δL、δλ为经度和纬度误差，

分别为捷联惯导数学平台的3个误差角，δG_x，δG_y和δG_z分别为陀螺仪X，Y，Z轴的零位漂移，δA_x，δA_y为加速度计X和Y轴的零位偏置，ν_E和ν_N为计程仪的东向和北向海流误差，W噪声矩阵由陀螺仪和加速度计的白噪声组成：

W＝[w_gx,w_gy,w_gz,w_ax,w_ay]^T (3)

状态转移矩阵：

Φ_k+1/k≈E_n+F_k·Δt (4)

其中，E_n是单位矩阵，F_k是组合***误差方程矩阵，F＝[f_i,j],i,j＝1,…14，f_i,j非零项为：f_1,7＝n_N；f_1,11＝c11；f_1,12＝c12；f_1,13＝c13；f_2,7＝-f_1,6＝n_h；f_2,7＝-n_E；

f_2,11＝c21；f_2,12＝c22；f_2,13＝c23；

f_5,7＝-f_7,5＝-ω_N,

f_5,8＝c11；f_5,9＝c12；f_5,10＝c13。

f_6,7＝-f_7,6＝ω_E,f_6,3＝-UsinL；f_6,8＝c21；f_6,9＝c22；f_6,10＝c23；

f_7,8＝c31,f_7,9＝c32,f_7,10＝c33；

c_ij为姿态矩阵元素，U为地球旋转角速率，n_E,n_N,n_h分别为东北天方向上的加速度计比力。

组合***的扩展卡尔曼滤波观测方程为

Z_k+1＝H_k+1X_k+1+V_k+1 (5)

其中Z_k+1是观测向量，H_k+1是观测矩阵，V_k+1是观测噪声矩阵，具体如下：

其中V_E和V_N分别是激光陀螺单轴旋转捷联惯性导航***得到的东向和北向速度，V_E,L和V_N,L是计程仪输出的东向和北向速度，观测矩阵H_k+1＝[h_i,j]i＝1,2,j＝1,…14中的非零项为：h_1,1＝1，h_1,7＝-V_N，h_1,13＝-1，h_2,2＝1，h_2,7＝V_E，h_2,14＝-1。

通过上述扩展卡尔曼滤波，估计出激光陀螺单轴旋转捷联惯性导航***的位置误差，对位置误差进行补偿。再利用正反的汉宁窗FIR低通滤波器，消除振荡，获得准确位置。

根据水下捷联式重力仪陀螺仪输出的角速度和加速度计输出的比力，经捷联导航算法计算，得到捷联式重力仪的位置、速度和姿态角；把上述组合***提供的位置信息、计程仪提供的速度信息和深度计提供的水深信息作为水下捷联式重力仪的观测量，应用扩展卡尔曼滤波，计算出捷联式重力仪的姿态角和当地地理坐标系上的比力。

捷联式重力仪/计程仪/深度计组合***的扩展卡尔曼滤波状态方程与方程(1)形式相同，但状态向量为

其中，δV_UP为天向速度误差，δh为深度误差，δA_z为加速度计Z轴的零位偏置，其它物理量解释同上。W噪声矩阵为

W＝[w_gx,w_gy,w_gz,w_ax,w_ay,w_az]^T (8)

F＝[f_i,j],i,j＝1,…17，f_i,j非零项为：

f_1,9＝n_N；f_1,13＝c11；f_1,14＝c12；f_1,15＝c13；f_2,7＝-f_1,8＝n_h；f_3,8＝-f_2,9＝n_E；

f_2,13＝c21；f_2,14＝c22；f_2,15＝c23；f_3,13＝c31；f_3,14＝c32；f_3,15＝c33；

f_6,3＝1；f_7,9＝-f_9,7＝-ω_N,

f_8,9＝-f_9,8＝ω_E,

f_8,4＝-UsinL；f_8,10＝c21；f_8,11＝c22；f_8,12＝c23；

f_9,10＝c31,f_9,11＝c32,f_9,12＝c33；f_7,10＝c11；f_7,11＝c12；f_7,12＝c13。

物理量解释同上。

捷联式重力仪/计程仪/深度计组合***的扩展卡尔曼滤波观测方程与方程(5)形式相同，但观测向量为

其中，V_E,I和V_N,I分别是捷联重力仪计算得到的东向和北向速度，V_E,L和V_N,L是计程仪输出的东向和北向速度，L_I，λ_I和h_I分别是捷联式重力仪计算得到的经度、纬度和深度，L_LG和λ_LG是组合***给出的经度和纬度，h_D是深度计输出的深度。

观测矩阵H_k+1＝[h_i,j]i＝1,…5,j＝1,…17中的非零项为：h_1,1＝h_2,2＝1，h_1,9＝-V_Nh_1,16＝-1，h_2,9＝V_E，h_2,17＝-1，h_3,4＝h_4,5＝h_5,6＝1。

对此当地地理坐标系中的垂向比力进行各项重力改正，如厄特弗斯改正、正常重力场改正、空间位置改正、水平加速度改正，重力仪零漂改正。

经重力改正后的垂向比力，用正反综合卡尔曼滤波，得到当地重力异常。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种水下捷联式重力测量数据处理方法，其特征在于，具体步骤为：根据计程仪的速度，使用扩展卡尔曼滤波，由激光陀螺单轴旋转捷联惯性导航***/计程仪组合***得到水下重力测量点的初步位置；再利用低通滤波器，消除振荡，获得准确位置；以新的准确位置和计程仪的速度和深度计的水深作为捷联式重力仪的外观测量，应用扩展卡尔曼滤波，计算出当地地理坐标系下的加速度计比力值；经重力各项改正后，用正反综合卡尔曼滤波，得到当地重力异常值；

