一种基于重力峰的惯性导航与重力测量双校准方法与流程

本发明属于惯性/重力自主导航系统技术领域，涉及惯性导航误差与重力测量误差同时校准方法，尤其是一种基于“重力峰”的惯性导航与重力测量双校准方法。

背景技术

惯性/重力自主导航技术是当代自主导航技术的一个重要发展方向，它不依赖于卫星导航系统(gnss)，具有高度自主性、隐蔽性、抗干扰性和高精度等诸多优点。惯性导航系统由于其自身固有特性具有导航误差随时间发散的缺点，长时间导航精度低，目前长航时高精度导航以惯性/卫星组合导航为主，但全球卫星定位系统易受干扰，且在深远海等场合应用受限，缺乏有效的无源获取高精度定位信息校准惯性导航系统的手段。惯性/重力自主导航系统由高精度惯性导航系统、重力测量设备、高精度重力异常图(简称重力图)及其它辅助传感器组成，利用重力图信息与重力实时测量信息得到高精度定位信息，修正惯性导航累积误差，实现长航时高精度自主导航，将显著提升深远海军事活动和经济活动的高精度导航信息保障能力。

目前，惯性/重力自主导航技术总体处于理论研究与技术攻关阶段，高效实用的获取重力场定位信息校准惯性导航系统的技术和水下应用时重力实时测量误差漂移抑制技术是惯性/重力自主导航技术走向工程应用的关键技术。获取重力场定位信息校准惯性导航系统的方法实现过程复杂，可靠性和工程可实现性较差，同时没有有效的水下重力实时测量漂移误差校准方法，因此本发明提出了一种可靠性高，操作简单易行且工程实用性好的在“重力峰”特征区域利用重力场特征信息实现惯性/重力自主导航系统惯性导航与重力测量误差同时校准的方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种设计合理、操作简便、性能可靠的一种基于“重力峰”的惯性导航与重力测量双校准方法，提高长航时惯性导航与重力测量精度水平。

本发明解决其现实问题是采取以下技术方案实现的：

一种惯性/重力自主导航系统惯性导航与重力测量误差双校准方法，包括以下步骤：

步骤1、根据重力场背景图信息选取“重力峰”特征区域，并提取区域内重力场分布关键特征信息；

步骤2、设计航行轨迹并实施航行测量，搜索确定重力异常峰值点，完成惯性导航位置误差和重力测量误差初校准；

步骤3、对惯性导航与重力测量误差的精校准与效果自评估。

而且，所述步骤1的具体步骤包括：

(1)重力峰区域选取：在惯性导航设备重调周期内可到达的海域范围内，根据海域重力场分布特点，选取重力场存在峰值，形似山峰的区域；

(2)从该区域重力图中读取重力异常峰值点o的位置信息与重力异常信息，经度值记为lo、纬度值记为la，重力异常值记为gra；

(3)根据重力图信息，搜索确定最优方向n及其垂线方向m。

而且，所述步骤2的具体步骤包括：

(1)载体在惯性导航信息引导下航行进入所选“重力峰”区域，通过沿预设航迹航行，并同步采集惯性导航信息与重力异常测量信息，寻找识别区域重力异常峰值点o；

(2)计算重力异常测量误差：graerr1＝gra-grao3。重力测量实时输出在原输出上补偿graerr1，完成重力测量误差初校准。

(3)计算惯性导航经度误差：loerr1＝lo-lo3，纬度误差laerr1＝la-la3。惯性导航经度输出在原输出上补偿loerr1，惯性导航纬度输出在原输出上补偿laerr1，完成惯性导航位置输出误差初校准。

而且，所述步骤3的具体步骤包括：

(1)对于完成惯性导航与重力测量误差初校准的惯性/重力自主导航系统，重复步骤2的全部内容，完成惯性导航和重力测量误差的精校准；

(2)分别计算步骤2和步骤3中两次获得的重力异常测量误差值和惯性导航经纬度误差值的差，作为评价惯性导航与重力测量误差同时校准精度的参考依据，实现同时校准效果的自评估。

而且，所述步骤1的第(3)步的具体步骤包括：

①令θ角以一定步长从0°向180°(不包含180°)依次变化，每一个θ角对应一个线段e，线段e中点为o点，沿θ角方向；

②对于每一个θ角对应的线段e，令d以一定步长从0向±n依次变化获得线段e的平行线段组{ei}，对于每一个线段ei，从重力图插值得到该线段上重力异常，记录线段ei上重力异常峰值对应位置距离线段中点oi的距离zi，可以但不限于使用平行线段组{ei}所有线段的zi的绝对值之和即∑︱zi︳作为线段e的平行线段组{ei}的重力异常峰值偏离线段中点程度的量化指标；

③对于所有θ角，选取对应线段e的平行线段组{ei}上重力异常峰值偏离线段中点最小的方向，即确定∑︱zi︳值最小时对应的θ角，该θ角对应的线段e方向为最优方向n，方向矢量n逆时针旋转90°得到其垂向方向矢量m。

