捷联式重力仪测量数据质量控制方法研究

【摘要】：地球重力场是地球最基本的物理特性之一,连续快速测定重力信息对于自然科学以及工程实践具有重要意义,而捷联式重力测量是高效进行动态重力测量获得精确重力场信息的重要手段。随着导航技术的进步,捷联式重力测量技术不断发展,目前已经被应用到我国的重力普查以及基准建设实践当中去。国防科技大学从2002年开始捷联式重力测量技术的研究,经国家“十一五”至“十三五”相关项目支持,突破了捷联式重力测量核心技术,研制了SGA-WZ系列捷联式重力测量系统,实现了高精度的重力扰动三分量测量。本文针对捷联式重力仪测量数据质量控制方法进行研究,从理论、仿真以及实际数据三个角度,对捷联式重力测量理论以及误差特性、数据质量评估方法、测量质量提升方法以及融合转台技术的捷联式重力测量新方法四个方面进行研究。主要研究成果总结如下:1、基于捷联式重力测量的原理,指出受限于惯性器件的误差水平,捷联式重力测量在低频部分存在由比力测量误差、姿态误差以及重力信号本身共同导致的不可避免的误差,并且误差因素之间相互耦合。利用基于信息融合的捷联式重力测量优化方法校正捷联式重力测量的低频误差,该方法通过融合捷联式重力测量得到的高频信息与先验信息的低频部分进行数据融合以实现重力测量的目的。2、针对经典的捷联式重力测量评估方法的不足,提出了基于载体动态性的捷联式重力测量质量评估方法,可以近似实时的评估捷联式重力仪测量数据的质量。该方法的评估模型建立以后具有相当的通用性,其可以对同一捷联式重力仪在同型载体下的测量进行评估。此外,为了评估不同载体情况下的测量质量,提出了基于滤波收敛性的捷联式重力测量质量评估方法,其是对动态性方法质量评估方法的补充。3、针对捷联式重力仪中参数漂移以及动态性较大时精度下降的问题,提出了基于载体机动的捷联式重力测量误差估计与校正方法。以标量测量为例,通过起伏飞行激励加速度计的误差,基于误差原理和相关性分析对捷联式重力仪中加速度计的比例因子误差和时间延迟误差进行估计与校正。该方法的思路同样可以用于重力扰动水平分量的测量里面去。4、改进经典的最优平滑算法,提出了基于正逆向捷联惯导算法的重力矢量测量平滑算法。正逆向平滑算法不仅基于观测量的使用来提升滤波器的性能,并且通过捷联惯导正逆向算法的互补特性来提升姿态测量的精度。利用飞行实验数据进行验证,重力扰动的水平分量的精度优于2mGal。5、提出了融合转台技术的捷联式重力测量新方法,通过水平稳定平台以及单轴旋转机构来提升捷联式重力测量的性能。基于稳定平台的捷联式重力测量方法通过隔离载体角运动提升捷联式重力仪的性能。飞行实验表明,优化后的重力测量系统敏感重力扰动垂向分量的精度同GT-2A重力仪处于同一精度水平;利用单轴旋转机构研究了两种提升捷联式重力测量性能的调制方案,航向跟踪以及连续旋转调制方案。航向跟踪方案通过隔离载体航向角相对于导航系的变化来解耦测量误差与测量运动方向的耦合关系。通过仿真实验验证了基于航向跟踪的捷联式重力测量方案的性能;单轴连续旋转调制的捷联式重力测量方案,利用旋转将重力扰动的误差信号调制成为一个高频信号,之后通过低通滤波消除误差信号。静态转台实验表明,单轴旋转调制方案有效抑制捷联式重力测量中的线性误差。此外,虽然论文中的数据以及实验大多源于航空应用,但是论文所提出的大部分方法不仅可以用于航空捷联式重力测量,经过适当调整同样适用于地面车载或者海洋重力测量。