gyroscopyГироскопия и навигацияGiroskopiya i Navigatsiya / Gyroscopy and Navigation0869-70352075-0927AO «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор»GSQLDEgyroscopy-77Research ArticleСтатьиНачальная и конечная выставки бескарданного аэрогравиметра с определением смещений нулевых сигналов акселерометровInitial and Final Alignment of a Strapdown Airborne Gravimeter and Accelerometer Bias Determinationhttps://orcid.org/0000-0003-3848-6045ВязьминВ. С.VyazminV. S.

Вязьмин Вадим Сергеевич. Кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, лаборатория управления и навигации, механико-математический факультет

Москва 

Moscow

https://orcid.org/0000-0001-5628-248XГолованА. А.GolovanА. А.

Голован Андрей Андреевич. Доктор физико-математических наук, профессор, заведующий лабораторией управления и навигации, механико-математический факультет. Действительный член международной общественной организации «Академия навигации и управления движением»

Москва 

Moscow

ГоворовА. Д.GovorovA. D.

Говоров Александр Дмитриевич. Студент, механико-математический факультет 

Москва

Moscow

МГУ имени М.В. ЛомоносоваРоссияLomonosov Moscow State UniversityRussian Federation2023200520253117688Copyright © Вязьмин В.С., Голован А.А., Говоров А.Д., 20252025Вязьмин В.С., Голован А.А., Говоров А.Д.Vyazmin V.S., Golovan А.А., Govorov A.D.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.gyroscopy.ru/jour/article/view/77

В бескарданной аэрогравиметрии важное значение имеет задача начальной выставки бескарданной (бесплатформенной) инерциальной навигационной системы (БИНС) аэрогравиметра, целью которой является определение углов ориентации корпуса БИНС по измерениям на стоянке летательного аппарата перед полетом. Эта информация, в свою очередь, позволяет вычислить смещение нулевого сигнала вертикального акселерометра БИНС. При решении аналогичной задачи на конечной стоянке можно определить линейный тренд в смещении нулевого сигнала за время полета. Особенностью рассматриваемых задач является возмущение измерений инерциальных датчиков за счет неконтролируемых угловых движений основания БИНС, вызванных внешними механическими воздействиями на корпус аэрогравиметра во время стоянок. В работе предложен алгоритм начальной и конечной выставки аэрогравиметра, включающий определение углов ориентации корпуса БИНС и смещений нулевых сигналов всех трех акселерометров на стоянках до и после полета. Показано, что с помощью алгоритма можно вычислить также поправки масштабных коэффициентов акселерометров. На реальных данных демонстрируется работоспособность алгоритма в условиях угловых движений основания. Приводятся оценки точности калибровки акселерометров на основе сравнения с другим алгоритмом, и анализируются погрешности автономного инерциального счисления БИНС.

In strapdown airborne gravimetry, initial alignment of the gravimeter’s inertial measurement unit (IMU) is of great importance. It is performed to determine the gravimeter attitude angles from the IMU measurements at the aircraft standstill before the survey flight. Knowing the attitude helps to determine the gravimeter’s vertical accelerometer bias. After the flight the bias is determined again at the standstill and the bias linear drift can be removed from the vertical accelerometer measurements. However, measurements of the inertial sensors are disturbed by uncontrolled angular motions of the IMU due to external mechanical actions on the gravimeter body during the standstill. The paper proposes an algorithm for the gravimeter’s IMU initial and final alignment that includes determination of the IMU attitude angles and all three accelerometer biases at the standstill before and after the flight. We show that the accelerometers’ scale factor errors can also be determined by the algorithm. We also present numerical results for the algorithm performance under the angular motion of a state of the art strapdown gravimeter’s IMU. The accelerometer calibration results evaluated from comparison with another algorithm have been provided, and the position and velocity errors in the autonomous IMU dead-reckoning have been analyzed.

