一种利用引力矢量和梯度张量进行导航定位的方法
【专利摘要】一种利用引力矢量和梯度张量进行导航定位的方法，首先根据事先观测建立目标区域的背景场三维信息数据库，基本元素为各点的位置坐标及引力矢量不变量和引力梯度张量不变量；然后通过引力及引力梯度实时观测计算得到待定位点的三个不变量；接着通过判断解算矩阵是否满秩来判定是否可直接进行导航定位。若能，则通过最小二乘算法迭代计算出待定位点的位置；若不能，则结合惯性导航定位技术进行匹配搜索，通过多次迭代搜索得到待定位点的位置。专利最大的创新之处是采用了引力矢量不变量和引力梯度张量不变量，不仅顾及了引力场信息所有分量的贡献，且上述量均与姿态无关，因此相对于传统算法将大大降低姿态误差的影响。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种利用引力矢量和梯度张量进行导航定位的方法，特别适合于姿态 误差观测较大情况下的重力辅助导航定位。 一种利用引力矢量和梯度张量进行导航定位的方法
【背景技术】
[0002] 相对于当前流行的导航方式（如卫星导航、无线电导航等）而言，重力辅助 惯性导航具有自主性和无源性的特征，这决定了该导航方式在特定情况下具有一定 的优势。重力辅助惯性导航的概念自1975年提出至今，受到许多学者的关注，例如： Metzger 和 Jircitano(Journal of Spacecraft and Rockets, 1976. 13 (6):323-324), Affeck 和 Jircitano(Proceedings of IEEE's Position Location and Navigation Symp〇sium(PLANS)，1990,60-66)均研究了如何利用重力梯度来提高导航定位的精度； Jircitano和Dosch (Institute of Navigation:Proceedings of the Forty-Seventh Annual Meeting，1991，221-229)设计了 一个为水下潜艇进行重力辅助导航的系统GAINS，器件 主要由一个重力梯度仪和垂直重力仪组成；Gleason (Journal of Guidance Control and Dynamics, 1995, 18 (6) : 1450-1458)讨论了梯度导航中的各种实际问题；Jekeli (Journal of Guidance, Control and Dynamics, 2006, 29(3) :704-713)讨论了重力梯度仪对惯性导航 系统的误差补偿问题。在实际应用中，美国BELL实验室研发了重力梯度仪导航系统；同时 美国海军和空军也进行过相应实验，前者主要用于潜艇导航，后者则主要用于机载辅助导 航。在国内利用重力辅助惯性导航也受到了广泛重视。近些年来，许大欣等（大地测量与 地球动力学，2011，31 (1) : 127-131)提出了利用重力垂直梯度进行匹配辅助导航的方法， 并指出利用垂直梯度由于分辨率更高，因此优于基于重力异常的匹配导航；蒋东方等（武 汉大学学报信息科学版，2012, 37 (10) :1203-1206)研究了 ICCP重力匹配算法在局部连续 背景场中的实现，采用BFGS拟牛顿方法实现置信范围内最近等值点精确定位；袁赣南等 (华中科技大学学报（自然科学版），2013, 41(1) :36-40)利用加密的改进ICCP算法提 高了传统算法的精度，削弱了初始点位误差较大情况下的误差传播；哈尔滨工程大学专利 201310690254. 6公开了一种基于改进MSD的重力匹配方法，创新点是在传统算法的基础 上，通过引进位置误差向量和S0R迭代算法，简化了计算，提高了匹配速度；辽宁工程大学 专利201210194633. 1公开了一种人工物理优化粒子滤波的重力梯度辅助定位方法。该发 明通过引入人工物理优化，克服了粒子滤波的粒子退化问题，减少了计算量和迭代次数，通 过不断的更新和递推，使重力梯度辅助惯导系统的位置误差逐渐趋于零；中国人民解放军 海军工程大学专利201210259903. 2公开了一种基于局部重力场逼近的匹配导航方法，该 发明通过获取惯性导航系统指示航迹点处重力异常值，依次采用地形匹配算法和BFGS寻 优实现了匹配定位。上述专利一般均采用重力异常或重力梯度，讨论的重点主要为匹配算 法或背景场模型的建立，对姿态误差的问题较少关注。
[0003] 概括而言，要实现重力自主或辅助惯性导航必须具备三个条件：首先是与重力观 测的相关仪器的研制；其次是高精度的先验重力背景场模型的建立；最后就是重力导航算 法的建立与研制。其中第一个因素，当前已得到快速发展，引力梯度的观测已在舰载、机载 及星载实现；第二个因素得益于各类重力观测技术的发展，全球已经建立了 2000多阶的引 力场模型，分辨达到l〇km，而部分局部重力场模型的分辨率更高；第三个即主要研究如何 利用重力观测来为导航进行服务，当前讨论的重点是导航算法的建立，一般主要利用重力 异常和梯度张量分量来进行匹配辅助惯性导航。利用重力观测来辅助惯性导航的根本原因 是惯性导航由于仪器漂移因子的存在，仅靠惯性手段，导航误差会随时间积累。而究其原 因，惯性仪器的误差根本来源有两个：一是来自加速度计的误差，该仪器主要用以测量重力 以外的加速度；另一个是陀螺仪的误差，该仪器主要用于确定运动及加速度计坐标轴的方 向。易知：方向误差对定位的精度影响极大。
