航空重力测量重复测线数据处理技术研究

航空动态重力测量是快速获取地球重力场信息的有效手段,从广泛噪声中高精度提取重力信息的数据处理技术是重力测量的关键环节。本文首先分析了测量噪声的来源及误差特性,且明确了现阶段常用的有限冲激响应(FIR)低通滤波器可以有效滤除高频噪声。其次,针对动态特性误差和偶然误差,提出基于经验模态分解(EMD)的误差分离方法。再次,提出了适用于多条重复测线的系统平差方法,有效抑制了低频系统误差的影响。最后,对航空实测数据进行了处理。试验结果表明,基于EMD的误差分离方法将内符合精度从2.86mGal提升至0.75mGal,重复测线系统平差方法将精度进一步提升至0.28mGal。该研究对提升航空重力测量系统在数据处理技术成熟度及实用化水平方面有重要意义。

基于SINS/OD/高度计的车载重力异常测量方法

车载重力测量沿地球表面实施,其较慢的速度和机动灵活的特点为高精度地面重力测量提供有利条件。传统动基座重力测量严重依赖全球定位系统(GPS)而无法实现完全自主性,基于捷联惯导(SINS)/里程计(OD)/高度计组合导航提出一种新的自主无源车载重力异常测量方法。组合导航系统提供了高精度的比力、姿态和载体加速度信息,气压高度计用于抑制高度通道的发散,通过直接差分法即可实现重力信息的获取;对比了以航位推算位置(SINS/DR)、里程计速度(SINS/OD)、位置速度(SINS/DR/OD)为量测和传统SINS/GPS这4种方法的测量精度,分析量测选择对所提方法测量效果的影响。重复测线仿真及单测线跑车试验结果表明:所提方法可以实现完全自主的车载重力异常测量,相比传统SINS/GPS方法具有普遍的精度优势,SINS/OD与SINS/DR/OD测量精度相差不大,且优于SINS/DR测量方法。

基于SINS/OD失准角观测的垂线偏差测量方法

组合导航系统的姿态失准角与垂线偏差(deviation of vertical,DOV)存在对应关系,通过对姿态失准角的观测是实现DOV测量的一种有效手段。本文基于车载捷联惯性导航系统/里程计(strapdown inertial navigation system/odometer,SINS/OD)组合导航姿态失准角观测及失准角误差的递推提出一种DOV测量方法。首先,从组合导航速度误差方程出发,推导出DOV与姿态失准角之间存在复杂的耦合关系。然后,通过沿路径迭代递推的分步计算方法,由导航过程中的姿态失准角直接获取沿线的DOV。最后,仿真结果验证了该算法的有效性,且表明测量精度与行驶路径的长度有关。实验表明,行驶里程35 km的机动路径上DOV误差均值小于0.3″,终点处单点测量误差小于0.7″。

星敏感器姿态测量算法研究

针对传统矢量定姿方法精度较低的问题,研究了主流的星敏感器多矢量天文定姿算法,从理论上对奇异值分解(singular value decomposition,SVD)算法、双矢量定姿加研究背景算法、最小二乘(least square,LS)算法、四元数估计(quaternion estimator,QUEST)算法和线性估计算法进行了详细推导。其中,线性估计算法先将各矢量对的坐标变换等式分散表示,推导出对应的四元数形式,再联立所有矢量的坐标变换等式,基于长方矩阵的Moore-Penrose伪逆运算对二次四元数矩阵方程线性化,再在此基础上考虑随机噪声的影响对一次四元数矩阵方程进行鲁棒性操作,具有良好的创新性与实用性。以最小化Wahba损失函数为目标,对定姿算法的性能进行对比分析。仿真和实验结果表明,线性估计算法较之于其余4种算法,具有更快的解算速度、更高的定姿精度。

