重力稳定平台水下自主式姿态确定机理研究

Gravity field is one of the most basic physical fields of the earth. The accurate determination of the earth's gravity field is of fundamental and strategic significance for our country and human-beings. Underwater gravity measurement can provide data support for high-precision gravity-aided navigation of strategic nuclear submarines, so it plays a special role in the field of gravity measurement. But, so far, high-precision underwater gravity measurement is still a recognized difficult problem. One key reason is that the underwater vehicle can’t receive satellite or radio signals effectively, so the attitude errors of gravity measurement stabilized platform can’t be suppressed using the above information and the vertical precision of the gravity sensor is not guaranteed. So research on autonomous attitude determination mechanism of gravity measurement platform, which is not dependent on the outside information, is of great importance for underwater gravity measurement. In view of this problem, research work will be carried out into the following three aspects: (1) “dual speed” attitude determination mechanism of gravity measurement stabilized platform based on redundant inertial information; (2) attitude determination mechanism of gravity measurement stabilized platform based on “dual model” calculation; (3) Involved initial alignment of gravity measurement stabilized platform based on “dual inertial navigation system”.

地球重力场是地球最基本的物理场之一，精确确定地球重力场对于人类和国家都具有基础性和战略性意义。水下重力测量可以为战略核潜艇的高精度重力辅助导航提供重要的数据支撑，在重力测量领域有其特殊的地位。但是，到目前为止，水下高精度重力测量仍是一个公认的难题。其中一个关键的原因是载体在水下难以有效接收卫星或无线电信号，重力测量稳定平台不能使用上述信息进行姿态误差自校正，导致重力传感器的垂直度得不到保证。因此，研究不依赖外界信息的自主式重力稳定平台姿态确定机理对于水下重力测量至关重要。着眼于该问题，本项目拟从对下三个方面开展研究：（1）基于冗余惯性信息的重力稳定平台“双速”姿态确定机理；（2）基于“双模”解算的重力稳定平台姿态确定机理；（3）基于“双惯导”的重力稳定平台动态牵连启动机理。

地球重力场是地球最基本的物理场之一，它反映了地球固有的、本质的和基础的信息。精确确定地球重力场对于人类和国家都具有基础性和战略性意义；它是直接、客观和全面地了解地球的发展、运动和变化的关键，同时也为大地水准面测量、水下辅助导航、资源勘探科学领域提供重要支撑。水下高精度重力测量是重力测量领域的一个难题，其主要原因之一是载体在水下难以有效接收卫星或无线电信号，重力稳定平台难以使用外部辅助信息进行姿态误差修正。本项目立足于解决水下高精度重力测量问题，以纯惯性状态下重力稳定平台姿态基准的高精度确定为切入点开展了研究工作。主要研究内容包括：（1）新体制重力稳定平台姿态确定原理研究，设计了新体制重力稳定平台，既可以充分利用捷联惯导系统和捷联罗经系统的力学编排，又可以充分发挥捷联系统的算法灵活性，同时对重力稳定平台姿态确定问题与IMU姿态确定问题的一致性进行了分析；（2）基于“双模”解算的重力稳定平台姿态确定机理研究，在同一IMU中建立两条解算回路，其中一条回路基于捷联惯导力学编排正常解算，另一条回路在某一阶段基于虚拟拓展更新周期进行解算，使得两个回路误差特性产生相位差，从而通过数据平均抑制IMU的姿态解算误差，进而实现重力稳定平台的高精度姿态确定；（3）基于“双惯导”的重力稳定平台动态牵连启动机理研究，根据陀螺常值漂移对SINS解算误差的影响，建立了PSO算法的适应值函数，在此基础上基于主惯导的数据，通过PSO算法智能地搜索估计重力稳定平台IMU的陀螺常值漂移并进行补偿，从而提升重力稳定平台姿态精度。研究成果一方面可以直接提升水下重力测量精度，另一方面可以为提升载体纯惯性导航精度和推动重力匹配导航工程实现提供理论支撑。