[发明专利]基于INS和GPS组合的垂线偏差动态测量装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于测绘领域，特别涉及一种基于惯性导航系统(INS)和全球定位系统(GPS)组合的垂线偏差动态测量方法。

背景技术

基于惯性导航系统/全球定位系统组合的矢量重力测量方法是获取重力场信息的有效手段，它具有高精度、高分辨率、测量效率高等特点，广泛应用于海洋、航空重力测量中。重力矢量垂直分量的测量目前已较为成熟，并广泛应用于商业测量中，然而对重力矢量水平分量(即垂线偏差)的测量仍然是一个难以解决的技术问题。

国防科学技术大学的战德军等在申请号为“CN201310730904.5”的发明专利申请中(公开号：CN103674030A)提出了一种“基于天文姿态基准保持的垂线偏差测量装置与方法”，采用的技术方案如图1所示，它利用INS/GPS姿态测量系统中的激光陀螺组合体(LGU)与GPS组合，构建了LGU/GPS姿态测量子系统；首先启动INS/GPS姿态测量系统，进行初始对准并输出系统姿态；然后启动星敏感器并利用其姿态输出对LGU/GPS姿态测量子系统进行初始化，此后LGU/GPS姿态测量子系统自主实现姿态测量；利用LGU/GPS姿态测量子系统输出的姿态和INS/GPS姿态测量系统输出的姿态求差，进而计算垂线偏差；最后修正垂线偏差测量值中的跳变误差，并利用全球重力模型数据修正垂线偏差测量值中的低频误差。该方法能够实现垂线偏差的动态测量，并具有鲁棒性强，能够有效抑制惯性器件误差，不依赖于差分GPS，应用范围广等优点。

然而，上述测量方法存在一定的局限性，主要表现在如下三个方面：一是该测量方法需要由星敏感器提供高精度天文姿态基准，大大增加了测量设备的成本和结构的复杂度；二是星敏感器的使用依赖于天气条件，且只能在夜晚使用，因而严重地限制了测量实施的灵活性；二是该发明所提出的垂线偏差低频误差补偿算法只是一种工程上的经验处理方法，其算法不是最优的，因此补偿精度不高，可靠性也较差。

如何在动态条件下实现垂线偏差测量，抑制测量误差，提高测量的精度和可靠性，同时减小甚至消除测量设备对环境的依赖，是本领域技术人员极为关注的技术问题。

发明内容

本发明是对发明“CN201310730904.5”的一种改进，要解决的技术问题是提出一种在不依赖于天文姿态基准的条件下，利用INS和GPS组合实现垂线偏差动态测量的装置及方法，提高测量的精度和可靠性，简化测量系统的复杂度，且不依赖于测量环境，便于实施。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于INS和GPS组合的垂线偏差动态测量装置，由惯性导航系统(INS)、GPS天线、GPS接收机和数据处理计算机组成，所述INS、GPS天线以及GPS接收机组成INS/GPS姿态测量子系统(以下简称INS/GPS)，所述INS包含了三个正交安装的激光陀螺，称为激光陀螺组合体(LGU)，所述LGU、GPS天线以及GPS接收机组成LGU/GPS姿态测量子系统(以下简称LGU/GPS，关于LGU/GPS参见发明CN201310730904.5中的描述)，三个激光陀螺均与GPS接收机通信；所述INS、GPS天线、GPS接收机固联安装于测量载体上，测量载体可以是测量船、测量车等运载工具；所述GPS天线与所述GPS接收机通信，所述INS、GPS接收机通过数据线与数据处理计算机连接，INS和GPS接收机的测量数据通过数据线传输到数据处理计算机中，在数据处理计算机中完成垂线偏差的解算。INS采用龙兴武等在2010年《中国惯性技术学报》第2期“激光陀螺单轴旋转惯性导航系统”论文中公开的单轴旋转式结构。

本发明还提供了一种利用上述装置动态测量垂线偏差的方法，具体包括以下步骤：

1、构建INS/GPS姿态测量子系统，并进行8小时以上对准。

由INS、GPS天线和GPS接收机构建INS/GPS姿态测量子系统，启动INS/GPS姿态测量子系统，进行8小时以上对准，在对准过程中INS/GPS姿态测量子系统采用专利“CN201310730904.5”实施步骤1中所述的算法实现组合姿态测量，在整个测量过程中INS/GPS姿态测量子系统连续输出INS坐标系(b系)相对于计算导航坐标系(n'系)的姿态矩阵对准过程中无垂线偏差数据输出。

2、INS/GPS对准结束后，启动LGU/GPS姿态测量子系统，利用第一步中INS/GPS对准后输出的姿态矩阵对LGU/GPS进行姿态矩阵的初始化。