本發(fā)明涉及一種用于動(dòng)基座重力儀的動(dòng)態(tài)精度評估方法，屬于航空航天高精度慣性儀器的測試技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

發(fā)達(dá)國家掌握著航空、海洋、衛(wèi)星等重力測量技術(shù)、儀器、重力場數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用技術(shù)，其尖端技術(shù)、儀器對我國實(shí)行封鎖。我國重力測量技術(shù)現(xiàn)狀遠(yuǎn)不能滿足國防安全、國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)及地球科學(xué)研究對精密重力測量的迫切需求。近年來，國內(nèi)部分高校和科研院所在這一領(lǐng)域進(jìn)行了研究，并形成了原理樣機(jī)。由于國外的技術(shù)封鎖，并不清楚國外對于儀器精度的評估方案。國內(nèi)動(dòng)基座重力儀精度評估多采用海洋或航空測量以交叉點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)差評估內(nèi)符合精度。但該方法試驗(yàn)成本太高，在地面試驗(yàn)對于重力測量儀器尚沒有好的評估方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種用于動(dòng)基座重力儀的動(dòng)態(tài)精度評估方法，通過將捷聯(lián)式動(dòng)基座重力儀安裝于特殊設(shè)計(jì)的試驗(yàn)車上，并選擇合適的試驗(yàn)路段進(jìn)行往復(fù)跑車測量，通過對比在同一路段上的多次重力異常值，可以實(shí)現(xiàn)捷聯(lián)式動(dòng)基座重力儀內(nèi)符合精度的準(zhǔn)確、有效評估，且方法簡單，易于實(shí)現(xiàn)，成本低，效率高。

本發(fā)明的上述目的主要是通過如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的：

一種用于動(dòng)基座重力儀的動(dòng)態(tài)精度評估方法，包括如下步驟：

(1)、在地面架設(shè)差分GPS基站系統(tǒng)，所述GPS基站系統(tǒng)包括第一GPS接收機(jī)、第一GPS天線、第一記錄設(shè)備和第一電源；

(2)、將動(dòng)基座重力儀安裝于減震架的減震器上，減震架固定連接在試驗(yàn)車地板上，

(3)、安裝地面差分GPS移動(dòng)站系統(tǒng)，所述GPS移動(dòng)站系統(tǒng)包括第二GPS接收機(jī)、第二GPS天線、第二記錄設(shè)備和第二電源，其中，第二GPS天線固定安裝在試驗(yàn)車的頂部，與動(dòng)基座重力儀的相對位置保持不變；

(4)、對動(dòng)基座重力儀在校準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行靜態(tài)前校，并在選取的試驗(yàn)路段進(jìn)行試驗(yàn)車的跑車試驗(yàn)，即：使試驗(yàn)車從校準(zhǔn)點(diǎn)出發(fā)，到達(dá)試驗(yàn)路段的另一端后，轉(zhuǎn)彎并沿原路返回至校準(zhǔn)點(diǎn)，之后在校準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行靜態(tài)后校，完成一次閉環(huán)測量；

(5)、重復(fù)步驟(4)，形成至少2次閉環(huán)測量，每次閉環(huán)測量得到一組動(dòng)基座重力儀(1)記錄的試驗(yàn)車(3)的速度增量和角速度增量，并發(fā)送給第二記錄設(shè)備；

(6)、根據(jù)所述至少兩組試驗(yàn)車(3)的速度增量、角速度增量以及第一記錄設(shè)備、第二記錄設(shè)備記錄的數(shù)據(jù)，計(jì)算得到至少兩組重力異常值；其中第一GPS接收機(jī)從第一GPS天線接收數(shù)據(jù)并發(fā)送給第一記錄設(shè)備，第二GPS接收機(jī)從第二GPS天線接收數(shù)據(jù)并發(fā)送給第二記錄設(shè)備；

(7)、根據(jù)所述至少兩組重力異常值計(jì)算動(dòng)基座重力儀的內(nèi)符合精度，并將所述內(nèi)符合精度與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，若滿足閾值要求，則表明動(dòng)基座重力儀的動(dòng)態(tài)測量精度滿足要求。

在上述用于動(dòng)基座重力儀的動(dòng)態(tài)精度評估方法中，步驟(1)中在地面架設(shè)差分GPS基站系統(tǒng)時(shí)，架設(shè)地點(diǎn)選擇在空曠的高地，即基站信號不被遮擋或不被環(huán)境干擾，并完成至少2小時(shí)的監(jiān)視測量；如果測量范圍較大，即測量基線長度超過100公里，則在測線中間位置架設(shè)基站，以保證全程GPS信號質(zhì)量。

在上述用于動(dòng)基座重力儀的動(dòng)態(tài)精度評估方法中，所述步驟(1)中在地面架設(shè)的差分GPS基站系統(tǒng)還包括支架，其中將第一GPS天線固定在支架上，第一GPS接收機(jī)與第一GPS天線通過饋線連接，第一記錄設(shè)備與第一GPS接收機(jī)通過數(shù)據(jù)線連接，第一電源為第一GPS接收機(jī)和第一記錄設(shè)備供電。

