航空重力测量是以飞机为载体确定区域和局部重力场的方法,由于其测量速度快、范围广、成本低,且几乎可到达任何地区,因此可快速连续地精确测量大面积的地球重力场,是近二十年来重力测量学中的研究热点之一。我国对航空重力测量的研究起步较晚,现有的成果还不能满足高精度应用的要求。在开展国家863重大项目课题“航空重力勘查系统开发集成”之前,本文对基于捷联惯导系统的航空重力测量开展了预先研究。在对航空重力测量的原理进行深入研究之后,重点对比力测量和载体运动加速度测量两个方面进行研究。主要研究成果包括:1.对基于捷联惯导系统的航空重力测量的原理进行了系统研究,根据系统误差模型分析了对GPS和捷联惯导系统测量精度的要求,研究了航空重力测量中的时空一致性问题,为工程样机的研制奠定了理论基础。2.针对比力测量,提出了SINS/DGPS组合降阶滤波算法。由于纯惯导系统的误差随时间积累,因此需要采用SINS/DGPS组合来提高比力测量精度。传统算法采用卡尔曼滤波器对惯导系统的姿态误差和加速度计零偏进行估计,并利用估计值对惯导系统的比力测量值进行校正。系统可观性分析表明,在匀速直线飞行状态下,传统的15状态卡尔曼滤波器是不完全可观的。因此,直观上认为,利用不完全可观状态的估计值对比力测量值进行校正是不合理的,但是事实上直接校正却是可行的,直观认识与实际的不一致表明有内在的必然性没有被发掘。通过状态变换,将系统分解成完全可观和完全不可观两个子系统,发现比力测量误差可由完全可观状态的估计值计算得到,由此设计了降阶滤波算法。降阶滤波算法揭示了传统算法的内在必然性,使得比力测量的概念更加清晰。3.加速度计是航空重力测量系统中的核心传感器,通常采用的惯性级石英挠性加速度计很难直接满足航空重力测量的精度要求,其精度主要受温度的影响。论文对石英挠性加速度计的三种温度误差控制方法进行了研究。首先研究了Calgary大学SISG系统中采用的交差点平差法,研究表明该方法很难满足工程实用的要求;然后针对国产石英挠性加速度计CHJN-2E研究了温度误差建模与补偿法,建立了加速度计的静态温度误差模型,试验表明,进行温度补偿后,加速度计测量精度提高了一个量级;最后针对石英挠性加速度计的温度控制法进行了初步研究。4.针对加速度测量的载波相位直接法动态性能较差的问题开展了深入研究,发现了引起动态性能降低的原因,该发现对于提高航空重力测量的精度和分辨率具有重要意义。通常采用的位置微分法需要采用双频去电离层影响观测量,观测量噪声的增大使得其很难获得高分辨率的加速度测量值。由于载波相位直接法只需要采用L1单频观测量,因此噪声较小,更有利于提高加速度测量的精度和分辨率。利用基线长度为20km的静态数据进行试验,试验表明,经120秒低通滤波,载波相位直接法的精度比位置微分法高约34%。但是载波相位直接法原算法的动态性能较差,这使得其没能得到实际应用。论文对载波相位观测量模型进行了深入分析,发现模型简化误差是引起动态性能降低的真正原因,并根据精密模型的特点设计了迭代算法来对模型简化误差进行补偿。利用机载GPS动态数据对该发现进行了验证。5.对载波相位伪距加速度误差的协方差进行了建模,设计的协方差模型有效地减小了卫星星座变化对加速度测量精度的影响。当采用最小二乘法计算载体加速度时,卫星的升降以及低高度角卫星信号的中断会带来较大的加速度测量误差,造成这一现象的原因是由于最小二乘法将不同质量的观测量看成是同等质量的。只要能够建立合理的观测量误差的协方差模型,则可以采用加权最小二乘法来减小卫星星座变化对加速度测量精度的影响。论文对载波相位伪距加速度误差的协方差进行了建模,模型考虑的参数包括卫星高度角、卫星夹角、基线长度等。利用基线长度为20km的静态数据对协方差模型的有效性进行了验证,试验表明:经200秒低通滤波,采用协方差模型后得到的垂直加速度的精度提高了约44%,有效地减小了卫星星座变化对加速度测量精度的影响;同时,由于该模型考虑了观测量之间的物理相关性,其效果优于不考虑物理相关性的方差模型。