惯性导航视角下重力场信息的适应性研究与应用

Considering the requirement of high precise underwater autonomous navigation for military application, this project is devoted to investigating the fundamental and pivotal problems in gravity aided inertial navigation system (INS). The impact and performance improvement on inertial navigation by gravity information will be investigated from the perspective of inertial navigation. The following three aspects are expected to be investigated: (1) Investigating the impact of the INS position errors on the derived gravity disturbance and then investigating the compensation mechanism for inertial based application; (2) Investigating the flexibility and optimized matching mechanism of gravity gradients aided INS for underwater application. Some typical researching methods and requirements in field of inertial navigation will be used as guidance for the corresponding investigation; (3) Investigating the integrating filtering algorithms to make full use of the gravity gradients information with consideration of filtering cost, stability and modification of the navigation parameters and inertial sensors errors. The investigation in this project is expected to provide technical support for further improvement of underwater autonomous navigation ability.

本项目面向水下高精度自主导航的军事应用需求，拟对重力辅助惯性导航相关基础和关键科学问题展开研究。本项目从惯性导航视角下研究分析重力信息对惯导精度的影响以及提升惯导精度的使用机制。拟开展以下三个方面的研究：（1）研究惯导位置精度对重力扰动获取精度的影响，进而研究重力扰动在惯性基应用领域的补偿机制；（2）研究潜用环境下重力梯度辅助惯导的适应性和优化匹配机制，利用惯性导航领域典型方法和需求来考察重力信息的影响和作用；（3）综合考虑滤波算法计算量、稳定性以及对导航参数及器件误差等全状态的修正，从滤波算法角度最大限度的挖掘重力梯度可用的辅助信息。以期通过本项目的研究为进一步提升我国水下无源自主导航能力提供技术支撑。

本项目面向水下高精度自主导航的军事应用需求，拟对重力辅助惯性导航相关基础和关键科学问题展开研究。针对项目研究内容主要开展了以下研究工作：一是系统分析了重力垂线偏差对惯导对准和解算的影响，给出了实用的垂线偏差补偿方案，并在实际导航装备——双轴旋转调制捷联惯导中进行了实用性验证，有效提升了惯导长航时自主导航精度。二是研究了惯性基组合模式下的重力扰动补偿，以可观测性分析为工具分别研究了惯导/卫导组合模式与惯导/计程仪组合模式下的重力扰动补偿，分析指出重力扰动补偿可以进一步提高组合姿态估计精度。三是研究了UKF为核心的重力信息匹配算法，给出了三种重力梯度辅助导航方案，着重对重力梯度匹配方法进行研究。通过24h船载试验验证了重力信息匹配有效的抑制了惯导误差积累，提升了GNSS拒止条件下惯导系统定位性能，其中量测噪声为1mGal的重力匹配有望实现200m以内的定位误差，量测噪声为0.1E的重力梯度匹配可实现约50m的定位误差。四是针对匹配算法不具有鲁棒性的问题，提出了一种状态扩维的鲁棒UKF算法，有效的缓解了重力信息受测量偏差、野值、混合高斯等有色噪声的干扰，并通过24h船载试验验证了算法的有效性和鲁棒性。