在上述用于動(dòng)基座重力儀的動(dòng)態(tài)精度評估方法中，所述步驟(2)中定義動(dòng)基座重力儀安裝的坐標(biāo)系為載體坐標(biāo)系ox_by_bz_b，動(dòng)基座重力儀的三個(gè)軸向ox_b、oy_b和oz_b分別指向動(dòng)基座重力儀的右前上，安裝時(shí)動(dòng)基座重力儀的Y軸指向車頭方向，即ox_b、oy_b和oz_b指向試驗(yàn)車的右前上。

在上述用于動(dòng)基座重力儀的動(dòng)態(tài)精度評估方法中，所述減震架中部開設(shè)凹槽，且四端對稱位置各安裝一個(gè)減震器，動(dòng)基座重力儀放置在所述凹槽中，并將重力儀的安裝部位與四個(gè)減震器固定連接。

在上述用于動(dòng)基座重力儀的動(dòng)態(tài)精度評估方法中，所述步驟(4)中對動(dòng)基座重力儀進(jìn)行靜態(tài)前校、后校的時(shí)間不少于20分鐘；所述步驟(4)中試驗(yàn)車的跑車試驗(yàn)中，試驗(yàn)車保持勻速行駛，速度為40-45km/h。

在上述用于動(dòng)基座重力儀的動(dòng)態(tài)精度評估方法中，還包括動(dòng)基座重力儀外符合精度的測量，具體為：采用手持式靜態(tài)重力儀，在測線沿途選定若干測量點(diǎn)，測量各點(diǎn)的相對重力異常值，繪制測線段的重力異常曲線，選取的外符合基準(zhǔn)點(diǎn)的間距取為3-5km/個(gè)。

在上述用于動(dòng)基座重力儀的動(dòng)態(tài)精度評估方法中，所述步驟(6)中根據(jù)所述至少兩組試驗(yàn)車的速度增量、角速度增量以及第一GPS接收機(jī)、第二GPS接收機(jī)記錄的數(shù)據(jù)，計(jì)算得到至少兩組重力異常值的具體方法包括如下步驟：

(1)、將試驗(yàn)車的速度增量、角速度增量投影至載體坐標(biāo)系下得到速度增量f^b和角速度增量

(2)、進(jìn)行捷聯(lián)式海洋重力儀的動(dòng)基座初始對準(zhǔn)，獲得從載體坐標(biāo)系到實(shí)際數(shù)學(xué)平臺坐標(biāo)系的姿態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣所述姿態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣為對準(zhǔn)時(shí)間段內(nèi)最后時(shí)刻k時(shí)刻的姿態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；

(3)、根據(jù)對準(zhǔn)時(shí)間段內(nèi)最后時(shí)刻k時(shí)刻的姿態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣獲得導(dǎo)航過程中當(dāng)前時(shí)刻從載體坐標(biāo)系到實(shí)際數(shù)學(xué)平臺坐標(biāo)系的姿態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣東速v_e(t_i)、北速v_n(t_i)、緯度lat(t_i)和經(jīng)度lon(t_i)，其中t_i為當(dāng)前時(shí)刻；

(4)、將第一GPS接收機(jī)記錄的數(shù)據(jù)設(shè)置為基站數(shù)據(jù)，將第二GPS接收機(jī)記錄的數(shù)據(jù)設(shè)置為移動(dòng)站數(shù)據(jù)，對所述基站數(shù)據(jù)和移動(dòng)站數(shù)據(jù)進(jìn)行差分處理獲得包含載體運(yùn)動(dòng)信息的差分GPS數(shù)據(jù)；

(5)、根據(jù)捷聯(lián)慣性系統(tǒng)誤差方程，選取狀態(tài)向量，構(gòu)建卡爾曼濾波器的系統(tǒng)狀態(tài)方程，根據(jù)步驟(3)中當(dāng)前時(shí)刻的東速v_e(t_i)、北速v_n(t_i)、緯度lat(t_i)和經(jīng)度lon(t_i)，以及步驟(4)中差分GPS數(shù)據(jù)中的當(dāng)前時(shí)刻的東速V_E，北速V_N、經(jīng)度λ和緯度L，得到相應(yīng)東速的差值v_e(t_i)-V_E、北速的差值v_n(t_i)-V_N、經(jīng)度的差值lon(t_i)-λ和緯度的差值lat(t_i)-L，作為卡爾曼濾波器的觀測量進(jìn)行東速誤差、北速誤差、經(jīng)度誤差、緯度誤差和姿態(tài)誤差的估計(jì)；

(6)、根據(jù)步驟(5)中得到的當(dāng)前時(shí)刻的姿態(tài)誤差修正東北天向比力值，得到修正后的東北天向比力值f^n'；

(7)、計(jì)算重力異常粗值δg，公式如下：

其中：g_b為前校點(diǎn)處的重力基準(zhǔn)值；

f^u為f^n'中的天向比力值；

為前校點(diǎn)處的天向比力初值；

a^u為天向運(yùn)動(dòng)加速度；

δa_E為厄特弗斯改正；

δa_F為自由空間改正；

γ₀為正常重力改正；

δg_drift為零點(diǎn)漂移改正。

在上述用于動(dòng)基座重力儀的動(dòng)態(tài)精度評估方法中，所述步驟(3)中獲得導(dǎo)航過程中當(dāng)前時(shí)刻的姿態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣東速v_e(t_i)、北速v_n(t_i)、緯度lat(t_i)和經(jīng)度lon(t_i)的具體方法如下：

