利用GPS确定航空重力测量载体运动状态的理论与方法

【类型】学位论文

【作者】肖云 

【关键词】 航空重力测量 动态GPS 速度 加速度

【摘要】地球重力场在人地测量学、地球物理学、地球动力学、海洋学和空间科学等领域。占有重要的地位，例如在人地测量方面，重力场用于确定地球形状和高程基准、在空间科学中，地球重力场信息用于卫星精密轨道的测定、在国防中，重力场信息为远程武器的精确打击服务等等。由于上述原因，获取重力场信息的重力测量方法也在不断发展，由传统的地面重力测量技术到航空重力测量技术、卫星重力测量技术。航空重力测量技术在恢复地球重力场的中高频信息中起着重要的作用，而且在人力、物力、作业便利方面较经典的地面重力测量均具有一定的优越性。9O年代期间这一技术在国外逐渐发展成熟，国内尚处丁。研制阶段。 航空重力测量是以飞机为载体，综合应用重力仪、GPS、测高仪以及姿态确定设备测定近地空中重力加速度的重力测量方法。它可以快速获取分布均匀、精度良好、大面积的重力场信息，而且能够在一些难以实施地面重力测量的特殊区域如沙漠、冰川、沼泽、原始森林等进行作业。按照测量值的类型不同，它可以分为航空矢量重力测量和航空标量重力测量，本文只讨论后者。 航空标量重力测量的基本原理如图a所示： 图中，G是重力仪的测量值，g是我们欲求的重力加速度， alpha _v包括由于飞机运动等因素造成的垂直方向的扰动加速度、厄特弗斯改正等扰动项，三者关系式是G=g+ alpha _ v 。alpha _ v中的垂直扰动加速度项可以借助一些设备例如GPS、测高仪、姿态仪等进行确定，厄特弗斯改正在飞机速度已知的假设下按公式计算，这样就可以解算出空中点的重力加速度g，然后按照一定的延拓方法归算到地面，得到地面相应点的重力值，这就是航空重力测量的基本原理。 由以上讨论可知，运动载体的导航信息(位置、速度、加速度)的确定是航空重力测量中的关键技术之一，本文的重点是利用动态差分GPS技术解决载体位置、水平速度和垂直加速度的确定问题。 航空重力测量系统中涉及了多种设备，各种设备使用了适合本系统的不同坐标系，例如GPS按照广播星历计算载体坐标、速度及加速度的结果是在WGS-84坐标系下，而重力仪的测量值在载体水平坐标系下等等。数据联合处理时需要将不同的坐标系的测量值归算到同一坐标系下，另外自行设计的VAES(Velocity and Acceleration Estimation System)软件解算出来的速度和加速度均在WGS-84坐标系下，要转化到载体水平坐标系下，这就需要速度、加速度在以上两个坐标系转化的数学模型。因此第二章首先介绍了航空重力测量中常用的坐标系及相互之间的转化关系，然后由坐标系关系式出发，推导了速度、加速度在空间直角坐标系和载体水平坐标系之间转化关系式，用实际数据检验了其止确性。在以后章节中要经常用到这些关系式。 第三章在国内外相关研究的基础上，由牛顿第二运动定理出发推导了航空 矢量重力测量的基本关系式，取出垂直分量就得到了航空标量重力测量的基本关系式。为了分析其误差来源及量级，对基本关系式微分得到了误差模型，估计各项误差的量级，推导了毫伽级重力测量对GPS导航数据的精度要求。 第四章是重点、核心章节，主要解决飞机位置、水平速度、垂直加速度确定的问题。在国内外研究成果的基础上详细讨论了多种由GPS原始观测数据计算飞机位置、速度和加速度的方法，严密地推导了各方法的数学模型，分析了 各方法理论上所能达到的精度，比较了各种方法的优缺点，为后续的计算工作奠定了坚实的理论基础。 避开国际常用的位置求导以确定速度、加速度的方法，利用基于GPS相位率、相位加速度解算载体速度、加速度方法编制了载体速度、加速度解算软件VAES(包含伪距差分定位功能)，在第五章中使用该软件对某航空摄影测量数据进行了处理，得到了可靠的、理想的、较高精度的结果。动态环境下，位置精度为5～6m；水平速度的精度达到5～6mm／s；120s平滑后的垂直加速度精度达到2～3mga1，满足航空重力测量的精度要求。 本文的技术进步点： 1 在国内外相关文献的基础上由牛顿第二运动定律出发详细推导航空重力测量的基本关系式，并且分别从系统、信号处理、测量等不同的角度对基本关系式进行了全面的阐述和解释。 2 对速度、加速度的不同计算方法进行比较，给出了不同方法的优缺点。 3 使用了 Fortran 语言，编制了速度、加速度解算软件VAES，它具有很高的效率，分为三模块，分别为伪距差分定位模块、速度计算模块、加速度确定模块。 4 对数据处理结果进行分析，对结果异常现象给出解释。 5 得到了满足航空重力测量精度要求的速度、加速度结果。后续工作： 1 由丁时间、精力的关系，研究过于集中于问题的解决上，其成果仅限于应用在研究方向上，其普遍化还需要一个过程。 2 软件 VAES 使用的是基于DOS的 Fortran 语言，较Windows 程序未有友好的界面，而且定位模块存在不具有载波相位定位的功能，定位精度不高等等一些缺点，有待于进一步改正和完善。 3 本文使用的数据是与航空重力测量相似的航空摄影测量数据，其测线较短，与实际的重力测量不符，这给数据处理和精度估计带来了困难。

【学位名称】硕士

【学位授予单位】武汉大学

【学位授予年度】2016

【导师姓名】李征航，夏哲仁，杜道生

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