捷聯(lián)式移動平臺重力儀地面測試結(jié)果

李東明，郭 剛，薛正兵，王文晶

（北京航天控制儀器研究所，北京100039）

捷聯(lián)式移動平臺重力儀地面測試結(jié)果

李東明，郭 剛，薛正兵，王文晶

（北京航天控制儀器研究所，北京100039）

自主研制移動平臺重力儀對我國礦產(chǎn)資源勘探及測繪等領(lǐng)域具有重要意義。研制了一種基于激光捷聯(lián)慣導(dǎo)的移動平臺重力儀，根據(jù)移動平臺重力測量應(yīng)用需求及激光捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)特點，采用高精度石英撓性加速度計作為重力測量傳感器，安裝于系統(tǒng)垂向通道，既可作為導(dǎo)航用垂向加速度計，又用于實現(xiàn)標(biāo)量重力測量。介紹了工程樣機系統(tǒng)的組成。利用重力場隨高度升高衰減的原理，以相鄰樓層間的重力測量差值評價了系統(tǒng)的靜態(tài)精度；通過地面跑車試驗，獲得了系統(tǒng)動態(tài)測量內(nèi)符合精度。

移動平臺重力儀；激光捷聯(lián)慣導(dǎo)；差分GPS；重力異常

0 引言

移動平臺重力測量是利用重力、定位傳感器組合系統(tǒng)進行運動載體重力測量的技術(shù)，運動載體可為飛機、飛艇、艦船、潛艇和車輛。它是陸地靜態(tài)重力和海底靜態(tài)重力測量的拓展和補充，也是重力測量的發(fā)展方向之一。移動平臺重力測量具有測量速度快、覆蓋范圍大等優(yōu)點，可用于大范圍重力普查、無人區(qū)重力測量、遠(yuǎn)程武器發(fā)射區(qū)快速重力測量等方面。

目前，移動平臺重力測量技術(shù)在地球物理勘探方面得到廣泛應(yīng)用，尤其是具有簡便、快速、經(jīng)濟優(yōu)勢的航空重力測量發(fā)展迅速，服務(wù)領(lǐng)域涉及基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查與研究，石油、天然氣及固體礦產(chǎn)資源勘探，大地測量等方面[1]。航空重力測量的概念最早出現(xiàn)在20世紀(jì)50年代末，由于受到當(dāng)時重力儀、導(dǎo)航定位設(shè)備以及垂向加速度測量精度的影響，當(dāng)時得到的精度為10mGal，不能滿足實際應(yīng)用要求。20世紀(jì)90年代初期至今，由于動態(tài)差分GPS定位技術(shù)的發(fā)展，實現(xiàn)了高精度飛機導(dǎo)航定位，從而使航空重力測量所必需的垂直擾動加速度修正的精度和厄缶改正的精度有可能達到1mGal的量級，使航空重力測量的精度有可能達到或好于1mGal。目前各類航空重力測量系統(tǒng)都普遍采用GPS進行定位和測量載體的加速度。國際上航空重力儀主要有三種類型：一種是二軸阻尼慣性穩(wěn)定平臺型航空重力儀，以LaCoste&Romberg公司的II、III型海-空重力儀，ZLS重力儀以及Bell BGM-5重力儀為代表；第二種是三軸慣性穩(wěn)定平臺型航空重力儀，如INS-GPS組合系統(tǒng)，以俄羅斯的GT-1A重力儀和Sander公司的AIRGrav重力儀為代表；第三種是捷聯(lián)式航空重力儀，如加拿大的SINS-DGPS系統(tǒng)和德國的SAGS系統(tǒng)，俄羅斯也在研制名為GT-X的捷聯(lián)式航空重力儀[3-6]。