аэрогравиметриябескарданный гравиметрБИНСначальная выставкакалибровкаairborne gravimetrystrapdown gravimeterIMUinitial alignmentcalibrationReferencesСовременные методы и средства измерения параметров гравитационного поля Земли / под ред. В.Г. Пешехонова, О.А. Степанова. СПб.: АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2017. 390 с.Современные методы и средства измерения параметров гравитационного поля Земли / под ред. В.Г. Пешехонова, О.А. Степанова. СПб.: АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2017. 390 с.Пешехонов В.Г., Степанов О.А., Розенцвейн В.Г., Краснов А.А., Соколов А.В. Современное состояние разработок в области бесплатформенных инерциальных аэрогравиметров // Гироскопия и навигация. Т. 30. №4 (119). 2022. C. 3–35. DOI 10.17285/0869-7035.00101.Пешехонов В.Г., Степанов О.А., Розенцвейн В.Г., Краснов А.А., Соколов А.В. Современное состояние разработок в области бесплатформенных инерциальных аэрогравиметров // Гироскопия и навигация. Т. 30. №4 (119). 2022. C. 3–35. DOI 10.17285/0869-7035.00101.Бровкин Г.И., Контарович О.Р., Голован А.А., Вязьмин В.С. Результаты первой в России аэрогравиметрической съемки с бесплатформенным гравиметром // Сб. материалов IV Международной геолого-геофизической конференции и выставки: «ГеоЕвразия-2021. Георазведка в современных реалиях». Т. 2. Тверь: ООО «ПолиПРЕСС», 2021. С. 107–111.Бровкин Г.И., Контарович О.Р., Голован А.А., Вязьмин В.С. Результаты первой в России аэрогравиметрической съемки с бесплатформенным гравиметром // Сб. материалов IV Международной геолого-геофизической конференции и выставки: «ГеоЕвразия-2021. Георазведка в современных реалиях». Т. 2. Тверь: ООО «ПолиПРЕСС», 2021. С. 107–111.Jensen, T.E., Olesen, A.V., Forsberg, R., Olsson, P.-A., Josefsson, Ö., New Results from Strapdown Airborne Gravimetry Using Temperature Stabilization, Remote Sens., 2019, 11, 2682, https://doi.org/10.3390/rs11222682.Jensen, T.E., Olesen, A.V., Forsberg, R., Olsson, P.-A., Josefsson, Ö., New Results from Strapdown Airborne Gravimetry Using Temperature Stabilization, Remote Sens., 2019, 11, 2682, https://doi.org/10.3390/rs11222682.Бабаянц П.С., Бровкин Г.И., Контарович Г.И., Голован А.А., Вязьмин В.С. Методические особенности современных аэрогравиметрических съемок // Cб. материалов XXXIII конференции памяти выдающегося конструктора гироскопических приборов Н.Н. Острякова. СПб.: АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2022. С. 154–156.Бабаянц П.С., Бровкин Г.И., Контарович Г.И., Голован А.А., Вязьмин В.С. Методические особенности современных аэрогравиметрических съемок // Cб. материалов XXXIII конференции памяти выдающегося конструктора гироскопических приборов Н.Н. Острякова. СПб.: АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2022. С. 154–156.Вязьмин В.С., Голован А.А., Болотин Ю.В., Бровкин Г.И., Контарович О.Р. Технологии и результаты обработки первичных данных бескарданного аэрогравиметра в площадных съемках с облетом рельефа на разных носителях // Cб. материалов XXXIII конференции памяти выдающегося конструктора гироскопических приборов Н.Н. Острякова. СПб.: АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор». 2022. С. 157–161.Вязьмин В.С., Голован А.А., Болотин Ю.В., Бровкин Г.И., Контарович О.Р. Технологии и результаты обработки первичных данных бескарданного аэрогравиметра в площадных съемках с облетом рельефа на разных носителях // Cб. материалов XXXIII конференции памяти выдающегося конструктора гироскопических приборов Н.Н. Острякова. СПб.: АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор». 2022. С. 157–161.Grejner-Brzezinska, D., Toth, C., Yi, Y., On improving navigation accuracy of GPS/INS systems, Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, 2005, vol. 71, pp. 377–389, doi:10.14358/PERS.71.4.377.Grejner-Brzezinska, D., Toth, C., Yi, Y., On improving navigation accuracy of GPS/INS systems, Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, 2005, vol. 71, pp. 377–389, doi:10.14358/PERS.71.4.377.Becker, D., Advanced calibration methods for strapdown airborne gravimetry, Ph.D. Thesis, Technische Universität Darmstadt, Darmstadt, Germany, 2016.Becker, D., Advanced calibration methods for strapdown airborne gravimetry, Ph.D. Thesis, Technische Universität Darmstadt, Darmstadt, Germany, 2016.Вязьмин В.С., Голован А.А., Болотин Ю.В. Новые алгоритмы бескарданной аэрогравиметрии: проверка на экспериментальных данных // Cб. материалов XXVIII Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным навигационным системам. СПб.: АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор». 2021. С. 48–55.Вязьмин В.