根據(jù)導(dǎo)航過程中起始時(shí)刻，即第k+1時(shí)刻的速度增量f^b(t_k+1)、角速度增量和所述姿態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣獲得導(dǎo)航過程中試驗(yàn)車在第k+1時(shí)刻的姿態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣東速v_e(t_k+1)、北速v_n(t_k+1)、緯度lat(t_k+1)和經(jīng)度lon(t_k+1)，根據(jù)試驗(yàn)車在第k+1時(shí)刻的姿態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣東速v_e(t_k+1)、北速v_n(t_k+1)、緯度lat(t_k+1)和經(jīng)度lon(t_k+1)，以及第k+2時(shí)刻的速度增量f^b(t_k+2)、角速度增量獲得的試驗(yàn)車在第k+2時(shí)刻的姿態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣東速v_e(t_k+2)、北速v_n(t_k+2)、緯度lat(t_k+2)和經(jīng)度lon(t_k+2)，依次類推，獲得試驗(yàn)車在導(dǎo)航過程中當(dāng)前時(shí)刻的姿態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣東速v_e(t_i)、北速v_n(t_i)、緯度lat(t_i)和經(jīng)度lon(t_i)。

在上述用于動(dòng)基座重力儀的動(dòng)態(tài)精度評估方法中，所述步驟(3)中姿態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣通過如下方法獲得：

其中：

其中：為載體坐標(biāo)系到實(shí)際數(shù)學(xué)平臺坐標(biāo)系的姿態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，L代表大地緯度，ω_ie為地球自轉(zhuǎn)角速度，t₀為對準(zhǔn)時(shí)間段內(nèi)的初始對準(zhǔn)時(shí)刻，t_k為對準(zhǔn)時(shí)間段內(nèi)的任意時(shí)刻；

為載體坐標(biāo)系到載體慣性坐標(biāo)系的姿態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，具體表達(dá)式為：

式中：q₀q₁q₂q₃為對準(zhǔn)數(shù)據(jù)段最后時(shí)刻k的四元素；

為載體慣性坐標(biāo)系到經(jīng)線地心慣性坐標(biāo)系的姿態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，具體表達(dá)式為：

其中：g為地球重力值，分別計(jì)算Vⁱ(t_k1)和Vⁱ(t_k2)的值，t_k1和t_k2分別是對準(zhǔn)時(shí)段內(nèi)的兩個(gè)時(shí)刻；

Δt_k＝t_k-t₀，

為當(dāng)前時(shí)刻從載體坐標(biāo)系到實(shí)際數(shù)學(xué)平臺坐標(biāo)系的姿態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；

f^b(t_i)為當(dāng)前時(shí)刻的速度增量。

在上述用于動(dòng)基座重力儀的動(dòng)態(tài)精度評估方法中，所述載體坐標(biāo)系到載體慣性坐標(biāo)系的姿態(tài)轉(zhuǎn)移矩通過如下方法獲得：

(3.1)、初始對準(zhǔn)時(shí)刻t₀，載體坐標(biāo)系到載體慣性坐標(biāo)系的姿態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣表示如下：

其中：I為3階單位矩陣，其對應(yīng)的初始時(shí)刻四元素為Q(t₀)＝[1 0 0 0]；

(3.2)、根據(jù)t₀時(shí)刻的四元素Q(t₀)和t₁時(shí)刻的角速度增量獲得t₁時(shí)刻的四元素其中，Φ＝|Φ|；

(3.3)、根據(jù)t₁時(shí)刻的四元素Q(t₁)和t₂時(shí)刻的角速度增量獲得t₂時(shí)刻的四元素Q(t₂)，依次類推，獲得對準(zhǔn)數(shù)據(jù)段最后時(shí)刻k時(shí)刻的四元素Q(k)＝[q₀ q₁ q₂ q₃]，根據(jù)Q(k)計(jì)算如下：

在上述用于動(dòng)基座重力儀的動(dòng)態(tài)精度評估方法中，所述步驟(4)中差分GPS數(shù)據(jù)包括GPS時(shí)間、經(jīng)度λ、緯度L、海拔高、大地高、東北天速度(V_E，V_N，V_U)、東北天加速度、衛(wèi)星數(shù)、PDOP、HDOP、VDOP、質(zhì)量數(shù)Q以及GPS周。

在上述用于動(dòng)基座重力儀的動(dòng)態(tài)精度評估方法中，所述步驟(5)中根據(jù)捷聯(lián)慣性系統(tǒng)誤差方程，選取的狀態(tài)向量X_INS為13階，具體表示如下：

