三軸慣性平臺(tái)式航空重力儀機(jī)載重力測(cè)量試驗(yàn)研究

胡平華，周錫華，姜作喜，趙 明，羅 鋒，王冠鑫，閆 方，劉東斌，陳曉華

(1.北京自動(dòng)化控制設(shè)備研究所，北京 100074；2.中國(guó)國(guó)土資源航空物探遙感中心，北京 100083)

0 引言

地球重力場(chǎng)數(shù)據(jù)是國(guó)家的重要戰(zhàn)略資源，對(duì)于現(xiàn)代國(guó)防、資源勘探、空間科學(xué)、海洋科學(xué)、大地測(cè)量學(xué)、地球物理學(xué)和地球動(dòng)力學(xué)等領(lǐng)域均具有重要意義[1-3]，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展以及國(guó)家安全中發(fā)揮著極為重要的作用[4-5]。

航空重力測(cè)量是利用航空重力儀、差分全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System, GNSS)等進(jìn)行空中連續(xù)、均勻、中高頻動(dòng)態(tài)重力測(cè)量，是陸地、海洋和衛(wèi)星重力測(cè)量的重要拓展和補(bǔ)充[1]，具有可實(shí)現(xiàn)對(duì)人員難于達(dá)到的沙漠、沼澤、山川、原始森林、河湖、海洋等地區(qū)進(jìn)行重力測(cè)量的優(yōu)勢(shì)，此外還具有測(cè)量速度快、覆蓋范圍廣、效率高、成本低等特點(diǎn)，可用于大范圍重力普查、無(wú)人區(qū)重力測(cè)量和遠(yuǎn)程武器發(fā)射區(qū)快速重力測(cè)量等[6-8]。

隨著我國(guó)“一帶一路”、海洋強(qiáng)國(guó)、深地資源勘查開(kāi)采等發(fā)展戰(zhàn)略的推出，國(guó)內(nèi)航空重力測(cè)量技術(shù)研究得到前所未有的快速發(fā)展，航空重力儀的研制也取得了突破性的進(jìn)展[9-12]。北京自動(dòng)化控制設(shè)備研究所聯(lián)合中國(guó)自然資源航空物探遙感中心，利用自身在小型高精度慣性器件和平臺(tái)慣導(dǎo)系統(tǒng)方面的技術(shù)基礎(chǔ)，采用與加拿大SGL公司的AIRGrav重力儀相同的三軸慣性平臺(tái)+石英撓性加速度計(jì)式重力敏感器技術(shù)方案，在已裝備的航空慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，研制出了GIPS-1A三軸慣性平臺(tái)式航空重力儀[7，13]，經(jīng)機(jī)載航空重力測(cè)量試驗(yàn)驗(yàn)證，達(dá)到了國(guó)際上先進(jìn)儀器的精度水平，并具有良好的實(shí)用性。

1 重力儀介紹

1.1 組成及功能

GIPS-1A三軸慣性平臺(tái)式航空重力儀由重力儀主機(jī)、供電顯控裝置、差分GNSS基準(zhǔn)站和移動(dòng)站，以及相關(guān)軟件組成，其硬件組成如圖1所示。各部分的功能主要為：

1)重力儀主機(jī)：用于測(cè)量載體的垂向比力(重力加速度和運(yùn)動(dòng)加速度的合成)，是重力儀的核心部分，主要包括三軸慣性平臺(tái)、重力敏感器、二次電源、控制電路和導(dǎo)航計(jì)算機(jī)等。其中三軸慣性平臺(tái)主要由2個(gè)動(dòng)力調(diào)諧陀螺、2個(gè)導(dǎo)航級(jí)石英撓性加速度計(jì)、3個(gè)角度傳感器、3個(gè)力矩電機(jī)和3個(gè)框架等組成。

2)供電顯控裝置：用于為重力儀主機(jī)供電，控制其工作狀態(tài)，并將其測(cè)量的重要數(shù)據(jù)和狀態(tài)進(jìn)行存儲(chǔ)和顯示。

3)差分GNSS基準(zhǔn)站和移動(dòng)站：用于獲取高精度的差分GNSS測(cè)量信息，包括高精度的位置、速度和加速度信息，實(shí)現(xiàn)重力數(shù)據(jù)處理過(guò)程中各項(xiàng)改正的高精度計(jì)算，例如：厄缶改正、正常重力改正、運(yùn)動(dòng)加速度改正等。

