重力/重力梯度补偿水下惯性导航系统理论和算法研究

To improve the concealing and surviving ability,submarines need high performance navigation system with long time,deep depth and high precision characteristics.The conventional INS adopts normal gravity for real gravity,which is difficult to meet the application need of submarines.By making use of computed or mesured gravity/gradient,seperating gravitational force, the computed errors caused by the uncorrected INS position errors can be avoided.Starting from the second order differential equations of accelerations, this application will investigate the effects of marine gravity variations to INS, investigate state variable model and Kalman filter theory of gravity data.To convert gravity data into gravity gradient data,the potential conversion theory and algorithms will also be studied.The availability and usability of these converted gradient data on INS will be analyzed. The theoretical investigation and algorithm of gravity gradient data corrections to INS.Meanwhile,data fusion theory on the INS and actual marine gravimeter will be established.These investigations above will build a new direction for the use of gravity data and possess a certain pioneer sprit.The programme will significantly extend the underwater alighment period of INS and is very important of its theoretical meaning and military application.

为了提高自身的隐蔽性和水下生存能力，潜艇需具备长航时、大潜深、高精度的导航定位能力。使用正常重力模型以代替实际重力的传统惯导已难以满足潜艇的应用需求。使用计算的或实测的重力/重力梯度值，从中分离引力加速度，可以避免因惯导位置不准确所带来的计算误差。本项目以海洋重力数据为基础，结合惯性导航系统的加速度二阶微分方程组，利用Laplace状态空间法和Kalman滤波理论，研究重力补偿惯性导航系统的理论和算法；研究利用重力异常计算重力梯度的位场转换理论和算法；研究各类重力梯度校正惯性导航系统的有效性和可用性；研究利用重力梯度数据校正惯性导航系统的理论和算法。同时研究在水下惯性导航系统中装备海洋重力仪，利用实测重力数据校正惯性导航系统的数据融合理论和数据处理技术。本研究将在重力测量数据应用方面开辟一个新的方向，在国内具有一定的首创性，对提高水下惯性导航系统的定位性能具有重要的理论意义和军事应用价值。

本项目以海洋重力数据为基础，建立了重力、重力梯度补偿水下惯性导航等理论和算法体系，取得的研究成果主要有：（1）设计了水下实测重力数据处理流程方案，建立了利用多种数据计算重力垂直梯度和重力异常计算重力异常垂直梯度理论模型：（2）基于球谐模型给出了高精度重力矢量的具体计算方法，分析了重力误差对惯导对准和解算的影响，建立了水下重力补偿惯性导航理论模型；（3）设计了一种基于连续重力梯度背景场的ICCP匹配新算法，给出了一种基于重力梯度特征参数信息熵的可导航性评估方法，提高了重力梯度辅助导航系统的定位精度和可靠性；（4）进行了水上和水下装置加装海洋重力仪试验，获得了实测数据，对本项目的部分理论模型进行了验证；（5）研究了水下质体引力效应与测高重力中央区效应，为构建水下局部高精度重力场提供了基础；（6）提出了一种基于横向或向上速度始终接近于零的多普勒速度测井异常值检测与隔离方法，设计了一种多普勒速度测井辅助捷联惯导系统的姿态确定方案，航向角误差和垂向陀螺零偏的收敛速度得到了显著改善。项目相关成果可应用于水下长航时高精度惯性导航、水下安全航行和局部高精度重力场恢复等领域中。