其中：δL為緯度誤差；

δλ為經(jīng)度誤差；

δv_e、δv_n分別為東速誤差和北速誤差；

φ_e、φ_n和φ_u分別為三個(gè)姿態(tài)誤差角；

ε_x、ε_y和ε_z為激光陀螺的零位；

和為加速度計(jì)零位。

在上述用于動(dòng)基座重力儀的動(dòng)態(tài)精度評估方法中，所述步驟(6)中修正后的東北天向比力值f^n'表示如下：

其中：φ×為反對稱陣，

為當(dāng)前時(shí)刻從載體坐標(biāo)系到實(shí)際數(shù)學(xué)平臺坐標(biāo)系的姿態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；

f^b(t_i)為當(dāng)前時(shí)刻的速度增量；

ΔT為系統(tǒng)采樣間隔時(shí)間。

在上述用于動(dòng)基座重力儀的動(dòng)態(tài)精度評估方法中，對所述步驟(7)中計(jì)算的重力異常粗值δg采用數(shù)字濾波器進(jìn)行濾波處理，以提高數(shù)據(jù)精度。

在上述用于動(dòng)基座重力儀的動(dòng)態(tài)精度評估方法中，所述數(shù)字濾波采用FIR和IIR低通濾波器，截止頻率小于0.01Hz；或者采用正反卡爾曼濾波器。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)、本發(fā)明通過將捷聯(lián)式動(dòng)基座重力儀安裝于特殊設(shè)計(jì)的試驗(yàn)車上，并選擇合適的試驗(yàn)路段進(jìn)行往復(fù)跑車測量，通過對比在同一路段上的多次重力異常值，可以實(shí)現(xiàn)捷聯(lián)式動(dòng)基座重力儀內(nèi)符合精度的準(zhǔn)確、有效評估；

(2)、本發(fā)明針對捷聯(lián)式動(dòng)基座重力儀的陸地跑車測量環(huán)境，設(shè)計(jì)了專用的試驗(yàn)車工裝，能有效衰減由于路面顛簸和環(huán)境帶來了沖擊干擾。

(3)、本發(fā)明在地面環(huán)境下，不易形成交叉點(diǎn)，通過往返測線的測量方式獲得測量路段的重力異常重復(fù)測量值，進(jìn)而可按經(jīng)緯度進(jìn)行內(nèi)符合評估；

(4)、本發(fā)明對重力異常值的計(jì)算方法，抗干擾能力強(qiáng)，具有較高的數(shù)據(jù)處理精度，可以作為高精度捷聯(lián)式動(dòng)基座重力儀異常提取的數(shù)據(jù)處理方法；

(5)、本發(fā)明對重力異常值的計(jì)算過程中，采用kalman濾波器，估計(jì)慣性導(dǎo)航解算中的姿態(tài)誤差，對姿態(tài)矩陣和垂向比力分量進(jìn)行修正，得到更為精確的比力信息，再由差分GPS技術(shù)得提供的位置、速度和高度信息計(jì)算重力各改正項(xiàng)，最后經(jīng)低通濾波得到沿測線的重力異常信息，本發(fā)明可用于捷聯(lián)式動(dòng)基座重力儀的車載重力測量數(shù)據(jù)處理，抗干擾能力強(qiáng)，具有較高的數(shù)據(jù)處理精度，特別適用于捷聯(lián)式動(dòng)基座重力儀的車載重力測量數(shù)據(jù)處理；

(6)、本發(fā)明對重力異常值的計(jì)算過程中，在初始對準(zhǔn)階段，采用了慣性凝固假設(shè)，進(jìn)行動(dòng)基座初始對準(zhǔn)，可以有效減小由于載體晃動(dòng)帶來的姿態(tài)誤差，提高初始對準(zhǔn)精度；

(7)、本發(fā)明對重力異常值的計(jì)算過程中，采用差分GPS技術(shù)處理車載試驗(yàn)過程中的GPS數(shù)據(jù)，獲得較高精度的載體運(yùn)動(dòng)信息；采用組合導(dǎo)航技術(shù)獲取天向比力信息，經(jīng)過改正計(jì)算后，通過數(shù)字低通方式去除高頻噪聲得到高精度的重力異常信號。

(8)、本發(fā)明對重力異常值的計(jì)算過程中，可以采用數(shù)字低通濾波器對計(jì)算得到的重力異常粗值去噪處理，截止頻率小于0.01Hz，進(jìn)一步提高了重力異常信號的精度。

(9)、本發(fā)明采用相對式靜態(tài)重力儀在沿途測線段中選取若干重力測量點(diǎn)，在測線上形成若干離散的測量點(diǎn)作為測線段重力異常的基準(zhǔn)值，通過對比跑車測量與靜態(tài)測量基準(zhǔn)點(diǎn)的重力異常值，可以評估儀器的外符合精度。

(10)、本發(fā)明方法實(shí)現(xiàn)方便，成本低，并且條件許可的情況下，可以對多臺套重力儀同時(shí)進(jìn)行測試，測試效率高。

附圖說明

圖1為本發(fā)明動(dòng)基座重力儀的動(dòng)態(tài)精度評估方法的工作流程圖；

圖2為本發(fā)明動(dòng)基座重力儀在試驗(yàn)車上的安裝示意圖；

圖3為本發(fā)明重力儀與減震架的安裝示意圖。

圖4為本發(fā)明動(dòng)基座重力儀的安裝坐標(biāo)圖；

圖5為本發(fā)明重力異常數(shù)據(jù)處理方法的工作流程圖；

圖6為本發(fā)明重力異常數(shù)據(jù)處理方法中載體坐標(biāo)系、導(dǎo)航坐標(biāo)系和實(shí)際數(shù)學(xué)平臺坐標(biāo)系之間關(guān)系示意圖；