[0004] 由于惯性导航误差的根本来源为仪器的观测误差，因此方向误差必是其中的重要 来源之一。而当前所广泛采用的利用重力或重力梯度来辅助惯性导航的方法中，所采用的 匹配量同样需要方向信息，因为引力矢量、引力梯度张量在不同的坐标系下，其各分量值会 有显著差异。因此，利用传统的重力或重力梯度来辅助惯性导航的方法将不能有效消除惯 性导航定位误差中源自姿态误差的那部分影响。
【发明内容】
[0005] 本发明解决的技术问题是：克服姿态观测误差较大时的惯性导航定位瓶颈，提出 了一种利用引力矢量和梯度张量进行导航定位的方法，该方法具有姿态观测误差零影响的 特点，有很好的可行性，定位精度高，可为特殊情况下的导航定位提供方便。
[0006] 本发明的技术方案是：一种利用引力矢量和梯度张量进行导航定位的方法，步骤 如下：
[0007] 1)通过事先已有观测，建立目标区域的背景场三维信息；所述的背景场三维信息 包括三个不变量，即引力矢量不变量、两个引力梯度张量不变量；目标区域中每个点均拥有 上述三个不变量；
[0008] 2)通过实时观测得到待定位点的引力矢量和引力梯度张量，并计算出待定位点所 对应的三个不变量；
[0009] 3)对步骤1)获得的背景场三维信息模型函数求偏导，得到解算矩阵，检验该解算 矩阵是否满秩；当解算矩阵满秩时，表明目标区域可直接定位，则进入步骤4);当解算矩阵 不满秩时，表明目标区域不可直接定位，则跳转至步骤5);
[0010] 4)利用实时重力和梯度张量观测信息、背景场三维信息及解算矩阵，进行迭代计 算，直至得到待定位点的位置；重复步骤2)至步骤4)得到多个待定位点的位置，进而得到 连续的导航轨迹；
[0011] 5)结合惯性导航，利用观测获得的三个不变量在航行轨迹附近与背景场三维信息 进行搜索匹配，获得新的航行轨迹，并在该新的航行轨迹附近进行重新搜索，直至利用新的 航行轨迹与背景场三维信息确定出的三个不变量，与观测获得的三个不变量之间的差异满 足阈值时，结束并退出。
[0012] 步骤1)中建立目标区域的背景场三维信息的具体形式为：
【权利要求】
1. 一种利用引力矢量和梯度张量进行导航定位的方法，其特征在于步骤如下： 1) 通过事先已有观测，建立目标区域的背景场三维信息；所述的背景场三维信息包括 三个不变量，即引力矢量不变量、两个引力梯度张量不变量；目标区域中每个点均拥有上述 三个不变量； 2) 通过实时观测得到待定位点的引力矢量和引力梯度张量，并计算出待定位点所对应 的三个不变量； 3) 对步骤1)获得的背景场三维信息模型函数求偏导，得到解算矩阵，检验该解算矩阵 是否满秩；当解算矩阵满秩时，表明目标区域可直接定位，则进入步骤4);当解算矩阵不满 秩时，表明目标区域不可直接定位，则跳转至步骤5); 4) 利用实时重力和梯度张量观测信息、背景场三维信息及解算矩阵，进行迭代计算，直 至得到待定位点的位置；重复步骤2)至步骤4)得到多个待定位点的位置，进而得到连续的 导航轨迹； 5) 结合惯性导航，利用观测获得的三个不变量在航行轨迹附近与背景场三维信息进行 搜索匹配，获得新的航行轨迹，并在该新的航行轨迹附近进行重新搜索，直至利用新的航行 轨迹与背景场三维信息确定出的三个不变量，与观测获得的三个不变量之间的差异满足阈 值时,结束并退出。
2. 根据权利要求1所述的一种利用引力矢量和梯度张量进行导航定位的方法，其特征 在于：步骤1)中建立目标区域的背景场三维信息的具体形式为：
其中Λ θ、Λ λ为搜索点与起始点的余纬和经度之差，Λ g、Λ B、AC则分别对应搜索 点的不变量与实际观测计算得到的不变量之差；P e、Ρλ、Pg、PB、P。是为了统一量纲所采用的 归一化因子，其中Ρ 0、Ρλ取搜索区域的余纬、经度最大差值；。、^、匕取引力信息背景场对 应元素的标准差；ω 0、ω λ、cog、ωΒ、ω。为权函数；所述的搜索点指航行轨迹附近的某点； 所述起始点的初值第一次由惯导提供确定，此后由确定出的新的航行轨迹提供确定； 53)根据步骤52)计算得到惯导提供的航行轨迹上各点的匹配函数d，找出各点最小匹 配函数d对应的搜索点；利用找出的搜索点确定出新的轨迹，通过二次多项式拟合排除新 的轨迹中的异常点，该异常点的定位由二次多项式拟合计算得到；然后将排除异常点后新 的轨迹作为新的航行轨迹，并跳回步骤52)重新进行搜索，直至确定出的航行轨迹各点的 最小匹配函数d与上一次所得航行轨迹对应点的最小匹配函数d之差满足收敛阈值时，结 束并退出。
【文档编号】G01C21/16GK104061932SQ201410256150
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年6月10日 优先权日:2014年6月10日
【发明者】万晓云, 于锦海, 李孟晓, 刘波, 范达, 薛明 申请人:中国空间技术研究院