一种航空重力测量GPS后处理方法技术

本发明专利技术涉及航空重力测量中利用GPS后处理方法，即利用GPS资料高精度获得载体飞行的时间、位置、速度和加速度的方法。首先计算卫星的位置和速度等状态参数，并采用插值的方法获得卫星任意历元的位置状态；然后，根据采用单点和差分方法计算载的飞行位置、速度；再次，采用偏心改正将GPS天线相位归算到重力仪的中心，并采用差商的方法得到载体附加的重力加速度传感器的加速度；最后，采用滤波、最小二乘法和卡尔曼等数值方法获得“真实”的载体飞行状态，即时间、位置、速度和加速度等十维状态，从而利用GPS技术使得航空重力测量总加速度中分离出飞机运动等因素产生的扰动加速度，以及其他参数等。

GPS post-processing method for aerial gravity measurement

The invention relates to a GPS post-processing method in airborne gravimetry, that is, a method for obtaining time, position, velocity and acceleration of a carrier flight with high accuracy by using GPS data. The state parameters of the satellite position and velocity of the calculated first, and uses the interpolation method to obtain the position state of the satellite at any epoch; then, according to the flight position and speed of single point and difference method to calculate the load; thirdly, the correction of GPS antenna phase to calculate gravity instrument with eccentric center, and the acceleration of gravity the sensor carrier additional acceleration by the difference quotient method; finally, by filtering, least square method and Calman numerical method to obtain the \true\ carrier flight status, time, position, velocity and acceleration of the ten dimensional state, thus the use of GPS technology makes the isolated disturbance acceleration of aircraft motion factors such as total airborne gravity measurement acceleration, and other parameters.