其中，激光陀螺单轴旋转捷联惯性导航***/计程仪组合***的扩展卡尔曼滤波状态方程为

其中，X_k是***状态向量，Φ_k+1/k是状态转移矩阵，Γ_k+1是***的噪声转换矩阵，W_K是噪声矩阵；

状态向量为

其中，δV_E，δV_N为东向和北向速度和误差，δL、δλ为经度和纬度误差，

分别为捷联惯导数学平台的3个误差角，δG_x，δG_y和δG_z分别为陀螺仪X，Y，Z轴的零位漂移，δA_x，δA_y为加速度计X和Y轴的零位偏置，ν_E和ν_N为计程仪的东向和北向海流误差，W噪声矩阵由陀螺仪和加速度计的白噪声组成：

W＝[w_gx,w_gy,w_gz,w_ax,w_ay]^T (3)

状态转移矩阵：

Φ_k+1/k≈E_n+F_k·Δt (4)

其中，E_n是单位矩阵，F_k是组合***误差方程矩阵，F＝[f_i,j],i,j＝1,…14，f_i,j非零项为：

f_1,7＝n_N；f_1,11＝c11；f_1,12＝c12；f_1,13＝c13；f_2,7＝-f_1,6＝n_h；f_2,7＝-n_E；

f_2,11＝c21；f_2,12＝c22；f_2,13＝c23；

f_5,7＝-f_7,5＝-ω_N,

f_5，8＝c11；f_5，9＝c12；f_5，10＝c13；

f_6,7＝-f_7,6＝ω_E,f_6,3＝-U sin L；f_6,8＝c21；f_6,9＝c22；f_6,10＝c23；

f_7,8＝c31,f_7,9＝c32,f_7,10＝c33；

其中，c_ij为姿态矩阵元素，U为地球旋转角速率，n_E,n_N,n_h分别为东北天方向上的加速度计比力；

激光陀螺单轴旋转捷联惯性导航***/计程仪组合***的扩展卡尔曼滤波观测方程为

Z_k+1＝H_k+1X_k+1+V_k+1 (5)

其中Z_k+1是观测向量，H_k+1是观测矩阵，V_k+1是观测噪声矩阵，具体如下：

其中V_E和V_N分别是激光陀螺单轴旋转捷联惯性导航***得到的东向和北向速度，V_E,L和V_N,L是计程仪输出的东向和北向速度，观测矩阵H_k+1＝[h_i,j]i＝1,2,j＝1,…14中的非零项为：h_1,1＝1，h_1,7＝-V_N，h_1,13＝-1，h_2,2＝1，h₂,₇＝V_E，h_2,14＝-1；

捷联式重力仪/计程仪/深度计组合***的扩展卡尔曼滤波状态方程与方程(1)形式相同，但状态向量为

其中，δV_UP为天向速度误差，δh为深度误差，δA_z为加速度计Z轴的零位偏置，其它物理量解释同上；W噪声矩阵为

W＝[w_gx,w_gy,w_gz,w_ax,w_ay,w_az]^T (8)

F＝[f_i,j],i,j＝1,…17，f_i,j非零项为：

f_1,9＝n_N；f_1,13＝c11；f_1,14＝c12；f_1,15＝c13；f_2,7＝-f_1,8＝n_h；f_3,8＝-f_2,9＝n_E；

f_2,13＝c21；f_2,14＝c22；f_2,15＝c23；f_3,13＝c31；f_3,14＝c32；f_3,15＝c33；

f_6，3＝1；f_7,9＝-f_9,7＝-ω_N,

f_8,9＝-f_9,8＝ω_E,

f_8,4＝-U sin L；f_8,10＝c21；f_8,11＝c22；f_8,12＝c23；

f_9,10＝c31,f_9,11＝c32,f_9,12＝c33；f_7，10＝c11；f_7，11＝c12；f_7，12＝c13

物理量解释同上；

捷联式重力仪/计程仪/深度计组合***的扩展卡尔曼滤波观测方程与方程(5)形式相同，但观测向量为

其中，V_E,I和V_N,I分别是捷联重力仪计算得到的东向和北向速度，V_E,L和V_N,_L是计程仪输出的东向和北向速度，L_I，λ_I和h_I分别是捷联式重力仪计算得到的经度、纬度和深度，L_LG和λ_LG是组合***给出的经度和纬度，h_D是深度计输出的深度；

观测矩阵H_k+1＝[h_i,j]i＝1,…5,j＝1,…17中的非零项为：h_1,1＝h_2,2＝1，h_1,9＝-V_Nh_1,16＝-1，h_2,9＝V_E，h_2,17＝-1，h_3,4＝h_4,5＝h_5,6＝1。

2.根据权利要求1所述的一种水下捷联式重力测量数据处理方法，其特征在于，所述的重力各项改正是厄特弗斯改正、正常重力场改正、空间位置改正、水平加速度改正，重力仪零漂改正。

3.根据权利要求1所述的一种水下捷联式重力测量数据处理方法，其特征在于，所述的低通滤波器是正反的汉宁窗FIR低通滤波器。

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