重力测量平台自主式高精度初始对准方法研究

High precision gravity measurement will be benefit for resource exploration, high precision inertial navigation, gravity matching navigation and so on. The gyro stabilized platform is an important part of platform gravity measurement system, which can also be called as a gravity measurement platform. Its main function is to provide a horizontal datum for the gravity sensor. The initial alignment of the gravity measurement platform is to determine the attitude relationship between the platform and the local geographic frame, and then drive the platform to track the geographic level. High precision initial alignment is the prerequisite for high precision attitude determination of the platform and high precision gravity measurement. At present, the gravity measurement platform needs the assistance of the Global Navigation Satellite System to achieve a high precision attitude initial alignment. For the underwater environment and some on-land environment where the GNSS signal is not available, the high precision attitude initial alignment of gravity measurement platform is still a problem. In view of this, this project intends to study the autonomous initial alignment problem of gravity measurement platform. The design idea of gyro stabilized platform will be overturned and the strap-down inertial measurement unit will be chosen as the core sensor. On this basis, autonomous initial alignment mechanism which is suitable for the gravity measurement platform will be studied, by making full sure of the data processing ideas, such as data reuse and revolution-modulation. And then, enrich and perfect the theoretical system of initial alignment of the newly designed gravity measurement platform.

重力场的精确测量对于资源勘探、高精度惯性导航以及重力匹配导航等领域具有重要意义。陀螺稳定平台是平台式重力测量系统必不可少的组成部分，也可称之为重力测量平台。其功能是为重力传感器提供稳定的水平基准。重力测量平台的初始对准即确定平台台面与当地地理坐标系的姿态关系，进而驱动平台逼近地理水平面。高精度初始对准是保证平台水平精度和重力测量精度的前提。目前，重力测量平台一般都需要卫星导航信号的辅助才能实现高精度动态初始对准。而对于水下环境或卫星信号受到遮蔽的陆上环境，平台的自主式高精度初始对准问题仍是亟待解决的难题。针对这一问题，本项目拟围绕重力测量平台的自主式初始对准问题进行研究，改进传统陀螺稳定平台的设计思路，以捷联式惯性测量组件作为核心传感器；在此基础上，充分利用数据复用、旋转调制等数据处理思想，探索研究与重力测量平台特点相契合的自主式初始对准机理，完善新型重力测量平台初始对准的理论体系。

重力场的精确测量对于资源勘探、高精度惯性导航以及重力匹配导航等领域具有重要意义。目前，国际上主要的动态重力测量系统采用平台式重力仪。其中，重力测量平台是重力测量系统的重要组成部分，其主要功能是保证重力传感器的垂直指向，隔离载体角运动对重力测量的影响。重力测量平台的水平姿态精度将直接影响重力测量精度。.目前，重力测量平台一般都需要GNSS信号的辅助才能实现高精度姿态确定。对于水下环境，重力测量平台的高精度姿态确定问题仍是一个难题。本项目针对自主式重力测量平台高精度初始姿态确定问题开展研究。主要内容包含：.（1）基于罗经速度降噪的自主式初始对准算法.在一台IMU上建立了两条解算回路，其中一条回路通过动基座罗经水平对准对自主式测速设备输出的速度信息进行降噪；另一条回路为基于优化对准的姿态确定回路，利用连续向量观测求得IMU的初始姿态；最后，再通过优化得到的姿态将载体系速度分解到导航坐标系，完成姿态和位置的初始确定。通过实测数据试验对算法的有效性进行了验证，结果表明，该算法能有效实现IMU自主式快速初始对准。.（2）基于逆向优化解析的自主式初始对准算法.将回溯导航理论引入优化对准过程中，通过逆向优化对准，求解IMU当前时刻的姿态矩阵。相对于传统正向优化对准，逆向对准算法避免了优化解析结束之后的姿态更新过程，从而一定程度上抑制了惯性器件随机噪声对初始精度的影响。通过实测数据试验验证了该算法相对于传统正向优化对准算法的优势。.（3）基于遗传算法的自主式精对准算法.针对IMU罗经精对准方法中存在的最优参数难以确定的问题，分别提出了基于遗传算法的优化罗经对准方法和优化变参数罗经对准算法。通过实测数据对所提算法的有效性进行了验证，结果表明，遗传算法能有效整定出罗经回路的最优参数，由此得到的对准结果较之传统方法有较大改善；通过对罗经回路参数变化模型进行优化，提升了变参数罗经对准的稳定性和实用性。

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