【技术实现步骤摘要】
一种航空重力测量GPS后处理方法
本专利技术专利涉及勘探地球物理学，GPS资料在航空重力探测中应用，即利用GPS资料高精度后处理解算飞机的位置、速度和加速度等。
技术介绍
地球重力场测量和研究对大地测量、军事科学、空间技术、海洋学等学科都发挥着举足轻重的作用；此外，它也是检测火山喷发、局部地层沉降、抗震减灾的重要手段。航空重力测量是以飞机等为载体的一种新型的重力测量技术，除具有快速、经济、灵活、精度高等特点外，而且能够在一些难以进行地面重力测量的区域进行作业，如冰川、沼泽、原始森林、沙漠等交通不便和无人居住区。GPS在航空重力测量中不可或缺，这是因为确定了载体飞机的位置资料，重力测量才有意义；有了速度、高度等参数才能厄特弗斯改正、上下延拓处理等；另外，载体的加速度是航空重力测量值中的噪声，需要从观测值中去除，而这些问题的解决需要利用GPS技术来解决。航空重力测量系统本身也是集多个分系统、多种技术于一体的新型重力测量装备，而放置飞机内部的重力传感器（比力仪）测量数据中无法区分属于飞机运动而产生的扰动加速度还是地下不均匀地质体产生的重力加速度，因此关键技术之一是从重力仪所测总加速度中分离出飞机运动等因素产生的扰动加速度。精确的确定扰动加速度依赖于精确获得载体的位置、速度和加速度等飞行状态参数，并利用这些参数对重力比力仪所测结果进行必须的改正。目前，GPS的实时处理、后处理方法和软件较多，但主要解算GPS定位（位置解算）的问题。因此，需要GPS后处理方法来获得航空重力测量中飞机的位置、速度和加速度的方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：提供一种基于GPS原始测量资料，采用后处理方法，高精度解算航空重力测量的载体的时间、位置、速度和加速度的技术方法或方案，数学表示为或，称之载体十维动态向量（或十要素），而解决现有的GPS处理方法无法直接满足航空重力测量的技术要求。为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案。航空重力测量系统中的GPS子系统包括机载GPS动态接收机和地面GPS基站接收机两部分，距离一般小于5km，主要用于获取GPS授时、GPS卫星广播星历、GPS观测数据等信息，可利用GPS接收机的授时信号进行不同传感器之间的时间同步。其中地面GPS接收机为基站，即固定位置静态测量；机载GPS接收机为动态测量，测量频率为1Hz～10Hz，即1s～0.1s测量一次数据。此外，飞机起飞前需要静态测量不少于15分钟，为获取GPS相位测量的整周模糊度，同时也为航空重力测量取得地面的重力基准值。测量的原始数据需转换为与接收机无关的标准数据交换格式——RINEX格式。采用后处理方法步骤如下：（1）读取基站观测文件、机载GPS观测文件、广播星历文件或下载精密星历文件；（2）利用星历文件或精密星历文件计算GPS卫星在WGS-84坐标系下的历元、位置、速度等状态参数；（3）由于卫星广播星历文件每小时更新一次，精密星历文件15分钟更新一次，而GPS接收机0.1s或1s观测一次，因此将上述的卫星结算结果采用插值方法计算与观测文件历元序列（时间序列）一致的卫星运行的轨道参数，按卫星编号输出与观测数据的历元序列（时间序列）一致的独立文件或数据表；（4）地面的GPS基站位置为已知数，计算不同历元与观测得GPS卫星之间的空间几何关系，即卫星与基站之间的距离、方位角和高度角，因为高度角小于20°的卫星计算误差较大，故舍弃观测的高度角小于20°的卫星；（5）若观测的卫星数目不少于4颗时，可利用机载GPS动态接收机观测文件的伪距、相位、多普勒频移等观测量计算飞机时间、位置、速度和加速度（10维状态向量），采用相位计算飞机位置时，需要计算整周模糊度。其计算方法可采用最小二乘法，即GPS单点计算方法；或者（6）对地面GPS基站和机载GPS动态接收机的同一历元观测的同一卫星的伪距、相位和多普勒频移做差分处理，即单差分处理；在单差分基础上，观测的不同卫星进行再次差分处理，即双差分处理；同样采用最小二乘法计算GPS动态接收机的时间、位置、速度和加速度（10维状态向量）；（7）由于GPS接收机天线的相位中心和重力传感器重心并不一致，需将GPS天线的位置归一到重力测量仪中心位置，即偏心改正处理；（8）应用数值计算方法高精度获得飞机“真实”飞行姿态参数，方法包括滤波器、最优估计方法的应用、数值信息处理方法等。本专利技术的有益效果在于：通过对GPS测量的原始资料后处理解算，获得飞机飞行十维状态向量参数，即GPS时间、位置、速度和加速度等飞行姿态参数，特别是利用GPS技术使得航空重力测量总加速度中分离出飞机运动等因素产生的扰动加速度。此外，GPS后处理技术可广泛的应用于空间大地测量、航空摄影测量和全球性的板块运动、地壳运动检测、地质灾害监测等领域。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明。图1，航空重力测量中GPS十维动态向量定位解算流程。图2，导航文件计算GPS卫星轨道参数及数据标准化流程。图3，观测文件数据标准化流程。图4，计算位置、速度、加速度的流程。图5，导航文件计算GPS卫星状态实例。图6，解算的飞机的位置、和速度实例。图7，解算东向加速度曲线实例。图8，解算北向加速度曲线实例。图9，解算垂向加速度曲线实例。下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行进一步说明和描述。显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。如图1所示，航空重力测量中载体十维动态向量解算流程原始数据包括GPS的观测数据文件和导航星历文件，其中导航文件用于提供解算GPS卫星轨道的资料，观测数据文件用于提供解算GPS接收机的时间、位置、速度和加速度（即本专利技术所述的十维动态向量）。若仅包括移动站观测数据文件和导航文件，则为单点十维动态向量解算；若包括移动站和地面基站观测数据，则可高精度的差分十维动态向量解算。如图1所示，读取了导航数据后，首先需要解算观测历元时刻的卫星位置、速度等。一般而言，导航文件每四小时更新一次，而观测数据的采样间隔为0.1秒或1秒，在此期间的卫星相对于地球不间断的动态运动中，而解算载体的位置和速度需要历元相对应的卫星轨道参数，换言之，接收机观测数据和导航文件提供的卫星轨道参数历元时刻可能不一一对应。因此，根据卫星的运动轨道理论，将利用星历文件确定的卫星轨道参数进行内插获得任意历元（一般为观测历元相应）的卫星位置和速度，称为轨道标准化。卫星的轨道参数常作为时间多项式，根据已知的卫星星历文件提供的信息计算指定时刻的卫星位置和速度；将观测历元变换成，即，；则卫星坐标、速度和加速度的分量可用如下多项式表示：，，其中和分别为开始历元和拟合时间区间的长度，为多项式的阶数，为多项式系数，它的导数用递推方式确定：然后根据已知的卫星轨道状态参数，利用最小二乘法可以求出；进而确定不同历元时刻的卫星状态参数。计算观测的某一个卫星的高度角、方位角和距离的随历元变化，其解算流程如图2所示。如图1所示，将卫星轨道的历元序列数据格式和观测数据的历元序列数据格式进行历元同步和数据融合，进而计算接收机与观测卫星之间的几何关系，由于卫星观测角度对计算误差的影响不可忽视，故舍弃观测高度角度小于20°的卫星。如图1所示，要求移动站观测不少于4颗卫星的数据，利用观本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种航空重力测量GPS后处理方法，其特征在于，步骤如下：（1）读取基站观测文件、机载GPS观测文件、广播星历文件或下载精密星历文件；（2）利用星历文件或精密星历文件计算GPS卫星在WGS‑84坐标系下的历元、位置、速度等状态参数；（3）由于卫星广播星历文件每小时更新一次，精密星历文件15分钟更新一次，而GPS接收机0.5s或1s观测一次，因此将上述的卫星结算结果采用插值方法计算与观测文件历元序列（时间序列）一致的卫星运行的轨道参数，按卫星编号输出与观测数据的历元序列（时间序列）一致的独立文件或数据表；（4）地面的GPS基站位置为已知数，计算不同历元与观测得GPS卫星之间的空间几何关系，即卫星与基站之间的距离、方位角和高度角，因为高度角小于20°的卫星计算误差较大，故舍弃观测的高度角小于20°的卫星；（5）若观测的卫星数目不少于4颗时，可利用机载GPS动态接收机观测文件的伪距、相位、多普勒频移等观测量计算飞机时间、位置、速度和加速度（10维状态向量），采用相位计算飞机位置时，需要计算整周模糊度，其计算方法可采用最小二乘法，即GPS单点计算方法；或者（6）对地面GPS基站和机载GPS动态接收机的同一历元观测的同一卫星的伪距、相位和多普勒频移做差分处理，即单差分处理；在单差分基础上，观测的不同卫星进行再次差分处理，即双差分处理；同样采用最小二乘法计算GPS动态接收机的时间、位置、速度和加速度（10维状态向量）；（7）由于GPS接收机天线的相位中心和重力传感器重心并不一致，需将GPS天线的位置归一到重力测量仪中心位置，即偏心改正处理；（8）应用数值计算方法高精度获得飞机“真实”飞行姿态参数，方法包括滤波器、最优估计方法的应用、数值信息处理方法等。...

