[发明专利]一种利用引力矢量和梯度张量进行导航定位的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用引力矢量和梯度张量进行导航定位的方法，特别适合于姿态误差观测较大情况下的重力辅助导航定位。

背景技术

相对于当前流行的导航方式(如卫星导航、无线电导航等)而言，重力辅助惯性导航具有自主性和无源性的特征，这决定了该导航方式在特定情况下具有一定的优势。重力辅助惯性导航的概念自1975年提出至今，受到许多学者的关注，例如：Metzger和Jircitano(Journal of Spacecraft and Rockets,1976.13(6):323-324)，Affeck和Jircitano(Proceedings of IEEE's Position Location and Navigation Symposium(PLANS),1990,60-66)均研究了如何利用重力梯度来提高导航定位的精度；Jircitano和Dosch(Institute of Navigation:Proceedings of the Forty-Seventh Annual Meeting,1991,221-229)设计了一个为水下潜艇进行重力辅助导航的系统GAINS，器件主要由一个重力梯度仪和垂直重力仪组成；Gleason(Journal of Guidance Control and Dynamics,1995,18(6):1450-1458)讨论了梯度导航中的各种实际问题；Jekeli(Journal of Guidance,Control and Dynamics,2006,29(3):704-713)讨论了重力梯度仪对惯性导航系统的误差补偿问题。在实际应用中，美国BELL实验室研发了重力梯度仪导航系统；同时美国海军和空军也进行过相应实验，前者主要用于潜艇导航，后者则主要用于机载辅助导航。在国内利用重力辅助惯性导航也受到了广泛重视。近些年来，许大欣等(大地测量与地球动力学,2011,31(1):127-131)提出了利用重力垂直梯度进行匹配辅助导航的方法，并指出利用垂直梯度由于分辨率更高，因此优于基于重力异常的匹配导航；蒋东方等(武汉大学学报信息科学版，2012,37(10):1203-1206)研究了ICCP重力匹配算法在局部连续背景场中的实现，采用BFGS拟牛顿方法实现置信范围内最近等值点精确定位；袁赣南等(华中科技大学学报(自然科学版)，2013,41(1)：36-40)利用加密的改进ICCP算法提高了传统算法的精度，削弱了初始点位误差较大情况下的误差传播；哈尔滨工程大学专利201310690254.6公开了一种基于改进MSD的重力匹配方法，创新点是在传统算法的基础上，通过引进位置误差向量和SOR迭代算法，简化了计算，提高了匹配速度；辽宁工程大学专利201210194633.1公开了一种人工物理优化粒子滤波的重力梯度辅助定位方法。该发明通过引入人工物理优化，克服了粒子滤波的粒子退化问题，减少了计算量和迭代次数，通过不断的更新和递推，使重力梯度辅助惯导系统的位置误差逐渐趋于零；中国人民解放军海军工程大学专利201210259903.2公开了一种基于局部重力场逼近的匹配导航方法，该发明通过获取惯性导航系统指示航迹点处重力异常值，依次采用地形匹配算法和BFGS寻优实现了匹配定位。上述专利一般均采用重力异常或重力梯度，讨论的重点主要为匹配算法或背景场模型的建立，对姿态误差的问题较少关注。

概括而言，要实现重力自主或辅助惯性导航必须具备三个条件：首先是与重力观测的相关仪器的研制；其次是高精度的先验重力背景场模型的建立；最后就是重力导航算法的建立与研制。其中第一个因素，当前已得到快速发展，引力梯度的观测已在舰载、机载及星载实现；第二个因素得益于各类重力观测技术的发展，全球已经建立了2000多阶的引力场模型，分辨达到10km，而部分局部重力场模型的分辨率更高；第三个即主要研究如何利用重力观测来为导航进行服务，当前讨论的重点是导航算法的建立，一般主要利用重力异常和梯度张量分量来进行匹配辅助惯性导航。利用重力观测来辅助惯性导航的根本原因是惯性导航由于仪器漂移因子的存在，仅靠惯性手段，导航误差会随时间积累。而究其原因，惯性仪器的误差根本来源有两个：一是来自加速度计的误差，该仪器主要用以测量重力以外的加速度；另一个是陀螺仪的误差，该仪器主要用于确定运动及加速度计坐标轴的方向。易知：方向误差对定位的精度影响极大。