由于重力測量技術(shù)可用于軍事目的，因此西方掌握該技術(shù)的發(fā)達國家對我國實施技術(shù)封鎖，以至于我國移動平臺重力測量系統(tǒng)研制基礎(chǔ)和水平相對落后。本文基于上述背景，結(jié)合國外航空重力測量系統(tǒng)組成方案與移動平臺重力測量應(yīng)用特點，提出了一種基于激光捷聯(lián)慣導(dǎo)的移動平臺重力儀，介紹了其組成及原理，進行了樓層靜態(tài)精度測試、車載動態(tài)重力測量試驗，并對測試數(shù)據(jù)進行了處理及分析。

1 系統(tǒng)組成

移動平臺重力儀采用一體式設(shè)計，慣性測量部分及電子線路部分均置于同一箱體內(nèi)。慣性測量部分包含三只石英撓性加速度計和三只激光陀螺儀；電子線路包括二次電源板、母板、計算機板（含數(shù)字溫控電路）、GPS板、加速度計I/F板。系統(tǒng)組成示意圖如圖1所示，雙頻GPS OEM板除作為差分GPS系統(tǒng)的移動站之外，還用于輔助慣性導(dǎo)航，計算機板將采集的儀表輸出信息與GPS的位置、速度信息一并送出，存儲于外部記錄設(shè)備。

移動平臺重力儀用于測量地球重力矢量的垂向分量，原始測量信息經(jīng)后處理，輸出信息可以是重力矢量的垂向分量值，或者是垂向重力異常值。在后處理提取重力矢量的垂向分量值或者是垂向重力異常值的過程中，需要定位、速度和運動加速度信息進行計算，且用戶使用重力信息時需要空間坐標(biāo)和時間坐標(biāo)。因此，移動平臺重力儀的后處理信息輸出還應(yīng)包含位置、高度、速度和時間信息。

圖1 移動平臺重力儀組成示意圖Fig.1 Principle diagram of the movable paltform gravimeter

移動平臺重力儀基本工作原理為：首先，集成于移動平臺重力儀中的重力測量加速度計測得沿其輸入軸比力，該測量比力通過激光捷聯(lián)慣導(dǎo)數(shù)學(xué)平臺分解，獲得垂向比力分量（含重力和垂向運動加速度）；其次，載體GPS接收機與基站GPS接收機組成差分GPS系統(tǒng)，獲得載體垂向運動加速度；最后，比力分量與垂向運動加速度求差，再經(jīng)濾波及各項改正處理，最終提取出重力矢量的垂向分量值，或者是垂向重力異常值。

2 數(shù)據(jù)處理過程

移動平臺重力測量是相對重力測量，需要外部基準(zhǔn)對其進行偏差校準(zhǔn)、估計和補償，在測量之前需在基準(zhǔn)點進行靜態(tài)觀測，再將測線內(nèi)重力觀測值與基準(zhǔn)點參考重力值相聯(lián)系，測線內(nèi)空間重力異常（即測線重力異常）的計算公式為：

式中，δg表示測線自由空間重力異常；gb為基準(zhǔn)點參考重力值，由陸地靜態(tài)重力儀從重力基準(zhǔn)站聯(lián)測得到； fz、為比力及其初值；v.u為載體的垂直擾動加速度；δaE為厄特弗斯改正；δaF為空間改正；δaK為零漂改正，δaI為移動平臺重力儀及差分GPS的隨機噪聲，γ0為正常橢球面上的重力。

圖2 自由空間重力異常估計處理過程Fig.2 Processing flow chart of estimating the free air gravity abnormity

自由空間重力異常估計通過事后處理軟件完成，處理流程如圖2所示。將捷聯(lián)慣導(dǎo)計算結(jié)果與差分GPS處理結(jié)果進行組合濾波，獲得轉(zhuǎn)換到當(dāng)?shù)氐乩碜鴺?biāo)系的比力，以及修正后的載體位置、速度。由載體位置信息作兩次差分獲得載體運動加速度。對比力信息進行濾波后，扣除各項改正以及載體運動加速度，得到原始自由空間重力異常。再通過特定的低通濾波器，濾除掉由載體不規(guī)則運動及振動等因素帶來的擾動加速度，最終獲得自由空間重力異常估計值。