圖7為本發(fā)明重力異常數(shù)據(jù)處理方法中針對的捷聯(lián)式海洋重力儀的硬件安裝示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述：

本發(fā)明提出的用于動(dòng)基座重力儀的動(dòng)態(tài)精度評估方法，采用車載試驗(yàn)方式，沿預(yù)定測線往返測量，通過測線重復(fù)測量結(jié)果評估儀器的內(nèi)符合精度，還可以通過手持式相對重力儀引入外部基準(zhǔn)點(diǎn)的方式評估儀器的外符合精度。其具體實(shí)施方式如下所述：

步驟(一)、在地面架設(shè)差分GPS基站系統(tǒng)，所述GPS基站系統(tǒng)包括第一GPS接收機(jī)、第一GPS天線、支架、第一記錄設(shè)備和第一電源。其中將第一GPS天線固定在支架上，第一GPS接收機(jī)與第一GPS天線通過饋線連接，第一記錄設(shè)備與第一GPS接收機(jī)通過數(shù)據(jù)線連接，第一電源為第一GPS接收機(jī)和第一記錄設(shè)備供電。

在地面架設(shè)差分GPS基站系統(tǒng)時(shí)，架設(shè)地點(diǎn)選擇在空曠的高地，即基站信號不被遮擋或不被環(huán)境干擾，并完成至少2小時(shí)的監(jiān)視測量；如果測量范圍較大，即測量基線長度超過100公里，則在測線中間位置架設(shè)基站，以保證全程GPS信號質(zhì)量。

步驟(二)、將動(dòng)基座重力儀1安裝于減震架2的減震器6上，減震架2固定連接在試驗(yàn)車3地板上。如圖2所示為本發(fā)明動(dòng)基座重力儀在試驗(yàn)車上的安裝示意圖。如圖3所示為本發(fā)明重力儀與減震架的安裝示意圖，由圖可知，減震架2中部開設(shè)凹槽，且四端對稱位置各安裝一個(gè)減震器6，動(dòng)基座重力儀1放置在所述凹槽中，并通過螺釘將重力儀的安裝部位與四個(gè)減震器6固定連接。

當(dāng)路面顛簸時(shí)，車輛在行駛過程中會產(chǎn)生垂向運(yùn)動(dòng)加速度，該運(yùn)動(dòng)會傳導(dǎo)至減震架。由于重力儀是通過4個(gè)減震器與減震支架固連，因此，能在很大程度上隔絕由路面顛簸導(dǎo)致的垂向運(yùn)動(dòng)加速度。

定義動(dòng)基座重力儀1安裝的坐標(biāo)系為載體坐標(biāo)系ox_by_bz_b，動(dòng)基座重力儀1的三個(gè)軸向ox_b、oy_b和oz_b分別指向動(dòng)基座重力儀1的右前上，安裝時(shí)動(dòng)基座重力儀1的Y軸指向車頭方向，即ox_b、oy_b和oz_b指向工程車的右前上。如圖4所示為本發(fā)明動(dòng)基座重力儀的安裝坐標(biāo)圖。

步驟(三)、安裝地面差分GPS移動(dòng)站系統(tǒng)，所述GPS移動(dòng)站系統(tǒng)包括第二GPS接收機(jī)、第二GPS天線4、第二記錄設(shè)備和第二電源，其中，第二GPS天線4固定安裝在試驗(yàn)車3的頂部，與動(dòng)基座重力儀1的相對位置保持不變；

步驟(四)、對儀器進(jìn)行充分預(yù)熱后，在試驗(yàn)路段的一端選取合適的校準(zhǔn)點(diǎn)，進(jìn)行不少于20分鐘的靜態(tài)前校。

步驟(五)、在選取的試驗(yàn)路段進(jìn)行試驗(yàn)車3的跑車試驗(yàn)，即使試驗(yàn)車3從校準(zhǔn)點(diǎn)出發(fā)，到達(dá)試驗(yàn)路段的另一端后，轉(zhuǎn)彎并沿原路返回至校準(zhǔn)點(diǎn)，之后在校準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行靜態(tài)后校，完成一次閉環(huán)測量。在試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)車3保持勻速行駛，避免急起急停。例如對于長度為60km的測量基線載體的行駛速度為40-45km/h。

步驟(六)、重復(fù)步驟(五)，形成至少2次閉環(huán)測量，每次閉環(huán)測量得到一組動(dòng)基座重力儀1記錄的試驗(yàn)車(3)的速度增量和角速度增量；并發(fā)送給第二記錄設(shè)備；

步驟(七)、根據(jù)所述至少兩組試驗(yàn)車3的速度增量、角速度增量以及第一記錄設(shè)備、第二記錄設(shè)備記錄的數(shù)據(jù)，計(jì)算得到至少兩組重力異常值；其中第一GPS接收機(jī)從第一GPS天線接收數(shù)據(jù)并發(fā)送給第一記錄設(shè)備，第二GPS接收機(jī)從第二GPS天線接收數(shù)據(jù)并發(fā)送給第二記錄設(shè)備。