С., Голован А.А., Болотин Ю.В. Новые алгоритмы бескарданной аэрогравиметрии: проверка на экспериментальных данных // Cб. материалов XXVIII Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным навигационным системам. СПб.: АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор». 2021. С. 48–55.Баранцев Г.О., Голован А.А., Кузнецов П.Ю. Модели задачи начальной выставки бескарданной инерциальной навигационной системы при угловом движении основания // Вестник Московского университета. Серия 1: Математика. Механика. 2021. С. 52–56.Баранцев Г.О., Голован А.А., Кузнецов П.Ю. Модели задачи начальной выставки бескарданной инерциальной навигационной системы при угловом движении основания // Вестник Московского университета. Серия 1: Математика. Механика. 2021. С. 52–56.Becker, D., Nielsen, J.E., Ayres-Sampaio, D. et al. Drift reduction in strapdown airborne gravimetry using a simple thermal correction, J. Geod., 2015, vol. 89, pp. 1133–1144, https://doi.org/10.1007/s00190-015-0839-8.Becker, D., Nielsen, J.E., Ayres-Sampaio, D. et al. Drift reduction in strapdown airborne gravimetry using a simple thermal correction, J. Geod., 2015, vol. 89, pp. 1133–1144, https://doi.org/10.1007/s00190-015-0839-8.Емельянцев Г.И., Степанов А.П. Интегрированные инерциально-спутниковые системы ориентации и навигации / под общей ред. акад. РАН В.Г. Пешехонова. СПб.: АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2016. 394 с.Емельянцев Г.И., Степанов А.П. Интегрированные инерциально-спутниковые системы ориентации и навигации / под общей ред. акад. РАН В.Г. Пешехонова. СПб.: АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2016. 394 с.Вавилова Н.Б., Голован А.А., Парусников Н.А. Математические основы инерциальных навигационных систем. М.: Изд-во Московского университета, 2020, 164 с.Вавилова Н.Б., Голован А.А., Парусников Н.А. Математические основы инерциальных навигационных систем. М.: Изд-во Московского университета, 2020, 164 с.Голован А.А., Баранцев Г.О., Кузнецов П.Ю., Некрасов А.В., Шаймарданов И.Х., Тенюшев Е.Н. Исследование точностных характеристик алгоритмов начальной выставки БИНС. Результаты натурных испытаний навигационной системы // Cб. материалов XXXII конференции памяти выдающегося конструктора гироскопических приборов Н.Н. Острякова. СПб.: АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор». 2020. С. 89–92.Голован А.А., Баранцев Г.О., Кузнецов П.Ю., Некрасов А.В., Шаймарданов И.Х., Тенюшев Е.Н. Исследование точностных характеристик алгоритмов начальной выставки БИНС. Результаты натурных испытаний навигационной системы // Cб. материалов XXXII конференции памяти выдающегося конструктора гироскопических приборов Н.Н. Острякова. СПб.: АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор». 2020. С. 89–92.Panahandeh, G., Skog, I., Jansson, M., Calibration of the accelerometer triad of an inertial measurement unit, maximum likelihood estimation and Cramér-Rao bound, Proceedings of the International Conference on Indoor Positioning and Indoor Navigation, 2010, pp. 1–6.Panahandeh, G., Skog, I., Jansson, M., Calibration of the accelerometer triad of an inertial measurement unit, maximum likelihood estimation and Cramér-Rao bound, Proceedings of the International Conference on Indoor Positioning and Indoor Navigation, 2010, pp. 1–6.Fong, W.T., Ong, S.K., Nee, A.Y.C. Methods for in-field user calibration of inertial measurement unit without external equipment, Meas. Sci. Technol., 2008, vol. 19, no. 8, pp. 1–12.Fong, W.T., Ong, S.K., Nee, A.Y.C. Methods for in-field user calibration of inertial measurement unit without external equipment, Meas. Sci. Technol., 2008, vol. 19, no. 8, pp. 1–12.Matasov, A.I., Variational Problems for Calibrating an Accelerometer Unit, Autom Remote Control, 2019, vol. 80, pp. 2135–2151, https://doi.org/10.1134/S000511791912004X.Matasov, A.I., Variational Problems for Calibrating an Accelerometer Unit, Autom Remote Control, 2019, vol. 80, pp. 2135–2151, https://doi.org/10.1134/S000511791912004X.iMAR [Электронный ресурс] URL: https://www.imar-navigation.de/.iMAR [Электронный ресурс] URL: https://www.imar-navigation.de/.АО «ГНПП «Аэрогеофизика» [Электронный ресурс] URL: https://www.aerogeo.ru.АО «ГНПП «Аэрогеофизика» [Электронный ресурс] URL: https://www.aerogeo.ru.Golovan, A.A., Vavilova, N.B., Satellite navigation. Raw data processing for geophysical applications, J. Math. Sci., 2007. 146(3):5920–5930.Golovan, A.A., Vavilova, N.B., Satellite navigation. Raw data processing for geophysical applications, J. Math. Sci., 2007. 146(3):5920–5930.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.