【技术特征摘要】
1.一种航空重力测量GPS后处理方法，其特征在于，步骤如下：（1）读取基站观测文件、机载GPS观测文件、广播星历文件或下载精密星历文件；（2）利用星历文件或精密星历文件计算GPS卫星在WGS-84坐标系下的历元、位置、速度等状态参数；（3）由于卫星广播星历文件每小时更新一次，精密星历文件15分钟更新一次，而GPS接收机0.5s或1s观测一次，因此将上述的卫星结算结果采用插值方法计算与观测文件历元序列（时间序列）一致的卫星运行的轨道参数，按卫星编号输出与观测数据的历元序列（时间序列）一致的独立文件或数据表；（4）地面的GPS基站位置为已知数，计算不同历元与观测得GPS卫星之间的空间几何关系，即卫星与基站之间的距离、方位角和高度角，因为高度角小于20°的卫星计算误差较大，故舍弃观测的高度角小于20°的卫星；（5）若观测的卫星数目不少于4颗时，可利用机载GPS动态接收机观测文件的伪距、相位、多普勒频移等观测量计算飞机时间、位置、速度和加速度（10维状态向量），采用相位计算飞机位置时，需要计算整周模糊度，其计算方法可采用最小二乘法，即GPS单点计算方法；或者（6）对地面GPS基站和机载GPS动态接收机的同一历元观测的同一卫星的伪距、相位和多普勒频移做差分处理，即单差分处理；在单差分基础上，观测的不同卫星进行再次差分处理，即双差分处理；同样采用最小二乘法计算GPS动态接收机的时间、位置、速度和加速度（10维状态向量）；（7）由于GPS接收机天线的相位中心和重力传...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓斌，冯磊，张贵宾，赵秋芳，杨震威，
申请(专利权)人：河南理工大学，
类型：发明
国别省市：河南,41