航空重力矢量测量及误差分离方法研究

摘要

航空重力测量是一种快速地获取分布均匀、精度良好、大面积的重力场信息的有效方法。其中，捷联式航空重力仪以体积小、重量轻、成本低、可靠性高以及功耗小等优点成为航空重力测量研究的热点。除此之外，捷联式的重力仪还可以进行矢量测量，而重力矢量信息对于地球物理等诸多学科具有重要意义。
　　本文基于国防科学技术大学自主研制的捷联式航空重力仪 SGA-WZ，结合捷联式航空重力矢量测量的误差模型，在捷联式航空重力矢量测量误差分析、惯性器件误差对重力矢量测量的影响及补偿、重力扰动对重力矢量测量的影响及消除、飞机运动对重力矢量测量的影响以及重力矢量测量结果的误差分离等五个方面进行了研究。主要研究成果归纳如下：
　　1.对捷联式航空重力矢量测量的原理进行了研究，讨论了基于位置更新的重力矢量测量算法。根据重力矢量测量的误差模型，文中设计了正交试验来分析各影响因素对航空重力矢量测量的影响程度。
　　2.针对惯性器件误差对重力矢量测量的影响问题，提出了IPSE算法。在捷联式航空重力测量的数据处理中通常采用SINS/GNSS组合15状态卡尔曼滤波的方式来提高比力的测量精度，并将惯性器件的误差作为卡尔曼滤波器的滤波状态估计出来再进行补偿。然而，在水平匀速直线飞行条件下，15状态卡尔曼滤波是不完全可观的。本文对15状态卡尔曼滤波的可观性进行了分析，分析了可观的状态及状态的组合，指出了加速度计零偏及姿态误差不能单独地估计出来，只能估计出它们的线性组合。本文在研究SPS算法的基础上提出了IPSE算法，使得器件误差的逐步估计过程更加明晰，文中还对IPSE算法进行了仿真分析和实例验证。实例处理结果表明，重力矢量北向分量的精度从15.57mGal提高到了4.12mGal，东向分量的精度从17.36mGal提高到了14.70mGal。
　　3.重力扰动的存在会对重力矢量测量带来影响。仿真分析了在导航解算中采用正常重力会对重力矢量的测量带来怎样的误差。针对重力扰动对重力矢量测量造成的误差，本文还分析了重力矢量估计的迭代算法，通过仿真分析指出了迭代算法的使用条件，证明了迭代算法的有效性，并利用迭代算法对航空重力实测数据进行了处理，验证结果表明，通过迭代算法能够使重力矢量的水平分量收敛到与真实值之间存在一个常值性的偏差。去除了直流分量之后，重力矢量北向分量的精度从4.12mGal提高到了2.57mGal，东向分量的精度从14.70mGal提高到了3.06mGal。
　　4.以飞机为载体的航空重力矢量测量会受到飞机运动的影响。分析指出了长周期运动和慢螺旋运动有可能会对航空重力测量带来影响，其中慢螺旋运动只是引起测量过程中的定位误差，对重力测量真正带来影响的是长周期运动。文中还以两次实际的航空重力测量为例说明了飞机的实际运动情况，进一步确认了长周期运动对飞行轨迹以及比力测量的影响。并给出了飞机在飞行测量过程中动态性的衡量指标。根据重力矢量测量的误差频谱，文中对怎样减小飞机运动带来的重力矢量测量误差进行了一定的讨论，并对时间同步误差和姿态误差进行了估计和补偿，希望能在保证测量分辨率的同时提高测量的精度。最后，文中采用经验模分解的方式对重力扰动结果进行固有模态分解并去除其中的某些成分，最终实现了对飞机运动影响的抑制。
　　5.在得到的重力矢量测量结果中还存在着误差，针对这一问题，本文对重力矢量测量结果的误差分离算法进行了研究。首先研究了波数相关滤波（WCF）方法，该方法针对重复测线或者间隔比较近的平行测线，认为这些测线之间相关性比较低的成分是误差，通过抑制这些相关性较低的成分以实现误差的分离。经过WCF处理之后，重力扰动北向分量的精度从2.49mGal提高到了1.43mGal，东向分量的精度从2.81mGal提高到了1.80mGal。其次研究了卡尔曼滤波逆向解算的应用，通过综合卡尔曼滤波正向解算和逆向解算的结果来消除测量结果中的误差。与单独采用正向解算结果而得到的重力扰动相比，综合正向解算和逆向解算结果之后，重力扰动北向分量的重复性精度从17.71mGal提高到了4.87mGal，东向分量的重复性精度从4.55mGal提高到了4.02mGal。最后研究了利用全球重力场模型来校正重力扰动中存在的系统性偏差和低频趋势。通过全球重力场模型计算出的重力矢量中虽然不含有重力场的高频信息，但其包含的长波信息可用于校正重力扰动中的系统性偏差和低频趋势。在山东某地试验中，利用全球重力场模型EGM2008校正之后，重力扰动北向分量的重复性从17.71mGal改进到了2.74mGal，东向分量的重复性从4.55mGal改进到了3.20mGal。在某海域试验中，利用EGM2008校正之后，重力扰动北向分量的重复性从50.24mGal改进到了7.46mGal，东向分量的重复性从48.11mGal改进到了4.48mGal。

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缩略语

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 航空重力测量国内外发展现状

1.3 航空重力矢量测量研究现状

1.4 论文的研究目标、内容、组织结构和主要贡献

第二章 航空重力矢量测量理论基础

2.1 航空重力测量基本原理

2.2 惯性器件的误差模型

2.3 SINS/GNSS重力矢量测量方法

2.4 航空重力矢量测量的误差分析

2.5 航空重力测量的精度评估

2.6 本章小结

第三章 惯性器件误差对重力矢量测量的影响分析和补偿

3.1 惯性器件误差对重力矢量测量的影响分析

3.2 15状态卡尔曼滤波器可观性分析

3.3 惯性器件误差的逐步估计和补偿

3.4 加速度计漂移对重力测量影响的研究

3.5 本章小结

第四章 重力扰动对重力矢量测量的影响分析和消除

4.1 重力扰动

4.2 重力扰动对重力矢量测量的影响分析

4.3 重力矢量估计的迭代算法研究

4.4 本章小结

第五章 飞机运动对重力矢量测量的影响分析

5.1 飞机的运动

5.2 飞机运动对重力矢量测量的影响

5.3 减少飞机运动带来的测量误差

5.4 本章小结

第六章 重力测量数据误差分离方法

6.1 重力矢量测量数据处理流程

6.2 波数相关滤波方法的研究

6.3 逆向解算应用的研究

6.4 基于全球重力场模型EGM2008的误差分离方法研究

6.5 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 全文总结

7.2 研究展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果

附录A 常用坐标系的定义

附录B SGA-WZ的系统组成

附录C SGA-WZ飞行试验

C.1 山东某地飞行试验

C.2 某海域飞行试验