海洋重力辅助导航的研究现状与发展_徐遵义

第22卷　第1期

地　球　物　理　学　进　展

Vol.22　No.12007年2月(页码:104～111)

PRO GRESS IN GEOP H YSICS

Feb.　2007

海洋重力辅助导航的研究现状与发展

徐遵义1,2,　晏　磊2,　宁书年1

,　邹华胜1

(1.中国矿业大学(北京),北京100083;

2.北京大学遥感与GIS 研究所,北京市空间信息集成与3S 应用重点实验室,北京100871)

摘　要　海洋重力辅助导航是近几年舰船导航研究的热点和前沿问题,是下一代舰船高精度导航系统.本文在进行了一般性辅助导航方法的概述之后,详细介绍了与辅助导航相关的重力场基本概念、重力辅助导航系统的主要研究内容、基本原理;从重力传感器、重力图数据处理及重力图匹配理论与算法三个方面详细介绍了其国内外研究现状,重点介绍了重力梯度仪辅助导航、重力辅助惯性导航和通用重力模块三种系统的体系结构和研究成果;总结了重力辅助导航涉及的关键技术及其发展趋势;最后给出了我国开展海洋重力辅助导航研究的若干建议.关键词　重力传感器,重力导航,无源导航,卡尔曼滤波

中图分类号　P3,TJ 6 文献标识码　A 文章编号　100422903(2007)0120104208

Situ ation and development of m arine gravity

aided navigation system

XU Zun 2yi 1,2,　YAN Lei 2,　N IN G Shu 2nian 1,　ZOU Hua 2sheng 1

(1.China Universit y of Mining &Technolog y (B ei j ing ),B ei j ing 100083,Chi na;

2.Bei j ing Key L ab of S patial I nf ormation I nteg ration and Its A p plications ,Peking Universit y ,Bei j ing 100871,China )

Abstract Passive Gravity Aided Navigation (GAN )system is a new type one underwater ,which has been researched for several years as new submarine precision navigation system.In this paper ,we introduce the main research content and the basic principle of GAN ,the situation and development of the gravity sensor ,digital map processing and matc 2hing theory in home and abroad ,especially the architecture and the research results of Gradiometer As an External Navigation Aid (GA EA ),Gravity Aided Inertial Navigation System (GA INS )and Universal Gravity Module (U GM ).At last ,the key technologies and some proposals are given.

K eyw ords gravity sensor ,gravity navigation ,passive navigation ,kalman filter

收稿日期　2006203210;　修回日期　2006206220.基金项目　国家安全重大基础研究项目(513060301)资助.

作者简介　徐遵义,1969年12月,男,汉族,山东济宁人,博士生,主要研究方向计算机仿真、地球探测与信息技术,中国矿业大学(北京);

晏磊,1956年10月,男,湖北武汉人,教授,博士生导师,主要研究方向导航与自动控制,北京大学遥感与GIS 研究所.(E 2mail :

zunyixu @ )

0　引　言

目前,水下运载体的主要导航系统普遍采用惯

性导航系统(Inertial Navigation System ,INS ),为减少INS 定位误差随时间积累的问题,人们研究设计了多种辅助导航方法,定期对INS 进行修正,常用的有天体辅助导航、无线电辅助导航(如GPS )、声纳辅助导航、地形辅助导航等,但上述辅助导航手

段均要牺牲水下运载体的隐蔽性,使其安全受到威

胁,有的还要额外消耗水下运载体的大量能量.重力辅助导航是利用重力传感器测量地球重力场,根据地球重力场的变化进行定位,不需要发射和接收其它电磁信号,是真正的无源导航,成为近年舰船导航领域研究的热点和前沿

1　重力辅助导航的基本原理

重力场是一种力场,存在于地球表面及其附近

1期徐遵义,等:海洋重力辅助导航的研究现状与发展

的空间,通常用重力位面(又称等位面或水准面)来描述,处于平均海平面的重力位面称为大地水准面,用于辅助导航的重力场几何参数有垂线偏差、重力异常和重力梯度[1].垂线偏差又称重力垂线偏差,是大地水准面上某点的重力方向与通过该点到正常椭球面的法线方向之间的夹角,通常用ξ(南北分量)和η(东西分量)表示;重力异常是指大地水准面上某点的重力与该点在正常椭球面投影点处的正常重力之差,通常用Δg 表示,标准计量单位为伽(Gal ,1Gal =10-2m/s 2,1Gal =103m Gal =106μGal ).

重力异常梯度张量与扰动重力位有关.扰动重力位是指同一点上地球重力位与正常位之差,通常用T 表示,即

T =W -U ,

(1)

式中W 为重力位,U 为正常重力位.重力扰动向量

T i 和重力异常梯度张量T ij 在采用东、北、地的导航

坐标系中定义为[2,3]

T i =

5T 5x 5T 5y 5T

5z =

-g 0ξ-g 0ηΔg ,

(2)

T ij =

52T 5x 2

52T 5x 5y 52T 5x 5z 52

T 5y 5x

52

T y 2

52

T 5y 5z

52T 5z 5x 52T z y 52T 5z 2

.

(3)

重力梯度的单位为艾维(E 或EU ,1E =

10-9/s 2,1E =10-4m Gal/m =10-1μGal/m ).

在INS 中,陀螺稳定平台上的加速度计测量的是比力,即惯性加速度与重力向量之差,为了区分载体运动的惯性加速度和重力加速度,惯性导航仪器必须有重力场的数学模型,传统INS 重力计算如图1所示[12].目前,重力异常是高性能INS 的最大剩余误差,对于水面舰船,重力异常分量约有30～50m Gal 的偏差.因此,为了提高INS 的精度,

除不断改进重力场数学模型外还希望能实时测量舰船所在位置的重力场值.

图1　传统惯性导航系统中重力的计算

Fig.1　Gravity computation in a conventional

Inertial navigation system

重力辅助导航系统的基本原理[4～5]是:载体在运动过程中,重力传感器实时测量重力特征数据;同时,根据INS 的位置信息,从重力图中读取重力数据;将这两种数据送给匹配解算计算机,利用匹配解算软件进行解算,求得最佳匹配位置.利用该信息对INS 进行校正,可起到抑制INS 误差,提高导航精

度的作用.重力图形匹配导航系统通常由INS 、重力图库、重力传感器和匹配解算计算机等组成,如图2所示.重力辅助导航的主要研究内容包括动基座重力仪、重力梯度仪的设计与制造,重力场模型和重力数据处理,重力图匹配理论与匹配算法以及各种系统误差的校正理论与方法.

重力辅助导航方式之一是利用水下运载体上安装的测深仪和重力计为测量设备,根据实时获得的重力异常与载体上保存的重力异常海图进行匹配[10],利用扩展卡尔曼滤波实时估计载体位置,其度量函数为:

y 1=G (x t ,y t )-G M (x i ,y i ),

(4)

式中,G (x t ,y t )为水下运载体在真实位置(x t ,y t )处重力异常测量值,G M (x t ,y t )为与(x t ,y t )对应的INS 指示位置(x t ,y t )处重力异常地图值,由于y 1

与位置(x ,y )是非线性关系,可利用泰勒级数展开,

或者将其进行线性近似为

y 1=h (x ,y )+ε,

(5)

式中,ε为测量和海图等模型误差,则有

y 1≈

5G M (x ,y )

5x

|

x =x i

×

Δx i +

5G M (x ,y )

5y

|

y =y ×

Δy +ε.(6)

图2　重力辅助导航系统

Fig.2　Gravity aided navigation system (GANS )

5

01