而且，所述步骤2的第(1)步的具体步骤包括：

①确定航迹n1：n1沿矢量n方向，其中点o1的惯性导航经纬度坐标值分别为lo、la；其中，n1长度为惯性导航系统位置精度的4倍以上；

②载体在惯性导航信息引导下沿航迹n1航行，同步录取该航迹各点惯性导航位置值与重力异常测量值，读取航迹n1上重力异常测量峰值点o2处的惯性导航经纬度坐标值，记为lo2，la2；如受重力测量分辨率所限，重力异常测量峰值对应的并非一个点而是一段，则取这一段中间点为o2点；

③确定航迹n2：n2沿矢量m方向，中点为o2点；长度确定原则同n1；

④载体在惯性导航信息引导下沿航迹n2航行，同步录取该航迹各点惯性导航位置值与重力异常测量值，读取航迹n2上重力异常测量峰值点o3处的惯性导航经纬度坐标值和重力异常测量值，记为lo3，la3和grao3；将o3点视为区域重力异常峰值点o，则点o3真实经纬度值取lo、la，重力异常值取gra。

本发明的优点和有益效果：

1、本发明利用重力场的“重力峰”分布特性、重力实时测量的高分辨率特性，基于预先掌握的精确重力场特征信息，提出了一种应用于惯性/重力自主导航系统的惯性导航位置误差与重力实时测量误差同时校准的方法，可同时修正惯性导航位置发散误差和重力实时测量漂移误差，解决了惯性导航系统误差随时间累积发散和重力传感器测量误差漂移的问题，提升了惯性/重力自主导航系统长航时自主导航精度和重力实时测量精度，满足深远海作战或作业平台的长航时自主高精度导航与精确重力场信息测量的需求。

2、本发明应用重力场特征信息而非区域全部重力场信息，核心需求是重力峰值处高精度重力异常信息与位置信息，对总体信息需求量少，因此将显著减少构建高精度重力图的任务量，利于工程实现。

3、本发明利用重力测量的高分辨率识别重力异常峰值位置，实现惯性导航误差与重力测量误差的同时校准，精度高、计算量少，操作简便，易于实现，同时通过步骤2、步骤3的迭代搜索重力异常峰值位置实现校准精度自评估，确保性能可靠。

附图说明

图1是本发明的“重力峰”分布特征三维示意图；

图2是本发明的图1所示区域重力场等值线与线段e、ei示意图；

图3是本发明的步长为15°时各θ角对应线段e的示意图；

图4是本发明的各θ角对应线段e的平行线段组中各线段ei重力异常峰值偏离其中点距离与d(ei到e的距离)的关系图；

图5是本发明的航迹n1、n2示意图；

图6是本发明的沿航迹n1航行时重力异常测量曲线。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：

基于国内外高精度惯性导航技术发展现状，采用低漂移高精度惯性元件，同时采取系统误差调制措施的惯性导航系统，重调周期可达10数天，假设惯性导航系统重调周期内定位精度为n海里，以此为例说明发明提出的惯性/重力自主导航系统惯性导航与重力测量误差双校准方法。

一种基于“重力峰”的惯性导航与重力测量双校准方法，包括以下步骤：

步骤1、根据重力场背景图信息选取“重力峰”特征区域，并提取区域内重力场分布关键特征信息。

所述步骤1的具体步骤包括：

(1)“重力峰”区域选取：在惯性导航设备重调周期内可到达的海域范围内，根据海域重力场分布特点，选取如图1所示的存在峰值，形似山峰的区域；该区域特点是存在且仅存在一个重力异常峰值点o，从峰值点o向周围各方向延伸时，随着距离o点距离的增加，重力异常值下降。

(2)从该区域重力图中读取重力异常峰值点o的位置信息与重力异常信息，经度值记为lo、纬度值记为la，重力异常值记为gra。

(3)根据重力图信息，搜索确定最优方向n及其垂线方向m：

图1所示重力场的等值线如图2，其中线段e，中点为重力异常峰值点o，与东向夹角记为θ。做过o点且垂直于线段e的直线f；线段e沿直线f向线段e两侧平移获得线段ei，线段ei中点即是该线段与直线f的交点，记为oi，线段ei到线段e的距离记为d(指定向ei的任一侧平移距离为正，则向另一侧为负)。用线段位置信息在重力图中插值可以得到该线段对应的重力异常；线段ei与e重合时，其上重力异常峰值将出现在线段中点o处；随着线段ei远离线段e，即随着︱d︱增加，ei上重力异常峰值可能会逐渐偏离线段中点oi；基于上述设定和分析，所述步骤1第(3)步的具体步骤包括：

①令θ角以一定步长从0°向180°(不包含180°)依次变化，每一个θ角对应一个线段e，线段e中点为o点，沿θ角方向；

在本实施例中，以图1所示区域为例，线段长度取20海里，θ角步长取15°从0°向180°(不包含180°)依次变化，得到的各线段e如图3所示。

②对于每一个θ角对应的线段e，令d以一定步长(如±0.1海里)从0向±n依次变化获得线段e的平行线段组{ei}，对于每一个线段ei，从重力图插值得到该线段上重力异常，记录线段ei上重力异常峰值位置距离线段中点oi的距离zi，可以但不限于使用线段e平行线段组{ei}所有线段的zi的绝对值之和即∑︱zi︱作为线段e的平行线段组{ei}重力异常峰值位置偏离线段中点程度的量化指标；

