一种基于组合导航的矢量重力姿态误差测量方法及装置与流程

1.本发明涉及测绘技术领域，具体涉及一种基于惯性/卫星组合导航的矢量重力姿态误差测量方法及装置。


背景技术：

2.重力场是地球天然物理场之一，可直接反应地理信息特征，在资源勘探、导航定位、海洋科学研究等方面具有非常重要的价值。便携式相对重力仪作为一种经典重力信息测量设备，可实现相对重力信息的高精度、高效率逐点静态测量，对于地质勘探、远程打击具有应用价值。
3.矢量重力测量主要适用的天文观测方法，测量精度高，但存在测量时间长，无法全天时全天候测量，无法连续动态测量的缺点。


技术实现要素：

4.本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种基于惯性/卫星组合导航的矢量重力姿态误差测量方法及装置，采用惯性导航、组合导航、滤波最优解估计等技术实现了全天时、全天候、全地形的快速高效矢量重力测量。为地理测绘、导航保障等实际需求提供了便捷、迅速的测量方式。
5.本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
6.第一方面，本发明提供一种基于组合导航的矢量重姿态误差测量方法，所述组合导航为惯性/卫星组合导航，包括以下步骤：
7.s1，获取惯性导航系统实时输出的当地地理系的位置、速度、姿态信息；所述地理系为以载体位置为原点，以当地地理北向为y轴、地理东向为x轴、地理天向为z轴的正交坐标系；
8.s2，将卫星导航输出的位置、速度信息实时反馈至惯性导航解算回路，利用卡尔曼滤波估计得到姿态误差估计结果。
9.进一步的，所述的利用卡尔曼滤波估计得到姿态误差估计结果，包括：
10.利用当前时刻对应的状态转移矩阵以及前一时刻的状态向量得到当前时刻状态向量的预测结果；
11.利用当前时刻对应的状态转移矩阵以及前一时刻协方差矩阵计算当前时刻协方差矩阵的预测结果；
12.根据量测噪声向量、当前时刻协方差矩阵的预测结果以及量测矩阵计算卡尔曼滤波增益；
13.利用当前时刻状态向量的预测结果、当前时刻测量得到的量测向量以及卡尔曼滤波增益计算当前时刻的状态向量。
14.所述状态向量模型如下：
15.x＝[δφ
e δφ
n δφ
u δv
e δv
n δv
u δl δλ δh]
t
[0016]
其中，δφe为东向姿态偏差、δφn为北向姿态偏差、δφu为方位姿态偏差、δve为东向速度误差、δvn为北向速度误差、δvu为高程速度误差、δl为纬度误差、δλ为经度误差、δh为高度误差；
[0017]
当前时刻的状态向量中东向姿态偏差δφe、北向姿态偏差δφn即为重力方向与当地子午圆的夹角ξ以及重力方向与当地卯酉圆的夹角η；
[0018]
所述量测噪声向量根据卫星导航信息的噪声设置；
[0019]
所述量测矩阵根据状态向量和量测向量设置，如下所示：
[0020][0021]
所述量测向量模型如下：
[0022][0023]
其中下脚标gnss表示该参数为卫星导航信息，下脚标ins表示该参数为惯性导航信息；量测向量中各元素分别表示组合导航系统的东速误差、北速误差、天速误差、纬度误差、经度误差、高度误差。
[0024]
进一步的，所述当前时刻对应的状态转移矩阵根据惯性导航前一时刻与当前时刻的输出解算得到。
[0025]
进一步的，所述的利用卡尔曼滤波估计得到姿态误差估计结果，还包括：更新协方差矩阵，进入下一周期的滤波解算。
[0026]
进一步的，所述协方差矩阵更新方法如下式所示：
[0027]
pk＝(i-kkh)p
k/k-1
[0028]
式中，pk为k时刻协方差矩阵，i表示单位矩阵，kk表示k时刻卡尔曼滤波增益，h表示量测矩阵，p
k/k-1
为k时刻协方差矩阵预测结果。
[0029]
进一步的，该方法还包括：
[0030]
s3，对同一测线进行反复测量，采用估计误差的倒数为权重对各航次的测量结果进行加权平均，得到最终的测量结果。
[0031]
第二方面，本发明提供一种基于惯性/卫星组合导航的矢量重力测量装置，包括：惯性导航系统、卫星导航系统、处理模块；
[0032]
所述处理模块用于获取惯性导航系统实时输出的当地地理系的位置、速度、姿态信息，将卫星导航输出的位置、速度信息实时反馈至惯性导航解算回路，利用卡尔曼滤波估
计得到姿态误差估计结果。
[0033]
第三方面，本发明提供一种电子设备，包括：
[0034]
存储器，用于存储计算机软件程序；
[0035]
处理器，用于读取并执行所述计算机软件程序，进而实现本发明第一方面所述的一种基于组合导航的矢量重姿态误差测量方法。
