重力异常补偿机理及重力辅助导航技术研究

The technology of gravity aided navigation with characteristic of passive navigation, has become an orientation of development in next generation SINS (strap-down inertial navigation system) with high-precision laser gyro. The project mainly studies gravity matching navigation algorithm, which is integrated directly of gravity anomaly measuring information and output position information of SINS with high-precision laser gyro, and verified relative results by way of some experiments. The algorithm included three steps, which are how to get gravity measuring information, how to model gravity electronic map and direct integration algorithm. After having used the algorithm, output position precision is estimated above 50 percentages compared to pure inertial navigation state. The mostly research contents of this project are: 1) global gravity anomaly distributed feature and its influence on output position precision of SINS; 2) gravity matching navigation algorithm in use of direct information integration; 3) application of nonlinear filters, such as particle filter used in gravity matching navigation algorithm. The feature of the project is: firstly, to merge traditional correlation matching algorithm and direct information integration algorithm, that enhancing ability of distinguishing false position; secondly, to verify feasibility and validity of matching algorithm by way of some marine experiments with high-precision laser gyro SINS/GPS. The research is predicted to open up widespread prospect of gravity aided navigation technology, which is applied to ocean ships and underwater submarines.

重力辅助导航技术以其无源导航的特点成为下一代舰艇高精度导航系统的发展方向。本项目主要研究重力异常测量信息与高精度激光陀螺捷联惯导系统的输出位置信息直接融合的重力匹配导航算法并完成相关试验验证，算法中包括重力测量值的获取、重力电子图的构建和直接融合算法等三部分，拟达到信息融合后的输出位置精度比纯惯导状态下提高50%以上。本项目主要研究内容：1）全球重力异常的分布特征及对捷联惯导系统精度的影响；2）重力异常测量信息与高精度激光陀螺捷联惯性导航系统的输出位置信息直接融合的重力匹配导航算法；3）研究粒子滤波等非线性滤波方法在重力匹配导航算法中的应用。本项目的特色是将传统的相关匹配算法与直接融合算法相结合，提高系统识别虚假位置的能力；结合高精度激光陀螺SINS/GPS组合导航系统进行海上试验，验证算法的可行性和有效性。该研究可为重力辅助导航技术在海洋船舶、水下潜艇的实用化开辟广阔的应用前景。

随着高精度惯性导航技术的发展，重力扰动误差成为影响惯性导航系统精度提高的最主要的误差源之一，因此有必要对重力扰动引起的误差进行补偿。另一方面，纯惯导系统的误差随时间积累，须定期引入外部信息对系统进行重调，重力场辅助惯性导航因其无源、隐蔽、全天候、抗干扰等优良特性，特别适用于军事领域。基于此，本项目重点围绕重力异常补偿机理和重力辅助导航技术两个部分展开研究。项目从地球重力场的物理概念出发，对用于惯性导航解算的全球重力位模型的误差特性展开分析，通过惯导系统误差微分方程分析重力误差对捷联惯导系统及GNSS/SINS组合导航系统的影响。在此基础上提出一种重力误差的在线估计补偿算法，将重力扰动误差在高频和低频区域内分别进行补偿，抑制重力扰动模型与低频姿态误差的耦合，有效地解决了全球重力模型精度和分辨率不足的问题，提高姿态测量精度。深入研究了基于CKF的重力异常辅助导航技术，采用二阶加权Coons曲面拟合方法对重力地图进行加密，在此基础上利用非线性Kalman滤波实现了无源重力信息与惯性信息的融合。以课题组研制的高精度激光陀螺捷联惯导系统为实验平台和参照对象，通过在某试验舰上的近海搭载试验对重力辅助导航算法进行了半实物仿真试验验证，试验结果表明采用重力匹配导航算法后的定位精度显著高于激光陀螺捷联惯导系统的定位精度，达到了本项目研究所要求的技术指标。