[發(fā)明專利]地固坐標(biāo)系下動(dòng)基座重力矢量估計(jì)方法、系統(tǒng)及存儲(chǔ)介質(zhì)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011622796.6
• 申請(qǐng)日: 2020-12-30
• 公開（公告）號(hào): CN112882118B
• 公開（公告）日: 2022-12-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李京書;毛寧;何泓洋;吳艷杰;江鵬飛;安文;林恩凡
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國人民解放軍海軍工程大學(xué)
• 主分類號(hào): G01V7/00
• 分類號(hào): G01V7/00;G01V7/06;G01C21/16
• 代理公司: 北京金智普華知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11401
• 代理人: 楊采良

本發(fā)明屬于地球物理學(xué)數(shù)據(jù)處理技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種地固坐標(biāo)系下動(dòng)基座重力矢量估計(jì)方法、系統(tǒng)及存儲(chǔ)介質(zhì)，定義與地球系相對(duì)靜止的地固系作為重力矢量的參考基準(zhǔn)；選擇相對(duì)于慣性系，軸向穩(wěn)定精度較高的陀螺和加速度計(jì)；姿態(tài)粗對(duì)準(zhǔn)求解：動(dòng)態(tài)時(shí)通過初始粗對(duì)準(zhǔn)技術(shù)求解載體相對(duì)于地固系的姿態(tài)矩陣；姿態(tài)精對(duì)準(zhǔn)求解：在粗對(duì)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，通過kalman濾波求解載體系相對(duì)于地固系高精度姿態(tài)矩陣；構(gòu)建重力估計(jì)算法；提出“框架+捷聯(lián)+基準(zhǔn)”式重力儀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其考核方案。本發(fā)明依托該基準(zhǔn)建立重力矢量估計(jì)模型，解決了地理系下姿態(tài)矩陣與垂線偏差的耦合問題，選取地固系作為重力矢量的參考基準(zhǔn)，具備更高的測(cè)量精度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于地球物理學(xué)數(shù)據(jù)處理技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種地固坐標(biāo)系下動(dòng)基座重力矢量估計(jì)方法、系統(tǒng)及存儲(chǔ)介質(zhì)。

背景技術(shù)

目前，重力矢量測(cè)量是地球物理學(xué)的重要研究方向，重力場(chǎng)在海洋資源開發(fā)、地質(zhì)勘探、大地測(cè)量及水下匹配導(dǎo)航等多個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。現(xiàn)有重力基準(zhǔn)圖非矢量重力場(chǎng)圖，且精度不高，導(dǎo)致其在地表各類應(yīng)用中表現(xiàn)出不好用、不能用、不適用的問題，發(fā)揮作用非常有限。精確重力場(chǎng)現(xiàn)已成為國家戰(zhàn)略性資源，也是國家綜合PNT體系建設(shè)中重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，研究意義重大。重力儀是實(shí)施重力測(cè)量的專用設(shè)備，按照工作狀態(tài)可分為靜態(tài)重力儀和動(dòng)態(tài)重力儀，其中靜態(tài)重力儀已達(dá)到較高精度和分辨率，可達(dá)1微伽級(jí)以內(nèi)，但在測(cè)量效率和適用性方面存在缺陷；動(dòng)態(tài)重力儀可作為其有效補(bǔ)充，但其需要在復(fù)雜動(dòng)態(tài)環(huán)境中作業(yè)，系統(tǒng)更加復(fù)雜，技術(shù)要求更高。海洋/航空重力測(cè)量是獲取動(dòng)基座下高頻重力場(chǎng)信息的主要途徑，地球表面、深海、甚至地球內(nèi)部某一位置的重力跟當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度、高度、周圍地形、地質(zhì)密度等多種因素相關(guān)，不同程度影響著重力矢量的大小和方向。重力是一個(gè)矢量信息，需要在一個(gè)定義準(zhǔn)確并且能夠準(zhǔn)確測(cè)量的坐標(biāo)系下表述，動(dòng)基座重力儀直接測(cè)量數(shù)據(jù)是載體系下的重力矢量，然而載體處于時(shí)變、不可預(yù)知的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)中，不利于重力矢量監(jiān)測(cè)與比較，要想表征不同位置點(diǎn)的重力矢量，需要將重力矢量通過姿態(tài)旋轉(zhuǎn)矩陣，表征在一個(gè)可知的參考系內(nèi)。當(dāng)前，無論是平臺(tái)式重力儀還是捷聯(lián)式重力儀均將當(dāng)?shù)氐乩碜鴺?biāo)系作為重力矢量參考基準(zhǔn)系，以偏離地理坐標(biāo)系天軸的垂線偏差為具體指標(biāo)。但加速度計(jì)敏感的是大地水準(zhǔn)面，而地理系是地球參考橢球體為基準(zhǔn)，導(dǎo)致地理系下表述的載體姿態(tài)陣和垂線偏差的耦合效應(yīng)一直是阻礙重力矢量測(cè)量精度進(jìn)一步提升的難點(diǎn)問題。因此，亟需一種新的地固坐標(biāo)系下動(dòng)基座重力矢量估計(jì)方法。

通過上述分析，現(xiàn)有技術(shù)存在的問題及缺陷為：

(1)現(xiàn)有重力基準(zhǔn)圖非矢量重力場(chǎng)圖，且精度不高，導(dǎo)致其在地表各類應(yīng)用中表現(xiàn)出不好用、不能用、不適用的問題，發(fā)揮作用非常有限。

(2)現(xiàn)有靜態(tài)重力儀在測(cè)量效率和適用性方面存在缺陷；動(dòng)態(tài)重力儀可作為其有效補(bǔ)充，但需要在復(fù)雜動(dòng)態(tài)環(huán)境中作業(yè)，系統(tǒng)更加復(fù)雜，技術(shù)要求更高。

(3)動(dòng)基座重力儀直接測(cè)量數(shù)據(jù)是載體系下的重力矢量，然而載體處于時(shí)變、不可預(yù)知的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)中，不利于重力矢量監(jiān)測(cè)與比較。

(4)加速度計(jì)敏感的是大地水準(zhǔn)面，而地理系是地球參考橢球體為基準(zhǔn)，導(dǎo)致地理系下表述的載體姿態(tài)陣和垂線偏差的耦合效應(yīng)一直是阻礙重力矢量測(cè)量精度進(jìn)一步提升的難點(diǎn)問題。

解決以上問題及缺陷的難度為：

重力矢量很難實(shí)現(xiàn)突破的原因在于：研究重力矢量雖然和選取的坐標(biāo)系沒有關(guān)系，但和這個(gè)基準(zhǔn)是否能夠測(cè)準(zhǔn)是有關(guān)系的，基準(zhǔn)測(cè)不準(zhǔn)得到的重力矢量估算模型就不準(zhǔn)。

由于垂線偏差是以當(dāng)?shù)氐乩碜鴺?biāo)系為基準(zhǔn)定義的，而純靠加速度計(jì)和陀螺等慣性器件是無法找到地理坐標(biāo)系的，但可以找到自轉(zhuǎn)軸，因此采用地固系進(jìn)行重力矢量測(cè)量，不能沿用垂線偏差作為基準(zhǔn)，不能再用地理坐標(biāo)系作為基準(zhǔn)。