[0036]
第四方面，本发明提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有用于实现本发明第一方面所述的一种基于组合导航的矢量重姿态误差测量方法的计算机软件程序。
[0037]
本发明的有益效果是：采用以惯性导航设备为核心的测绘方法，结合卫星导航信息，降低矢量重力测量设备对环境、天候的要求，实现动态连续矢量重力测量。采用惯导误差模型补偿技术与共模信息提取技术，实现了动态条件下矢量重力信息测量结果的精度，并在保证测量精度的前提下，提升矢量重力测量的效率。
附图说明
[0038]
图1为本发明实施例提供方法流程图；
[0039]
图2为本发明实施例提供的测量路线示意图；
[0040]
图3为本发明实施例提供的水平重力随纬度变化测量结果图；
[0041]
图4为本发明实施例提供的装置结构图；
[0042]
图5为本发明提供的一种电子设备结构示意图；
[0043]
图6为本发明提供的一种计算机可读存储介质结构示意图。
具体实施方式
[0044]
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
[0045]
本发明提供一种基于组合导航的矢量重姿态误差测量方法，所述组合导航为惯性/卫星组合导航，包括以下步骤：
[0046]
s1，获取惯性导航系统实时输出的当地地理系的位置、速度、姿态信息；所述地理系为以载体位置为原点，以当地地理北向为y轴、地理东向为x轴、地理天向为z轴的正交坐标系；
[0047]
s2，将卫星导航输出的位置、速度信息实时反馈至惯性导航解算回路，利用卡尔曼滤波估计得到姿态误差估计结果；
[0048]
s3，对同一测线进行反复测量，采用估计误差的倒数为权重对各航次的测量结果进行加权平均，得到最终的测量结果。
[0049]
所述的利用卡尔曼滤波估计得到姿态误差估计结果，具体包括以下内容：
[0050]
定义状态向量模型x如下：
[0051]
x＝[δφ
e δφ
n δφ
u δv
e δv
n δv
u δl δλ δh]
t
[0052]
其中，δφe为东向姿态偏差、δφn为北向姿态偏差、δφu为方位姿态偏差、δve为东向速度误差、δvn为北向速度误差、δvu为高程速度误差、δl为纬度误差、δλ为经度误差、δh为高度误差。
[0053]
定义量测向量模型如下：
[0054][0055]
其中下脚标gnss表示该参数为卫星导航信息，下脚标ins表示该参数为惯性导航信息；量测向量中各元素分别表示组合导航系统的东速误差、北速误差、天速误差、纬度误差、经度误差、高度误差。
[0056]
根据状态向量与量测向量的设置量测矩阵h与量测方程：
[0057]
z＝hx r
[0058]
r为量测噪声向量根据卫星导航信息的噪声设置。
[0059]
卡尔曼滤波流程
[0060]
1)状态向量一步预测
[0061][0062]
通过惯性导航解算完成状态向量的一步预测，由前一时刻的状态向量通过当前时刻对应的状态转移矩阵φ
k/k-1
，得到当前时刻的状态向量预测结果状态转移矩阵由惯性导航解算过程决定，为一个时变的矩阵，具体的当前时刻对应的状态转移矩阵φ
k/k-1
根据惯性导航前一时刻与当前时刻的输出解算得到。
[0063]
2)协方差矩阵一步预测
[0064][0065]
协方差矩阵是卡尔曼滤波的中间变量，它表示了滤波预测结果的估计方差大小。由前一时刻的协方差矩阵p
k-1
通过当前时刻状态转移矩阵φ
k/k-1
可以计算得到当前刻协方差矩阵的预测结果p
k/k-1
。协方差矩阵的初值为一给定值，根据状态向量x中各元素的误差大小设置。
[0066]
3)卡尔曼滤波增益计算
[0067]kk
＝p
k/k-1ht
(h p
k/k-1ht
r)-1
[0068]
通过量测噪声向量r、协方差矩阵的预测结果p
k/k-1
、量测矩阵h可以计算得到卡尔曼滤波增益kk。
[0069]
4)状态向量一步更新
[0070][0071]
根据公式，由状态向量一步预测值此时刻的量测向量zk、卡尔曼滤波增益kk计算得到此时刻的状态向量。
[0072]
此时刻的状态向量中得到的东向姿态偏差δφe、北向姿态偏差δφn表示了惯性导航在此时刻的姿态偏离，在短时间内惯性导航姿态误差可以等效为重力垂线在东向与北向上的偏差。故δφe与δφn即为测绘过程中求得的垂线偏差ξ与η。ξ为重力方向与当地子午圆的夹角，η为重力方向与当地卯酉圆的夹角
[0073]
5)协方差矩阵一步更新
[0074]
pk＝(i-kkh)p
