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《解放军信息工程大学》 2009年
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海洋重力辅助导航方法及应用

彭富清  
【摘要】:本文将海洋重力辅助导航界定为利用海洋重力场的空间分布特征提高惯性导航精度,修正或限定惯性导航系统误差积累的无源自主导航方法。其技术途径有三条:一是惯性导航系统重力补偿,用于提高惯性导航系统中矢量重力参数的精度,改善惯性导航系统的力学编排,从而改进惯性导航系统本身的精度;二是重力匹配,即以重力场的空间特征作为导航信标,通过与惯性导航系统的组合修正或限定惯性导航误差积累,延长惯性导航系统在水下的有效工作时间并减少其对GPS等的依赖,增强水下导航系统的隐蔽性;三是制图与定位同步技术(SLAM),用于事先没有绘制重力基准图或重力基准图精度不足海域,它在航行器航行过程中创建增量式重力基准图,同时依据该基准图确定航行器位置。 海洋重力辅助导航系统主要由惯性导航系统(INS)、实时重力测量系统、重力基准图和辅助导航算法等组成。本文以上述各组成部分为研究对象,系统提出了海洋重力辅助导航理论方法并论证其技术可行性,主要工作包括:(1)分析了惯性导航系统的误差特征及其修正方法;(2)提出了重力辅助导航基本原理,即通过重力补偿提高惯性导航精度,在重力基准图预先已制作区域通过重力匹配限定惯性导航的误差积累,在缺少重力基准图区域将SLAM作为重力匹配的补充;(3)研究了海洋重力仪和重力梯度仪的技术特点及其测量方法,分析了二者用作实时重力测量系统的技术可行性;(4)研究了卫星测高反演海洋重力场的理论方法,包括卫星测高交叉点平差、共线平差、测高垂线偏差推估、海洋重力场反演等,分析了卫星测高等现代海洋重力技术绘制海洋重力基准图的技术可行性;(5)系统提出了惯性导航系统重力补偿技术,包括基于海洋重力基准图的重力补偿方法和基于重力梯度仪的重力补偿方法;(6)依据重力场空间分布特性提出组合匹配方法,阐明了组合匹配的工作流程,分析了惯性导航误差、基准图误差、实时重力测量误差等对重力匹配的影响,研究了评估重力场适配性的理论方法;(7)探索了基于SLAM的海洋重力辅助导航方法,阐述了利用地图增强卡尔曼滤波(MAK)实现同时定位与重力基准图创建的理论技术; (8)在10 o S ~10oN, 160 o E ~180oE海域开展了海洋重力辅助导航仿真验证,包括基于重力基准图INS重力补偿仿真、基于重力梯度仪的INS重力补偿仿真、基于海洋重力仪的重力匹配仿真、基于重力梯度仪的重力匹配仿真;(9)依照海洋重力辅助导航系统的研究发展现状及其应用需求,开展海洋重力辅助导航应用设计。 本文研究结果和结论及技术创新点如下。(1)海洋重力辅助导航可直接确定相对于基准参考坐标系的位置和速度,其精度不随航行时间或航行距离而改变,无需浮出水面或使用外部坐标,也不需要来自地球的导航和通信信号,有望在水下实现惯性导航系统综合校正从而最终解决水下导航隐蔽性问题。(2)海洋重力仪用作海洋重力辅助导航中的实时重力测量系统时需顾及滞后效应和厄特弗斯效应的影响;而海洋重力梯度仪不受滞后效应或厄特弗斯效应的影响,是海洋重力辅助导航中较理想的实时重力测量系统。(3)本文提出了精确、快速计算卫星测高交叉点和正常点及其平均海面高的理论方法,从而改进了卫星测高的交叉点平差和共线平差技术;另外,卫星测高等现代海洋重力探测技术所绘制的海洋重力基准图的空间分辨率高于2′×2′,精度优于7毫伽,为海洋重力辅助导航的工程实现提供了条件。(4)本文推导了惯性导航系统中的重力参数误差影响惯性导航精度的严密理论公式,阐明了惯性导航系统中的重力参数误差每小时可产生数百米的惯性导航误差,已成为高精度惯性导航系统的主要误差源之一。(5)在实验海域,基于重力基准图的INS重力补偿技术在100小时内可提高惯性导航精度约16000米;基于重力梯度仪的INS重力补偿可有效改进惯性导航精度;基于海洋重力仪的重力匹配可将惯性导航系统的误差限定在3000米以内;基于重力梯度仪的重力匹配可将惯性导航系统的误差限定在2000米左右。
【学位授予单位】:解放军信息工程大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:P223;U675.7

【引证文献】
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2 刘繁明;姚剑奇;;分段航迹序列重力匹配方法研究[J];华中科技大学学报(自然科学版);2013年12期
中国博士学位论文全文数据库 前2条
1 李姗姗;水下重力辅助惯性导航的理论与方法研究[D];解放军信息工程大学;2010年
2 张红伟;水下重力场辅助导航定位关键技术研究[D];哈尔滨工程大学;2013年
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 翟伟杰;惯性/重力匹配组合导航实验系统设计[D];哈尔滨工程大学;2013年
【参考文献】
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中国博士学位论文全文数据库 前2条
1 刘承香;水下潜器的地形匹配辅助定位技术研究[D];哈尔滨工程大学;2003年
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中国硕士学位论文全文数据库 前3条
1 辛廷慧;水下地形辅助导航方法研究[D];西北工业大学;2004年
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3 束蝉方;高精度惯导系统的重力补偿技术研究[D];武汉大学;2005年
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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6 张李方;程锦房;何希盈;;矢量水听器与Kalman滤波在水雷引信中的应用[J];兵工自动化;2008年12期
7 钱辉;丁永忠;;大航程AUV SINS/DVL组合导航定位精度研究[J];兵工自动化;2010年02期
8 吕云霄;吴美平;胡小平;;基于支持向量机的地磁辅助导航匹配区域选取准则[J];兵工自动化;2011年01期
9 黄雪妮;赵忠;杨利兰;;游移方位激光捷联惯导系统传递对准方法[J];兵工自动化;2011年05期
10 林雪原;;基于交互式多模型的多传感器组合导航系统[J];兵工自动化;2011年06期
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1 包丽萍;;参考基准在水平位移监测点稳定性分析中的应用探讨[A];江苏省测绘学会2011年学术年会论文集[C];2011年
2 李春进;李明峰;常小林;;基于卡尔曼滤波的公路施工控制点稳定性分析[A];江苏省测绘学会2011年学术年会论文集[C];2011年
