矢量重力测量惯性传感器误差的估计与补偿方法研究

In vector gravimetry, key observation from a strapdown inertial navigation system is the specific force that provides by the accelerometers and gyros. Due to the uncompensated biases in accelerometers and the drifts in gyros, the specific force observations are inevitably affected. Therefore, the estimation and correction for the specific force error is an important issue for vector gravimetry data process. Focusing on such a problem, this research is aimed to estimate and compensate the specific force error by GNSS/SINS Kalman data fusion technology and combining with external GNSS observation. There are some issues that worth looking into in this study, including the error analysis of inertial sensors, and method to estimate and compensate the specific force error, etc. The methods that propose in the research is also to be verified by a field test. This research has its significance for improving the precision of vector gravimetry.

矢量重力测量中一个重要的观测量是比力，它是由捷联式惯性测量系统中的加速度计和陀螺的观测给出的。由于加速度存在零偏，陀螺存在漂移，比力观测将受误差影响。因此对比力观测量的误差进行估计与修正，是矢量重力测量中数据处理中的一个关键技术难点。本项目针对这一难点，将采用GNSS/SINS卡尔曼滤波数据融合技术，研究如何利用GNSS观测，对影响比力测量精度的惯性传感器的误差进行估计与补偿。内容包括惯性传感器的误差分析，矢量重力测量比力误差的估计与修正方法等，并对方法进行试验验证。该项目的研究对提高矢量重力测量的精度具有一定意义。

随着捷联式惯性技术的发展与GNSS全球导航定位系统的成熟，出现了基于捷联式惯性测量系统与差分GNSS组合的重力测量技术。这种技术不需要稳定平台，体积较小且能适应动态观测，不仅能服务于航空重力测量领域，更有可能改变当前地面重力测量逐点式的静态作业方式，开展车载地面动态重力测量来填补陆地动态重力测量的技术空白。. 基于GNSS/SINS的动态重力测量技术中的重要观测量，是由捷联式惯性测量系统中的加速度计和陀螺的观测给出的比力观测。由于加速度存在零偏，陀螺存在漂移，比力观测将受误差影响。本研究针对由惯性传感器引起的比力误差开展了分析，在确定其误差来源、量级与其对重力测量影响的基础上，研究了惯性测量系统比力观测误差的估计与补偿技术，旨在减小惯性传感器误差的影响，提高重力测量的精度。.在项目的研究中，我们建立了卡尔曼滤波数据融合进行比力误差估计的数学模型，通过观测性进行分析，我们认为于加速度计的水平零偏、载体的姿态误差的相互耦合，故无法直接利用GNSS/SINS组合卡尔曼滤波器来对加速度计的零偏、陀螺漂移以及载体的姿态误差分别进行估计；但是垂向加速度计的零偏、失准角与水平加速度计零偏的耦合误差状态和在卡尔曼滤波器中是可观测量，可利用GNSS/SINS的数据融合直接将比力观测误估计出来，而它们恰好构成了SINS观测中的比力误差状态。.我们分别对基于加速度更新的卡尔曼滤波矢量重力测量误差估计方法、基于位置更新的卡尔曼滤波矢量重力测量误差估计方法、基于于位置速度更新的波估计方法开展了模拟测试，结果表明加速度更新的卡尔曼滤波矢量重力测量误差估计方法较为实用。.为开展基于GNSS/SINS组合的重力测量试验，我们建立并改进了车载重力测量平台。通过试验我们认识到：高精度惯性测量系统中的加速度计的漂移是获得稳定的比力观测量的关键因素，当前石英挠性加速度计的温度稳定性的不佳，除了本研究采用的基于GNSS方法的误差估计技术外，在硬件上提供温度补偿，是保证高精度惯性测量系统的观测稳定性不可或缺的重要步骤。. 通过处理GNSS/SINS重力测量数据，我们成功地从SINS/GNSS组合系统的动态观测量中恢复出了扰动重力，并在1.5Km的分辨率上实现了2.0 mGal的扰动重力观测精度。