重力異常值具體的計(jì)算方法如下：

如圖5所示為本發(fā)明重力異常數(shù)據(jù)處理方法的工作流程圖，本發(fā)明重力異常數(shù)據(jù)處理方法具體包括如下步驟：

(1)、定義動(dòng)基座重力儀1安裝的坐標(biāo)系為載體坐標(biāo)系ox_by_bz_b，動(dòng)基座重力儀1的三個(gè)軸向ox_b、oy_b和oz_b分別指向動(dòng)基座重力儀1的右前上，安裝時(shí)動(dòng)基座重力儀1的Y軸指向車頭方向，即ox_b、oy_b和oz_b指向工程車的右前上，如圖7所示為本發(fā)明所針對的捷聯(lián)式重力儀的硬件安裝示意圖。

重力儀實(shí)時(shí)記錄載體的速度增量和角速度增量，并投影至載體坐標(biāo)系下得到速度增量f^b和角速度增量

(2)采用了慣性凝固假設(shè)，進(jìn)行捷聯(lián)式動(dòng)基座重力儀的動(dòng)基座初始對準(zhǔn)，獲得從載體坐標(biāo)系到實(shí)際數(shù)學(xué)平臺坐標(biāo)系的姿態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣所述姿態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣為對準(zhǔn)時(shí)間段內(nèi)最后時(shí)刻k時(shí)刻的姿態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣。

對載體坐標(biāo)系(b系)到實(shí)際數(shù)學(xué)平臺坐標(biāo)系(n系)的姿態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣進(jìn)行初始化設(shè)定；重力數(shù)據(jù)處理中，導(dǎo)航坐標(biāo)系通常選為地理坐標(biāo)系。如圖6所示為本發(fā)明載體坐標(biāo)系、導(dǎo)航坐標(biāo)系和實(shí)際數(shù)學(xué)平臺坐標(biāo)系之間關(guān)系示意圖。

該方法用到的坐標(biāo)系定義如下：

a)經(jīng)線地球坐標(biāo)系e：原點(diǎn)位于地心，oz_e軸沿地球自轉(zhuǎn)軸方向，ox_e軸位于赤道平面內(nèi)，從地心指向重力儀所在點(diǎn)經(jīng)線，oy_e軸在赤道平面內(nèi)，ox_e、oy_e、oz_e軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。

b)經(jīng)線地心慣性坐標(biāo)系i：在對準(zhǔn)起始時(shí)刻t₀時(shí)刻將經(jīng)線地球坐標(biāo)系ox_ey_ez_e慣性凝固后形成的坐標(biāo)系。

c)導(dǎo)航坐標(biāo)系n’：原點(diǎn)位于捷聯(lián)式動(dòng)基座重力儀中心，ox軸指向東(E)，oy軸指向北(N),oz軸指向天(U)。

d)實(shí)際數(shù)學(xué)平臺坐標(biāo)系n：坐標(biāo)系Ox₁y₁z₁，近似指向東北天，與理想導(dǎo)航坐標(biāo)n’系之間存在失準(zhǔn)角，例如，水平失準(zhǔn)角(φ_e、φ_n)為0.005°，方位失準(zhǔn)角φ_u為0.08°。

e)載體系b系：坐標(biāo)系Ox_by_bz_b，原點(diǎn)位于載體質(zhì)心，x_b、y_b和z_b指向載體右前上。

f)載體慣性坐標(biāo)系i_b0：在對準(zhǔn)起始時(shí)刻t₀時(shí)刻將載體坐標(biāo)系ox_by_bz_b經(jīng)慣性凝固后的坐標(biāo)系。

動(dòng)基座初始對準(zhǔn)算法中，姿態(tài)陣分散成4個(gè)矩陣求取。設(shè)對準(zhǔn)點(diǎn)的緯度為L，則姿態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣通過如下方法獲得：

其中：

其中：為載體坐標(biāo)系到實(shí)際數(shù)學(xué)平臺坐標(biāo)系的姿態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，L代表大地緯度，ω_ie為地球自轉(zhuǎn)角速度，t₀為對準(zhǔn)時(shí)間段內(nèi)的初始對準(zhǔn)時(shí)刻，t_k為對準(zhǔn)時(shí)間段內(nèi)的任意時(shí)刻；

為載體坐標(biāo)系到載體慣性坐標(biāo)系的姿態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，具體表達(dá)式為：

式中：q₀q₁q₂q₃為對準(zhǔn)數(shù)據(jù)段最后時(shí)刻k的四元素。

載體坐標(biāo)系到載體慣性坐標(biāo)系的姿態(tài)轉(zhuǎn)移矩通過如下方法獲得：

(a)、初始對準(zhǔn)時(shí)刻t₀，載體坐標(biāo)系到載體慣性坐標(biāo)系的姿態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣表示如下：