3 余瑶;钟宜生;;多工作点加速度计组合件高精度鲁棒温度控制[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
4 李枚毅;;并发定位与建图的多目标免疫进化算法[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
5 杨晓霞;黄一;;外场标定条件下捷联惯导系统误差状态可观测性分析[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
6 严恭敏;严卫生;徐德民;;逆向导航算法及其在捷联罗经动基座初始对准中的应用[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
7 张亚崇;;容错导航技术及其在INS/GPS/Doppler组合导航系统中的应用研究[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
8 张泽;段广仁;;超定条件下基于星敏感器的姿态确定[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
9 尚松田;邓志红;付梦印;王瑞涛;莫凡;;单轴旋转调制对光纤陀螺惯导系统精度的影响分析[A];第二十九届中国控制会议论文集[C];2010年
10 高伟熙;缪玲娟;沈军;;一种分段快速捷联惯导静基座自对准新方法[A];第二十九届中国控制会议论文集[C];2010年
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1 曹学伟;基于大地测量资料的区域构造应力场反演及模型研究[D];山东科技大学;2010年
2 张琛;光纤陀螺光路偏振特性及温度性能研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
3 刘凤鸣;重力梯度辅助导航定位技术研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
4 丁国强;惯性导航系统传递对准技术关键问题研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
5 王小旭;非线性SPKF滤波算法研究及其在组合导航中的应用[D];哈尔滨工程大学;2010年
6 谭佳琳;粒子群优化算法研究及其在海底地形辅助导航中的应用[D];哈尔滨工程大学;2010年
7 张涛;GPS/SINS超紧密组合导航系统的关键技术研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
8 张勤拓;机载导弹SINS动基座传递对准技术研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
9 田峰敏;水下地形导航模型求解与导航区初选策略研究[D];哈尔滨工程大学;2009年
10 丁继成;弱信号条件下GPS接收机关键技术研究[D];哈尔滨工程大学;2009年
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1 黄鹏;市级大地水准面精化的研究与应用[D];山东科技大学;2010年
2 杨书大;基于垂线偏差的区域大地水准面精化研究[D];山东科技大学;2010年
3 郭凤华;基于卡尔曼滤波的高精度磷酸根离子分析仪的设计[D];郑州大学;2010年
4 崔运涛;基于ARM+DSP的捷联航姿系统设计[D];哈尔滨工程大学;2010年
5 王昱丹;空间稳定型惯导系统分析[D];哈尔滨工程大学;2010年
6 郭静;光纤陀螺捷联系统运动基座对准方法研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
7 张斌;基于MIMU的捷联惯性导航系统数据采集与处理技术研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
8 徐锋;水下地磁辅助导航研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
9 苑海静;船用MEMS航姿测量系统算法研究与实现[D];哈尔滨工程大学;2010年
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【同被引文献】
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5 张立华,殷晓东,孙毅,易启林;Etvs效应改正中航向航速计算间隔分析[J];测绘工程;2002年04期
6 王向磊;;地磁匹配导航中几项关键技术研究[J];测绘工程;2011年01期
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中国博士学位论文全文数据库 前10条
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3 李姗姗;水下重力辅助惯性导航的理论与方法研究[D];解放军信息工程大学;2010年
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3 束蝉方;高精度惯导系统的重力补偿技术研究[D];武汉大学;2005年
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【二级引证文献】
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1 高伟;赵博;周广涛;;基于带约束人工蜂群算法和平均Hausdorff距离的重力匹配方法[J];传感技术学报;2014年01期
2 刘繁明;姚剑奇;;分段航迹序列重力匹配方法研究[J];华中科技大学学报(自然科学版);2013年12期
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1 王伟;李姗姗;;重力异常卡尔曼滤波匹配算法的改进[A];第四届中国卫星导航学术年会论文集-S9 组合导航与导航新方法[C];2013年
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1 刘晓刚;GOCE卫星测量恢复地球重力场模型的理论与方法[D];解放军信息工程大学;2011年
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1 江东;重力梯度测量探测地下人造空洞的研究[D];解放军信息工程大学;2012年
【二级参考文献】
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9 刘长建;瞬时海面高理论及其在双星定位中的应用研究[D];中国人民解放军信息工程大学;2002年
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