图3所示所有线段e对应的平行线段组{ei}中每条线段重力异常峰值偏离其线段中点距离与该线段到e的距离d的关系见图4。

③对于所有θ角，选取对应线段e的平行线段组{ei}上重力异常峰值偏离线段中点最小的方向，即确定∑︱zi︱值最小时对应的θ角，该θ角对应线段e的方向为最优方向n，方向矢量n逆时针旋转90°得到其垂向方向矢量m。

图4中θ角为90°时对应平行线段组{ei}上重力异常峰值点偏离线段中点最小，该方向即为n，方向矢量n逆时针旋转90°得到方向矢量m。

步骤2、设计航行轨迹并实施航行测量，搜索确定重力异常峰值点，完成惯性导航位置误差和重力测量误差初校准。

所述步骤2的具体步骤包括：

(1)载体在惯性导航信息引导下航行进入所选“重力峰”区域，通过沿预设航迹n1、n2航行，如图5所示，并同步采集惯性导航信息与重力异常测量信息，寻找识别区域重力异常峰值点o。

所述步骤2的第(1)步的具体步骤包括：

①确定航迹n1：n1沿矢量n方向，其中点o1的惯性导航经纬度坐标值分别为lo、la，n1长度一般为惯性导航系统位置精度(n海里)的4倍以上，以保证n1上重力异常存在峰值。

②载体在惯性导航信息引导下沿航迹n1航行，同步录取该航迹各点惯性导航位置值与重力异常测量值，航迹n1上重力异常测量值如图6所示，图6中横坐标为航迹n1上各点到航迹中点o1的距离，纵坐标为重力异常测量值。读取航迹n1上重力异常测量峰值点o2处的惯性导航经纬度坐标值，记为lo2，la2。如受重力测量分辨率所限，重力异常测量峰值对应的并非一个点而是一段，则取这一段中间点为o2点。

③确定航迹n2：n2沿矢量m方向，中点为o2点，长度确定原则同n1。

④载体在惯性导航信息引导下沿航迹n2航行，同步录取该航迹各点惯性导航位置值与重力异常测量值，读取航迹n2上重力异常测量峰值点o3处的惯性导航经纬度坐标值和重力异常测量值，记为lo3，la3和grao3。将o3点视为区域重力异常峰值点o，则点o3真实经纬度值取lo、la，重力异常值取gra。

(2)计算重力异常测量误差：graerr1＝gra-grao3。重力测量实时输出在原输出上补偿graerr1，完成重力测量误差初校准。

(3)计算惯性导航经度误差：loerr1＝lo-lo3，纬度误差laerr1＝la-la3。惯性导航经度输出在原输出上补偿loerr1，惯性导航纬度输出在原输出上补偿laerr1，完成惯性导航位置输出误差初校准。

步骤3、惯性导航与重力测量误差的精校准与效果自评估。

所述步骤3的具体步骤包括：

(1)对于完成惯性导航与重力测量误差初校准的惯性/重力自主导航系统，重复步骤2的全部内容，完成惯性导航和重力测量误差的精校准；

(2)分别计算步骤2和步骤3中两次获得的重力异常测量误差值和惯性导航经纬度误差值的差，作为评价惯性导航与重力测量误差同时校准精度的参考依据，实现校准效果的自评估。

本发明的工作原理是：

惯性导航系统由于自身工作原理决定了其误差随时间累积发散特点，由于重力测量传感器物理特性，重力实时测量分辨率比其精度高一个数量级左右，重力测量存在随时间的漂移误差(漂移误差通过事后处理可消除，但实时测量不能消除此项误差)。本发明提出一种基于“重力峰”分布特征的惯性/重力自主导航系统惯性导航误差与重力测量误差双校准方法，根据重力场分布情况，选择重力场具有“山峰”特征的海域(称为“重力峰”)。

载体在惯性导航信息引导下进入该区域，并按照设计的航迹航行，利用重力实时测量的高分辨率，识别航行轨迹上重力异常测量曲线的峰值，通过完成在预设的一组正交航迹的航行测量，搜索并确定区域重力异常峰值点，获取峰值点处的惯性导航位置信息和重力异常测量信息；从高精度重力图中获取该区域重力异常峰值点处真实的位置信息和重力异常信息。重力异常峰值处惯性导航位置与真实的位置信息比对获得惯性导航位置误差，用以修正惯性导航位置输出信息；重力异常峰值处的重力异常测量值与真实的重力异常信息比对获得重力测量的误差，用以修正重力异常测量实时输出信息；从而实现惯性/重力自主导航系统惯性导航位置发散误差和重力实时测量漂移误差的同时校准。提升惯性/重力自主导航系统长航时高精度自主导航性能，满足深远海航行作战或作业平台的自主高精度导航需求。

需要强调的是，本发明所述实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。