其中：I為3階單位矩陣，其對應(yīng)的初始時(shí)刻四元素為Q(t₀)＝[1 0 0 0]；

(b)、根據(jù)t₀時(shí)刻的四元素Q(t₀)和t₁時(shí)刻的角速度增量獲得t₁時(shí)刻的四元素其中，Φ＝|Φ|；

(c)、根據(jù)t₁時(shí)刻的四元素Q(t₁)和t₂時(shí)刻的角速度增量獲得t₂時(shí)刻的四元素Q(t₂)，依次類推，獲得對準(zhǔn)數(shù)據(jù)段最后時(shí)刻k時(shí)刻的四元素Q(k)＝[q₀ q₁ q₂ q₃]，根據(jù)Q(k)計(jì)算如下：

為載體慣性坐標(biāo)系到經(jīng)線地心慣性坐標(biāo)系的姿態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，具體表達(dá)式為：

其中：g為地球重力值，分別計(jì)算Vⁱ(t_k1)和Vⁱ(t_k2)的值，t_k1和t_k2分別是對準(zhǔn)時(shí)段內(nèi)的兩個(gè)時(shí)刻；

Δt_k＝t_k-t₀，

為當(dāng)前時(shí)刻從載體坐標(biāo)系到實(shí)際數(shù)學(xué)平臺坐標(biāo)系的姿態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；

f^b(t_i)為當(dāng)前時(shí)刻的速度增量。

(3)、根據(jù)對準(zhǔn)時(shí)間段內(nèi)最后時(shí)刻k時(shí)刻的姿態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣獲得載體導(dǎo)航過程中當(dāng)前時(shí)刻從載體坐標(biāo)系到實(shí)際數(shù)學(xué)平臺坐標(biāo)系的姿態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣東速v_e(t_i)、北速v_n(t_i)、緯度lat(t_i)和經(jīng)度lon(t_i)，其中t_i為當(dāng)前時(shí)刻；具體方法如下：

根據(jù)導(dǎo)航過程中起始時(shí)刻，即第k+1時(shí)刻的速度增量f^b(t_k+1)、角速度增量和所述姿態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣獲得導(dǎo)航過程中試驗(yàn)車在第k+1時(shí)刻的姿態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣東速v_e(t_k+1)、北速v_n(t_k+1)、緯度lat(t_k+1)和經(jīng)度lon(t_k+1)；

根據(jù)載體在第k+1時(shí)刻的姿態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣東速v_e(t_k+1)、北速v_n(t_k+1)、緯度lat(t_k+1)和經(jīng)度lon(t_k+1)，以及第k+2時(shí)刻的速度增量f^b(t_k+2)、角速度增量獲得的載體在第k+2時(shí)刻的姿態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣東速v_e(t_k+2)、北速v_n(t_k+2)、緯度lat(t_k+2)和經(jīng)度lon(t_k+2)；

根據(jù)載體在第k+2時(shí)刻的姿態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣東速v_e(t_k+2)、北速v_n(t_k+2)、緯度lat(t_k+2)和經(jīng)度lon(t_k+2)，以及第k+3時(shí)刻的加速度增量f^b(t_k+3)、角速度增量獲得的載體在第k+3時(shí)刻的姿態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣東速v_e(t_k+3)、北速v_n(t_k+3)、緯度lat(t_k+3)和經(jīng)度lon(t_k+3)。

依次類推，獲得載體在導(dǎo)航過程中當(dāng)前時(shí)刻的姿態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣東速v_e(t_i)、北速v_n(t_i)、緯度lat(t_i)和經(jīng)度lon(t_i)。按照上述方法可以獲得載體在導(dǎo)航過程中各時(shí)刻的姿態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣東速v_e(t)、北速v_n(t)、緯度lat(t)和經(jīng)度lon(t)。

(4)、將第一GPS接收機(jī)記錄的數(shù)據(jù)設(shè)置為基站數(shù)據(jù)，將第二GPS接收機(jī)記錄的數(shù)據(jù)設(shè)置為移動(dòng)站數(shù)據(jù)，對所述基站數(shù)據(jù)和移動(dòng)站數(shù)據(jù)進(jìn)行差分處理獲得包含載體運(yùn)動(dòng)信息的差分GPS數(shù)據(jù)。也就是根據(jù)載體測量期間記錄的GPS的基站數(shù)據(jù)和移動(dòng)站數(shù)據(jù)，采用waypoint軟件中的差分GPS技術(shù)，獲得差分GPS信息，包括GPS時(shí)間、經(jīng)度λ、緯度L、海拔高、大地高、東北天速度(V_E，V_N，V_U)、東北天加速度、衛(wèi)星數(shù)、PDOP、HDOP、VDOP、質(zhì)量數(shù)Q以及GPS周。獲得差分GPS數(shù)據(jù)后，進(jìn)行步驟(5)。

(5)、根據(jù)捷聯(lián)慣性系統(tǒng)誤差方程，選取狀態(tài)向量，構(gòu)建卡爾曼濾波器的系統(tǒng)狀態(tài)方程，根據(jù)步驟(3)中當(dāng)前時(shí)刻的東速v_e(t_i)、北速v_n(t_i)、緯度lat(t_i)和經(jīng)度lon(t_i)，以及步驟(4)中差分GPS數(shù)據(jù)中的當(dāng)前時(shí)刻的東速V_E，北速V_N、經(jīng)度λ和緯度L，得到相應(yīng)東速的差值v_e(t_i)-V_E、北速的差值v_n(t_i)-V_N、經(jīng)度的差值lon(t_i)-λ和緯度的差值lat(t_i)-L，作為卡爾曼濾波器的觀測量進(jìn)行東速誤差、北速誤差、經(jīng)度誤差、緯度誤差和姿態(tài)誤差的估計(jì)。