k/k-1
[0075]
通过公式更新协方差矩阵，进入下一周期的滤波解算。i为单位矩阵。
[0076]
提取每一时刻的经纬度信息与滤波估计中的状态向量元素、，即可得到经纬度位置上测量的东向与北向垂线偏差。
[0077]
通过卡尔曼滤波，可以得到一个航次中侧线上各点的重力垂线偏差测量结果与实时的协方差矩阵。
[0078]
在重力测量中矢量重力信息是一种信噪比极低的目标信号，受目前设备精度的限制，要完成动态测量，需要对同一测线进行反复测量，并对多次测量结果进行数据后处理，提取出矢量重力数据信息。
[0079]
以测线上某点的的测量值处理为例说明对数据后处理做进一步说明。
[0080]
设在n次测量试验中得到侧线上某点重力垂线偏差测量结果为ηi、ξi其中i为测量次数，i＝1.2.3...n。
[0081]
在测量至此点时各航次滤波估计协方差矩阵表示为pi，i为测量次数，i＝1.2.3...n。
[0082][0083]
协方差矩阵中斜对角线元素表示了状态向量对应的元素的估计误差，在测量点东向重力垂线偏差ξi的估计误差为p
11i
，北向重力垂线偏差ηi的估计误差为p
22i
。
[0084]
通过各航次的协方差矩阵与重力垂线偏差测量结果可以得到此点的最终测量值，计算公式为：
[0085]
[0086][0087]
公式中采用估计误差的倒数为权重对各航次的测量结果进行加权平均，得到最终的测量结果。
[0088]
实际测量中，测量时以某一天文测量点为基准，可以获得测绘路线上的重力测量结果。在测绘道路上每5km取一点进行天文测量并以此为基准进行重力测量精度分析，测试路线与测量结果对比图如图2图3所示。可以发现，使用本发明中阐述方法测量得到的矢量重力误差在3mgal以内。实现了矢量重力的动态测量。
[0089]
如图4所示，本发明实施例提供一种基于惯性/卫星组合导航的矢量重力测量装置，包括：惯性导航系统、卫星导航系统、处理模块；
[0090]
所述处理模块用于获取惯性导航系统实时输出的当地地理系的位置、速度、姿态信息，将卫星导航输出的位置、速度信息实时反馈至惯性导航解算回路，利用卡尔曼滤波估计得到姿态误差估计结果。
[0091]
请参阅图5，图5为本发明实施例提供的电子设备的实施例示意图。如图5所示，本发明实施例提了一种电子设备500，包括存储器510、处理器520及存储在存储器520上并可在处理器520上运行的计算机程序511，处理器520执行计算机程序511时实现以下步骤：
[0092]
s1，获取惯性导航系统实时输出的当地地理系的位置、速度、姿态信息；所述地理系为以载体位置为原点，以当地地理北向为y轴、地理东向为x轴、地理天向为z轴的正交坐标系；
[0093]
s2，将卫星导航输出的位置、速度信息实时反馈至惯性导航解算回路，利用卡尔曼滤波估计得到姿态误差估计结果。
[0094]
请参阅图6，图6为本发明实施例提供的一种计算机可读存储介质的实施例示意图。如图6所示，本实施例提供了一种计算机可读存储介质600，其上存储有计算机程序611，该计算机程序611被处理器执行时实现如下步骤：
[0095]
s1，获取惯性导航系统实时输出的当地地理系的位置、速度、姿态信息；所述地理系为以载体位置为原点，以当地地理北向为y轴、地理东向为x轴、地理天向为z轴的正交坐标系；
[0096]
s2，将卫星导航输出的位置、速度信息实时反馈至惯性导航解算回路，利用卡尔曼滤波估计得到姿态误差估计结果。
[0097]
需要说明的是，在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
[0098]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0099]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式计算机或者其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0100]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0101]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0102]
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
[0103]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。