4)軟件：包括系統(tǒng)軟件、自標(biāo)定軟件、監(jiān)控軟件以及后處理軟件等。

(a)重力儀主機(jī)

1.2 工作流程

GIPS-1A重力儀的工作流程包含準(zhǔn)備階段、測(cè)量階段、熱待機(jī)和數(shù)據(jù)后處理階段(如圖2所示)。最具特點(diǎn)的是，在其準(zhǔn)備階段可包含參數(shù)自標(biāo)定的過(guò)程，可以利用其三軸框架系統(tǒng)對(duì)重力儀中的陀螺和加速度計(jì)等關(guān)鍵分部件的參數(shù)進(jìn)行測(cè)前自標(biāo)定并補(bǔ)償，以消除這些關(guān)鍵參數(shù)重復(fù)性誤差的影響，從而提高重力測(cè)量精度。

圖2 GIPS-1A三軸慣性平臺(tái)式航空重力儀工作流程圖

1.3 技術(shù)指標(biāo)

GIPS-1A三軸慣性平臺(tái)式航空重力儀的主要性能指標(biāo)為：

1)測(cè)量范圍：±1000Gal；

2)重復(fù)線測(cè)量?jī)?nèi)符合精度(RMS)：≤0.6mGal@0.01Hz；

3)俯仰和滾動(dòng)工作范圍：-60°～+60°，方位工作范圍：-360°～+360°；

4)工作溫度范圍：-10℃～+45℃；

5)整機(jī)質(zhì)量小于50kg；

6)穩(wěn)態(tài)功耗小于250W。

2 航空重力測(cè)量試驗(yàn)系統(tǒng)集成

2.1 飛機(jī)選型及改裝

航空重力測(cè)量試驗(yàn)對(duì)載機(jī)的要求主要為：具有低空飛行性能，飛行速度在250km/h以下，續(xù)航能力不少于4h；飛機(jī)操縱性能好，自振小，帶有自動(dòng)駕駛儀；滿足儀器的載重和空間要求，重力儀可安裝在重心位置附近，移動(dòng)站天線可安裝在重力儀周圍2m之內(nèi)的機(jī)艙頂部；飛機(jī)機(jī)載設(shè)備的電磁干擾不會(huì)對(duì)航空重力測(cè)量?jī)x器產(chǎn)生明顯影響。

根據(jù)以上要求，選用美亞旅游航空有限公司的水陸兩用Cessna 208型飛機(jī)(機(jī)號(hào)：B-9466，如圖3所示)，開(kāi)展本次GIPS-1A重力儀的重復(fù)線精度測(cè)試與試生產(chǎn)測(cè)試。

圖3 試驗(yàn)選用的Cessna 208型水陸兩用飛機(jī)

飛機(jī)的改裝主要是機(jī)載供電系統(tǒng)增加為儀器提供飛行中的直流28.5V供電，并在飛機(jī)底艙后部加裝一個(gè)連接器，以便在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)后為儀器提供地面直流28.5V供電。

2.2 航空重力測(cè)量試驗(yàn)系統(tǒng)組成及安裝

試驗(yàn)系統(tǒng)包括機(jī)上設(shè)備和地面設(shè)備兩部分。機(jī)上設(shè)備主要包括重力儀主機(jī)、重力儀主機(jī)減振器、供電顯控裝置、差分GNSS移動(dòng)站(含接收機(jī)及天線)、無(wú)人值守裝置和電源自動(dòng)切換裝置等;地面設(shè)備主要包括地面直流28.5V電源、市電電源監(jiān)控裝置、地面不間斷電源(Uninterrupted Power Supply，UPS)、差分GNSS基準(zhǔn)站(含接收機(jī)及天線)和遠(yuǎn)程無(wú)人值守客戶端等。

重力儀主機(jī)減振器采用雙層減振方案，選用閉孔海綿作為減振材料，使減振器的諧振頻率降低到6Hz左右，有利于降低外界載體振動(dòng)對(duì)航空重力測(cè)量結(jié)果的影響。

無(wú)人值守裝置通過(guò)串口與重力儀通信，并將重力儀的運(yùn)行數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳輸方式發(fā)送到遠(yuǎn)程客戶端，便于地面遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)重力儀的工作狀態(tài)；同時(shí)，接收遠(yuǎn)程客戶端發(fā)送的控制指令，并發(fā)送給重力儀，以實(shí)現(xiàn)對(duì)重力儀的遠(yuǎn)程操控。