根據(jù)kalman濾波器估計(jì)修正各項(xiàng)參數(shù)誤差，特別是位置、速度和姿態(tài)誤差，修正分為開環(huán)和閉環(huán)修正兩種方式。完成后，進(jìn)入步驟(6)。

選取的狀態(tài)向量X_INS為13階，具體表示如下：

根據(jù)測量環(huán)境，忽略部分非主要誤差參數(shù)，采用了如下的捷聯(lián)慣性系統(tǒng)的誤差方程

式中，δL為緯度誤差；

δλ為經(jīng)度誤差；

δv_e、δv_n分別為東、北速誤差；

φ_e、φ_n和φ_u分別為三個(gè)姿態(tài)誤差角，通常情況下，φ為小量；

ε_x、ε_y和ε_z為激光陀螺的零位；

和為加速度計(jì)零位；

T_ij(i＝1,2,3；j＝1,2,3)為姿態(tài)陣的元素。

(6)、根據(jù)步驟(5)中得到的當(dāng)前時(shí)刻姿態(tài)誤差，修正東北天向比力值，得到修正后的東北天向比力值f^n'，完成修正后進(jìn)入步驟(7)。

其中：φ×為反對稱陣，

為當(dāng)前時(shí)刻從載體坐標(biāo)系到實(shí)際數(shù)學(xué)平臺坐標(biāo)系的姿態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；

f^b(t_i)為當(dāng)前時(shí)刻的速度增量；

ΔT為系統(tǒng)采樣間隔時(shí)間。

(7)、計(jì)算重力異常粗值δg，公式如下：

式中：

g_b為前校點(diǎn)處的重力基準(zhǔn)值，如果沒有基準(zhǔn)值，則采用前校段的天向比力值代替；

f^u為f^n'中的天向比力值；

為前校點(diǎn)處的天向比力初值；

a^u為天向運(yùn)動(dòng)加速度；

δa_E為厄特弗斯改正；

δa_F為自由空間改正；

γ₀為正常重力改正；

δg_drift為零點(diǎn)漂移改正，零點(diǎn)漂移改正為每個(gè)航次重力測量時(shí)不同時(shí)間在同一點(diǎn)的觀測值變化的改正。

其中計(jì)算重力異常各改正項(xiàng)，包括厄特弗斯改正、天向運(yùn)動(dòng)加速度、正常重力改正、自有空間改正、零點(diǎn)漂移改正，各改正項(xiàng)計(jì)算公式如下。厄特弗斯：

天向運(yùn)動(dòng)加速度：

可以根據(jù)GPS提供的偽距、載波相位和多普勒頻移觀測值，以及其單差、雙差組建觀測方程，利用最小二乘法，求出載體位置、速度和加速度。然后利用差分GPS數(shù)據(jù)，采用位置差分、速度差分或者載波相位差分等方法計(jì)算天向運(yùn)動(dòng)加速度。

正常重力：

γ₀＝9.780327(1+0.0053024sin²L-0.0000058sin²2L)

自由空間：

零點(diǎn)漂移改正：

重力測量的零點(diǎn)漂移率可按線性化近似計(jì)算，有

其中，C為此次測量的零點(diǎn)漂移變化率，f₁^u和分別為前后?；鶞?zhǔn)點(diǎn)處的天向比力值，g₁^b和分別為前后?；鶞?zhǔn)點(diǎn)處的重力場，t₁和t₀分別對應(yīng)f₁^u和的觀測時(shí)間。

則零點(diǎn)漂移改正值為

δg_drift＝C·(t-t₀)

式中，C為此次測量的零點(diǎn)漂移變化率，Δt_i為第i個(gè)測點(diǎn)的測量時(shí)刻與在基準(zhǔn)點(diǎn)前校時(shí)刻的時(shí)間差。

完成計(jì)算后進(jìn)入步驟(8)。

(8)采用數(shù)字濾波器對δg進(jìn)行濾波，得到高精度重力異常信號，采用濾波器可采用FIR和IIR濾波器，截止頻率小于0.01Hz；也可采用正反kalman濾波器。

步驟(八)、根據(jù)所述至少兩組重力異常值計(jì)算動(dòng)基座重力儀1的內(nèi)符合精度，并將所述內(nèi)符合精度與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，若滿足閾值要求(即內(nèi)符合精度小于或等于閾值)，則表明動(dòng)基座重力儀1的動(dòng)態(tài)測量精度滿足要求。

如果具備測量條件，可采用CG-5等手持式靜態(tài)重力儀，在測線沿途選定若干測量點(diǎn)，測量各點(diǎn)的相對重力異常值，繪制測線段的重力異常曲線。建議重力異常測點(diǎn)的間距5km左右，可用于評估儀器的外符合精度。選取的外符合基準(zhǔn)點(diǎn)的間距取為3-5km/個(gè)，60km試驗(yàn)路段選擇的外基準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)為12-20個(gè)。

以上所述，僅為本發(fā)明最佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。

本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員的公知技術(shù)。