高精度捷联式航空重力仪误差估计方法研究

发布时间：2019-11-18 16:18

【摘要】：航空重力测量是以飞机为载体确定区域和局部重力场的方法，较之经典的测量方法，其测量速度快、范围广、成本低，且它能够在一些难以开展地面重力测量的特殊区域如沙漠、冰川、沼泽和原始森林等交通不便和无人居住区进行作业，可以快速经济地获取分布均匀、精度良好、大面积的重力场高频信息。捷联式航空重力仪具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高和功耗小等优点，将在航空重力测量中发挥巨大作用。本文在完成863重大项目“航空重力勘查系统开发集成”之时，结合国防科学技术大学研制的捷联式航空重力仪SGA-WZ，在捷联式航空重力仪误差分析、器件误差估计、杆臂估计以及精度评估等四个方面进行了较为深入的研究，主要研究工作和研究成果归纳如下： 1、对捷联式航空重力仪的原理进行了深入研究，分析了捷联式航空重力仪的数学模型及其各项主要误差源，并分析了各个主要误差源对高精度捷联式航空重力仪的影响机理和影响程度。分析的主要误差源包括传感器误差、GPS的水平位置误差、GPS的速度和载体加速度误差、时间同步误差、杆臂误差、温度控制误差和减振系统误差等。重点研究了传感器误差，并在传感器分析中详细地区分了水平和天向加速度计、水平和方位陀螺，同时对天向加速度计的标度因数温度系数误差、量化误差和二阶非线性误差等分别进行了分析。分析表明，以实现精度为1mGal/1km的航空重力测量为例，天向加速度计的分辨率应优于1mGal，标度因子优于1ppm，零偏稳定性优于1.0×106g，标度因子稳定性优于1ppm/天；水平加速度计和水平陀螺的精度可以适当放宽，，其中水平加速度计要求零偏稳定性优于1.0×104g，标定因数稳定性为30ppm/天，水平陀螺则要求0.01/h，标度因数稳定性优于30ppm；相对于水平陀螺，天向陀螺零偏稳定性可放宽至0.05/h。讨论和分析了偏心改正误差，通过分析姿态运动引起的速度误差和加速度误差，指出捷联式航空重力仪的杆臂误差应小于10cm。 2、针对航空重力测量时载机匀速直线航行使得通用的15状态滤波器不满足器件零偏可观性条件这一特点，分析了天向陀螺漂移与水平加速度计零偏之间的影响关系，提出了逐步参数固化算法，并给出了算法的详细流程，通过迭代的方式分离了陀螺漂移和加速度计零偏引起的姿态误差，进而更精确地估计出捷联式航空重力仪的陀螺漂移和加速度计零偏。仿真表明，逐步参数固化算法的重复线精度为0.56mGal/2km，而通用的方法为0.77mGal/2km，逐步参数固化算法精度提高了约27%。实测数据处理结果显示，逐步参数固化算法的重复线精度为1.10mGal/6km，而通用的方法为1.34mGal/6km，逐步参数固化算法比通用算法提高了约17.9%。仿真和实验均表明，通过逐步参数固化算法可以有效的估计出天向陀螺漂移，进而提高水平加速度计零偏估计的精度，最终提高了航空重力测量的精度。 3、针对捷联式航空重力仪区别于传统海/空重力仪和三轴平台式重力仪的不同特点，对杆臂误差的机理进行分析。通过扩展Kalman滤波器的方式，对杆臂矢量进行建模和估计，对扩展Kalman滤波的观测方程进行了详细的推导，分析了扩展Kalman滤波的杆臂状态可观性。可观性分析表明同时具有两个或者两个以上不同方向的角运动可以使得杆臂完全可观。仿真表明，同时具有两个以上不同方向的角运动才能使得杆臂矢量完全可观，单一方向的角运动激励不能保证杆臂矢量的全局可观，即不能保持已经收敛的杆臂矢量分量。实验结果证明了杆臂矢量的可观性分析结论，同时表明采用扩展Kalman滤波估计杆臂矢量是一种可行的方法。 4、针对传统的航空重力测量内符合精度评估方法，即测线网交叉点不符值或重复测线不符值，无法有效评估单条测线的精度的问题，对捷联式航空重力仪的单条测线精度评估方法进行了研究。结合航空重力飞行任务的特点，提出了基于DoHab的捷联式航空重力仪单条测线精度评估方法，采用了两组实际的航空重力飞行数据对基于DoHab的方法进行验证，比较结果表明DoHab方法对单条测线的平稳度具有较好的区分度，且可以有效地区分两条精度差异较大的单独测线。论文探索和总结了在保证精度的前提下提高捷联式航空重力仪生产效率的质量控制方法。
【学位授予单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：P223.4

【参考文献】