3 靜態(tài)試驗

利用地球重力場隨高度變化率約為0.3mGal/ m的原理可知，通常相鄰樓層高度差為3m左右，這樣重力儀在相鄰樓層分別獲得的重力值或重力異常值的差值應(yīng)在1mGal左右。根據(jù)上述原理，驗證重力儀靜態(tài)精度時，不必專門設(shè)計或采用額外的裝置來獲得不同高度試驗條件，只需要將重力儀在樓內(nèi)逐層開展靜態(tài)測量即可。

試驗之前，先通過微伽級陸地重力儀在各樓層采樣點進行測量，將測得的相鄰樓層重力值相減，獲得用于評價移動平臺重力儀靜態(tài)精度的參考差值。由微伽級陸地重力儀獲得的參考差值如表1中第2列所示，從1樓～7樓共測量7個采樣點，獲得6個參考差值。

移動平臺重力儀上電預(yù)熱結(jié)束后，開始從1樓至7樓逐層進行靜態(tài)測量，每個靜態(tài)采樣點測量時間為15min。試驗結(jié)束后，對原始數(shù)據(jù)按照自由空間重力異常數(shù)據(jù)處理過程進行處理，獲得各樓層的自由空間重力異常值，之后將各相鄰樓層所得重力異常結(jié)果進行相減，得到的測量差值如表1中第3列所示。參考差值減去測量差值即為移動平臺重力儀測量誤差，如表1中第4列所示。

由表1可知，移動平臺重力儀測量誤差均值為0.093mGal，測量誤差標(biāo)準(zhǔn)差為0.160mGal。

表1 靜態(tài)試驗結(jié)果Tab.1 The results of static test

4 車載動態(tài)重力測量試驗

車載試驗系統(tǒng)中，重力儀固定安裝于車廂后部，GPS天線固定安裝于車頂，重力儀輸出的原始數(shù)據(jù)由車上數(shù)據(jù)記錄設(shè)備存儲；選取的測量路線為路面平坦的市區(qū)公路，基站架設(shè)位置距離跑車路段不超過30km，確保了GPS基站與移動站之間的差分定位精度優(yōu)于5cm，基站GPS原始數(shù)據(jù)同樣由數(shù)據(jù)記錄設(shè)備存儲。跑車結(jié)束后，再將車上數(shù)據(jù)記錄設(shè)備及基站數(shù)據(jù)記錄設(shè)備的數(shù)據(jù)下載，按照自由空間重力異常數(shù)據(jù)處理過程進行處理。

圖3給出某次車載動態(tài)重力測量四條重復(fù)測線數(shù)據(jù)處理結(jié)果曲線。試驗車的行駛速度保持在15km/h左右。由于沒有獲取該段重復(fù)測線的重力基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，僅對四條重復(fù)線結(jié)果進行了內(nèi)符合精度評估。內(nèi)符合精度反映的是各重復(fù)測線測試數(shù)據(jù)相對它們的平均場數(shù)據(jù)的符合程度，內(nèi)符合精度計算結(jié)果如表2所示。

圖3 車載動態(tài)重力測量結(jié)果曲線Fig.3 The results of movable test on ground-vehicle

表2 車載動態(tài)重力測量內(nèi)符合精度Tab.2 The internal consistency of movable test on groundvehicle

5 結(jié)論

試驗結(jié)果表明，基于石英撓性加速度計和激光陀螺的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)可以用于移動平臺重力測量。其靜態(tài)精度優(yōu)于0.2mGal，車載動態(tài)重力測量內(nèi)符合精度優(yōu)于1mGal。

目前國外先進產(chǎn)品重力測量精度可以達到0.5mGal，該樣機精度水平與國外先進產(chǎn)品相比仍存在差距，需要在關(guān)鍵元器件性能提高以及數(shù)據(jù)處理算法精度提高等方面繼續(xù)開展研制攻關(guān)工作。

綜上所述，本文介紹的重力儀系統(tǒng)方案及試驗結(jié)果對我國自主研制移動平臺重力儀具有一定的借鑒和參考價值。

[1]李東明，郭剛，薛正兵，王文晶.激光捷聯(lián)慣導(dǎo)車載重力測量試驗[J].導(dǎo)航與控制，2013，12(4):75-78.

