[发明专利]一种全自主高精度的捷联惯导系统重力扰动补偿方法

说明书

本发明公开了一种全自主高精度的捷联惯导系统重力扰动补偿方法，通过剖析重力扰动、重力扰动梯度与重力扰动变化率之间的内在耦合关系，建立了能够精确反映重力扰动变化规律的重力扰动及扰动梯度状态模型；并设计了一种不受重力扰动影响的多普勒测速仪‑陀螺仪自主导航方案，利用其输出的速度、位置和姿态导航参数与捷联惯导系统输出的相应导航参数进行全面匹配，从而实现了低成本、全自主和高精度的重力扰动补偿。

技术领域

本发明涉及导航技术领域，更具体的说是涉及一种全自主高精度的捷联惯导系统重力扰动补偿方法。

背景技术

捷联惯导系统具有自主性强、隐蔽性好、导航参数完备、短时精度高、数据输出率高等优点，因此被广泛用于航天器、飞机、舰船和车辆等各类运载体的导航任务中。传统的捷联惯导系统通常假定地球是一个理想的旋转椭球体，并结合理想重力模型对加速度计测量的比力信息进行重力补偿，进而获得载体的运动加速度。但实际上，由于地球形状不规则、质量分布不均匀，所以任意位置的实际重力和理想重力之间必然会存在差异，即存在重力扰动。重力扰动会使捷联惯导系统计算的运动加速度产生误差，进而产生随时间累积的速度、位置和姿态等导航误差。因此，重力扰动已经成为影响长航时高精度捷联惯导系统性能的主要误差源。

现有重力扰动补偿方法主要包括以下四种：①基于全球重力场球谐模型、②基于区域重力网格数据、③基于重力梯度仪和④基于差分卫星导航系统。第①种方法将捷联惯导系统解算的位置信息输入事先建好的全球重力场球谐模型中计算得到重力扰动进而实施补偿。但由于全球重力场球谐模型无法对局部区域内的重力扰动进行精确描述，所以该方法在山地等重力扰动变化显著区域的补偿精度较低。第②种方法通过读取捷联惯导系统解算位置附近的重力网格数据，再利用插值算法计算得到当前位置的重力扰动。但该方法无法在区域重力网格数据未覆盖的区域使用，所以无法满足长航时运动载体的应用需求。另外，由于前两种方法都需要利用捷联惯导系统解算的位置信息，所以其重力扰动补偿精度均会随惯导位置误差累积而降低。第③种方法将重力梯度仪与捷联惯导系统组成组合导航系统，然后将重力梯度仪实时测量的高分辨率重力梯度张量作为量测信息，进而通过最优估计算法对重力扰动进行估计与补偿。但由于重力梯度仪制造工艺复杂、造价昂贵、体积大，所以该补偿方法成本高，且不适用于轻小型运载体。第④种方法通过差分卫星导航接收机获得高精度的位置、速度和加速度信息，然后利用最优估计算法对重力扰动进行估计与补偿。但因卫星导航信号易受干扰和遮挡，差分卫星导航系统需要额外布置基准站，并且基准站的作用距离有限，所以该方法的自主性和可靠性无法得到保证。

因此，如何提供一种高精度、低成本且自主强的捷联惯导系统重力扰动补偿方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种全自主高精度的捷联惯导系统重力扰动补偿方法，通过剖析重力扰动、重力扰动梯度与重力扰动变化率之间的内在耦合关系，建立了能够精确反映重力扰动变化规律的状态模型；并设计了一种不受重力扰动影响的多普勒测速仪-陀螺仪自主导航方案，利用其输出的速度、位置和姿态导航参数与捷联惯导系统输出的相应导航参数进行全面匹配，从而实现了低成本、全自主和高精度的重力扰动补偿。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种全自主高精度的捷联惯导系统重力扰动补偿方法，包括以下步骤：

S1：根据重力扰动位、重力扰动和重力扰动梯度在地球坐标系下的内在联系，建立重力扰动、重力扰动梯度与重力扰动变化率在地理坐标系下的内在耦合关系；

S2：基于重力扰动位的单值连续性和重力扰动场的保守性构建重力扰动梯度分量的约束方程并采用随机过程对相互独立的重力扰动梯度分量进行描述以构建重力扰动及扰动梯度状态模型；

S3:根据多普勒测速仪测量的速度以及陀螺仪测量的角速度进行多普勒测速仪-陀螺仪导航解算,得到与重力扰动无关的导航参数；