航空矢量重力数据处理及误差补偿研究

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1、分类号:P2210710-2015126031硕士学位论文航空矢量重力数据处理及误差补偿研究郭栋导师姓名职称孙中苗研究员申请学位类别硕士学科专业名称大地测量学与测量工程论文提交日期2018年4月16日论文答辩日期2018年6月5日学位授予单位长安大学ResearchonAirborneVectorGravityDataProcessingandErrorCompensationAThesisSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：GuoDongSupervisor：Prof.SunZhongm

2、iaoChang’anUniversity,Xi’an,China摘要捷联式GNSS/INS组合航空重力测量系统集聚体积小、重量轻、可靠性高等优势，且可有效获取高精度、中高分辨率重力场信息。本文对我国自主研制的捷联式航空重力测量系统的原始观测数据进行处理，估算重复测线的重力扰动矢量，并评定其内符合精度。主要工作和结论如下：1.基于牛顿第二运动定律，详细推导了捷联式航空矢量重力测量的数学模型，分别给出惯导系统在当地水平坐标系和惯性坐标系下的力学编排。2.详细介绍了航空重力测量数据处理的数学模型及误差分离方法，包括巴特沃斯低通滤波，波

3、数相关滤波，比力线性校正和小波阈值滤波。3.静态情况下精确解算惯导姿态角分为两个阶段。粗对准阶段，利用平均法低通滤波先除去惯性器件输出量中的高频噪声，然后用九参数最小二乘法粗略地估计出惯导的姿态角；在精对准阶段，利用基于速度更新的卡尔曼滤波方法估计出惯导系统的姿态角误差并修正。计算结果表明，初对准阶段姿态角收敛较快，3s内基本达到稳定；精对准结束后，两阶段估计的航向角、俯仰角、横滚角分别相差约28″、1.8″和3.6″。4.在当地水平坐标系下利用基于位置、速度更新的卡尔曼滤波方法对捷联式GNSS/INS组合观测数据进行处理，经过用

4、低通滤波器降噪处理，获得一定分辨率的重力扰动矢量。然后，利用波数相关滤波（WCF）、比力线性校正的方法对重力扰动的水平和垂向分量进行误差补偿，并评定重复测线的内符合精度。结果表明：在半波长分辨率为7.5km时，6条重复测线的重力扰动水平分量经波数相关滤波处理后，东、北向分量的平均内符合精度分别从9.77mGal、9.18mGal提高到5.95mGal、3.83mGal；对比力的垂向分量线性校正后，将解算的重力扰动垂向分量再用WCF方法处理，其平均内符合精度从1.27mGal提高到0.59mGal。5.在惯性坐标系下利用基于加速度更

5、新的卡尔曼滤波方法对重力扰动的垂向分量进行估计，并与当地水平坐标系下估计的重力扰动垂向分量进行比较。结果表明，惯性坐标系下基于加速度更新的卡尔曼滤波方法比当地水平坐标系下基于位置、速度更新的卡尔曼滤波方法模型简捷且重力扰动的估算精度相当，即在半波长分辨率为7.5km时，6条重复测线重力扰动差值的标准差平均分别为1.21mGal和1.27mGal；对于相同的测线，两种方法计算得到的重力扰动差值的标准差平均为0.65mGal；两种方法求得的重力扰动中都存在明显的系统误差，将其按时间进行线性补偿后明显减小，测线间的最大I差值分别由8.2

6、0mGal、8.19mGal减小到2.70mGal、2.54mGal，平均内符合精度分别从1.21mGal、1.27mGal提高到1.06mGal和1.10mGal。6.利用改进的小波阈值函数对原始重力扰动的垂向分量进行滤波处理，并与强制去噪法和软硬阈值去噪法的处理结果进行比对。结果表明，利用改进阈值函数去噪的效果最佳；当小波分解到第9层时，db8、db9和sym7小波的降噪效果比较理想，3条重复测线扰动重力的平均内符合精度可分别达到1.05mGal、1.15mGal和1.13mGal，且与利用截止频率为0.004Hz的巴特沃斯低

7、通滤波器的处理结果相当。关键词：航空矢量重力测量，卡尔曼滤波，低通滤波，重力扰动，内符合精度IIAbstractStrapdownGNSS/INScombinedairbornegravimetrysystemhastheadvantagesofsmallvolume,lightweightandhighreliability,anditcaneffectivelyacquirehigh-precision,mediumandhighresolutiongravityfieldinformation.Inthispaper,the

8、originalobservationdataofthestrapdownairbornegravimetrysystemdevelopedbyChinaisprocessed,andthegravitydisturbancevectorofthe