[2]熊盛青，周錫華，郭志宏，周堅鑫，等.航空重力勘探理論方法及應(yīng)用[M].北京：地質(zhì)出版社，2010:1-4.

[3]任思聰.實用慣導(dǎo)系統(tǒng)原理[M].宇航出版社，1988:393-428.

[4]Dan Olson.GT-1A and GT-2A airborne gravimeters:Improvements in design,operation,and processing from 2003 to 2010[C]//.Richard Lane.Airborne Gravity 2010,Abstracts from the ASEG-PESA Airborne Gravity 2010 Workshop.Australia:Onshore Energy&Minerals Division,GeoscienceAustralia,2010:152-171.

[5]Nigel Brady.A Turnkey Airborne Gravity System-Concept to reality[C]//.Richard Lane.Airborne Gravity 2010,Abstracts from the ASEG-PESA Airborne Gravity 2010 Workshop.Australia:Onshore Energy&Minerals Division,GeoscienceAustralia,2010:28-36.

[6]Luise Sander,Stephen Ferguson.Advances in SGL AIRGrav acquisition and processing[C]//.Richard Lane.Airborne Gravity 2010,Abstracts from the ASEG-PESA Airborne Gravity 2010 Workshop.Australia:Onshore Energy& Minerals Division,Geoscience Australia, 2010:172-177.

[7]Stephan Sander,Malcolm Argyle,Stefan Elieff,et al. The AIRGrav airborne gravity system[C]//.Richard Lane.Airborne Gravity 2004,Abstracts from the ASEGPESA Airborne Gravity 2004 Workshop.Australia:Onshore Energy&Minerals Division,Geoscience Australia,2004:49-53.

[8]孫中苗，夏哲仁，石磐.航空重力測量研究進展[J].地球物理學(xué)進展，2004，19(3):492-496.

[9]王靜波，熊盛青，周錫華，等.航空重力測量系統(tǒng)研究進展[J].物探與化探，2009，33(4):368-373.

[10]Jekeli C,Kwon J H.Analysis and processing of Svalbard airborne INS/GPS data for vector gravimetry[R].Interim technical Report.NIMA Contact NMA202-98-1-1110, OSU Project 736145.

Ground Test Results of a Strap-down Gravimeter Used on the Movable Platform

LI Dong-ming,GUO Gang,XUE Zheng-bing,WANG Wen-jing
(Beijing Institute ofAerospace Control Devices,Beijing 100039,China）

Independently developed movable platform gravimeter is of great significance to our mineral resources exploration and survey areas.A movable platform gravimeter based on the laser strap-down inertial navigation system is developed.Considering the application demands of movable platform gravity measurement and the features of the laser strapdown inertial navigation system,the gravity sensor is quartz flexure accelerometer installed in the vertical channel and used as the vertical navigation accelerometer at the same time of measuring the scalar gravity.The work principle of the engineering prototype is introduced.The static precision is tested through the differential gravity measured between neighboring floors,which utilizes the principle that the gravity decays along with the increasing height.The dynamic tests on ground-vehicle are carried out and the internal consistency is calculated.

Movable platform gravimeter;Laser strap-down inertial navigation system;DGPS;Gravity anomaly

U666.1

A

2095-8110（2015）02-0059-04

2014-11-26；

2014-12-30。

國家國際科技合作專項項目編號（2014DFR80750）

李東明（1977-），女，博士，高級工程師，從事慣性導(dǎo)航系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)研究。E-mail：li_dongming@163.com