Initial and Final Alignment of a Strapdown Airborne Gravimeter and Accelerometer Bias Determination
EDN: GSQLDE
Abstract
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.
About the Authors
V. S. Vyazmin
Lomonosov Moscow State University
Russian Federation
Russian Federation
Moscow
А. А. Golovan
Lomonosov Moscow State University
Russian Federation
Russian Federation
Moscow
A. D. Govorov
Lomonosov Moscow State University
Russian Federation
Russian Federation
Moscow
References
1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. 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.
6. 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.
7. 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.
8. Becker, D., Advanced calibration methods for strapdown airborne gravimetry, Ph.D. Thesis, Technische Universität Darmstadt, Darmstadt, Germany, 2016.
9. 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.
10. 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.
11. 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.
12. 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.
13. Вавилова Н.Б., Голован А.А., Парусников Н.А. Математические основы инерциальных навигационных систем. М.: Изд-во Московского университета, 2020, 164 с.
14. 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.
15. 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.
16. 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.
17. 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.
18. iMAR [Электронный ресурс] URL: https://www.imar-navigation.de/.
19. АО «ГНПП «Аэрогеофизика» [Электронный ресурс] URL: https://www.aerogeo.ru.
20. Golovan, A.A., Vavilova, N.B., Satellite navigation. Raw data processing for geophysical applications, J. Math. Sci., 2007. 146(3):5920–5930.
Review
For citations:
Vyazmin V.S., Golovan А.А., Govorov A.D. Initial and Final Alignment of a Strapdown Airborne Gravimeter and Accelerometer Bias Determination. Gyroscopy and Navigation. 2023;31(1):76-88. (In Russ.) EDN: GSQLDE
Views:
7
Email this article 