数字天顶仪中倾角仪参数的标定

针对运用数字天顶仪进行天文定位时旋转轴与垂直轴之间存在的轴系偏差,提出了高精度天顶仪倾角补偿方法。从数字天顶仪倾角补偿原理出发,引入了倾角仪双轴尺度系数、双轴交角等参数对倾角仪的输出值进行修正,然后提出了一种双轴倾角仪参数的标定方法。分析了旋转角度对于参数标定的影响,运用实验数据对标定方法进行了论证。结果显示:旋转角度会直接影响CCD图像传感器安装角度的标定值。另外,倾角仪参数的引入提高了数字天顶仪的定位精度,当旋转角度的误差值在2°以内时,标定参数的误差对定位结果的影响非常小。

重力扰动对惯性导航系统初始对准的影响

随着惯性器件精度的不断提高与高精度导航系统发展的需要,重力扰动成为影响惯性导航系统(inertial navigation system,INS)精度的主要误差源之一。在考虑垂线偏差和重力异常的同时,首先利用解析法推导了重力扰动影响初始对准失准角的误差方程,并将其转化为姿态角误差方程。然后,分析并建立了INS的速度、位置和姿态的误差方程。最后,利用仿真实验验证了重力扰动对INS初始对准的影响。理论分析及仿真实验表明,重力扰动矢量直接影响初始对准姿态角,姿态角误差仅与水平面内的垂线偏差有关,而与重力异常无关。

基于多区间参数修正的角速率姿态算法

姿态解算是惯性导航过程中的核心环节。针对惯组输出为角速率的情况,参考单子样姿态算法的思路,在角速度多项式拟合过程中利用前周期的部分角速率子样信息,通过对多个不同拟合区间的角速度多项式积分来提取并修正对应采样周期的角增量信息,进而利用角速率信息和多次修正后的角增量信息构造圆锥误差补偿结构。仿真结果表明,新算法不仅可以提高姿态的解算频率,且在一定圆锥频率范围内,相较于传统算法的计算精度提高2~3个数量级。

载体运动学辅助的双轴旋转调制惯性导航算法

为提高车载捷联惯导系统的导航精度,提出一种载体运动学约束辅助双轴旋转调制的惯性导航算法。建立了惯性测量单元(inertial measurement unit,IMU)旋转的载体运动学约束模型,设计了32次序转位方案,在实现惯性器件误差自补偿的同时提高了系统可观测度,从而将提高了可观测度的载体运动学约束导航与旋转调制导航结合,进一步提高了导航精度。进行了4000 s静止条件下的导航试验,结果证明此方法可以有效提高定位精度,水平定位精度和高度精度分别比双轴旋转调制导航提高48.2%和80.3%,比载体约束辅助导航提高85.1%和89.9%。最后通过车载实验验证了该方法的有效性。

基于扩展观测量的车载捷联惯导系统外场标定

为了提高车载捷联惯导系统的导航精度,缩短标定时间,针对车载捷联惯导系统的使用特点,提出了一种基于观测量扩展的外场多位置标定方案。在传统外场标定方案的基础上,增加等效陀螺信息为观测量,对其可观测性进行分析,设计了一种新的外场六位置标定方案,并进行了实验验证。实验结果表明,在引入等效陀螺误差后,等效天向陀螺漂移的观测度由0.000 6提高到0.999 9,收敛速度变快,初始对准的精度和速度有所提高,外场标定结果中陀螺漂移和加速度计零偏的标定误差均小于15%,与实验室标定值基本一致,具有一定的工程应用价值。

极值分析下基于位置矩阵的质心定位方法

为以使星敏感器在复杂工况下依旧能获得高精度的星点质心位置,提出一种极值分析下基于位置矩阵的质心定位方法。首先,提出极值分析下的星点弥散区域粗提取算法,对去噪后的星图进行星点局部区域限定。接着,提出基于位置矩阵的线段编码标记法对星点弥散区域进行精提取。最后,利用星点区域像素信息估计出高斯曲面参数以得到星点精确的质心坐标。仿真结果表明,星图噪声标准差处于2的水平时,所提方法可以使星点质心定位精度达到0.0704 pixel,且在星图噪声标准差处于12的水平时,仍具有90.03%的高星点提取成功率。