電源自動(dòng)切換裝置根據(jù)地面電源和機(jī)上電源的供電情況自動(dòng)地進(jìn)行機(jī)上/地面電源的無(wú)縫切換，可避免人工切換的瞬時(shí)掉電，有利于保護(hù)重力儀主機(jī)免受瞬時(shí)掉電損壞。

市電電源監(jiān)控裝置用于監(jiān)測(cè)交流220V市電狀態(tài)，在市電出現(xiàn)斷電時(shí)可利用全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(Global System for Mobile Communications, GSM)手機(jī)網(wǎng)通過(guò)短信/撥打電話的方式通知相關(guān)人員，以便在地面UPS維持供電期間采取相應(yīng)的措施解決供電問(wèn)題。

根據(jù)飛機(jī)艙室空間、飛機(jī)重心和載荷限制等因素，對(duì)機(jī)上設(shè)備進(jìn)行了合理布局和安裝。航空重力儀主機(jī)通過(guò)減振器固定在飛機(jī)重心附近1m范圍內(nèi)(如圖4所示)。移動(dòng)站天線安裝在飛行員駕駛艙后的機(jī)艙頂部，該處干擾小、視線開(kāi)闊，且受發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)影響小。儀器柜(含供電顯控裝置、移動(dòng)站接收機(jī)、無(wú)人值守裝置、電源自動(dòng)切換裝置等)固定在重力儀后側(cè)(如圖5所示)，方便操作和使用。

圖4 航空重力儀主機(jī)及其減振器在飛機(jī)上的安裝

圖5 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)儀器柜在飛機(jī)上的安裝

地面直流28.5V電源、市電電源監(jiān)控裝置和地面不間斷供電電源放置在飛機(jī)旁。差分GNSS基準(zhǔn)站天線固定在機(jī)場(chǎng)集裝箱房的房頂，接收機(jī)放置在集裝箱房?jī)?nèi)。遠(yuǎn)程無(wú)人值守客戶端可放置于賓館房間內(nèi)或其他有移動(dòng)通信信號(hào)的地方，便于隨時(shí)監(jiān)控。

2.3 飛機(jī)適航性檢驗(yàn)

設(shè)備安裝好后，啟動(dòng)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，機(jī)上各種設(shè)備通電工作，經(jīng)檢查機(jī)載設(shè)備與航空重力測(cè)量設(shè)備均工作正常，無(wú)相互干擾現(xiàn)象。

在地面通電檢查正常后，進(jìn)行了視察飛行，確認(rèn)了測(cè)區(qū)附近不存在對(duì)測(cè)量有明顯影響的干擾源，同時(shí)評(píng)估了改裝后飛機(jī)起飛、著陸和低速飛行的性能，并檢驗(yàn)了飛機(jī)的適航性。

3 數(shù)據(jù)處理方法

3.1 航空重力測(cè)量數(shù)據(jù)后處理方法

根據(jù)三軸慣性平臺(tái)式航空重力儀的具體特點(diǎn)，研究了其重力測(cè)量數(shù)據(jù)后處理方法。研究中重點(diǎn)解決了重力敏感器信號(hào)與差分GNSS信號(hào)之間的采樣率統(tǒng)一及時(shí)間同步問(wèn)題、載體運(yùn)動(dòng)加速度求解中的相位延遲問(wèn)題以及高階低通濾波處理中的相位滯后問(wèn)題；完成了數(shù)據(jù)處理流程及軟件的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)際航空重力測(cè)量數(shù)據(jù)的處理。具體航空重力數(shù)據(jù)后處理[13-15]流程圖如圖6所示[16-18]。

圖6 航空重力數(shù)據(jù)后處理流程圖

3.2 航空重力測(cè)量精度評(píng)價(jià)方法

航空重力測(cè)量精度評(píng)價(jià)采用慣常使用的重復(fù)線內(nèi)符合精度和交叉點(diǎn)總精度評(píng)價(jià)方法。

1)重復(fù)線內(nèi)符合精度計(jì)算公式

重復(fù)線內(nèi)符合精度是利用重復(fù)線測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)價(jià)航空重力重復(fù)測(cè)量的動(dòng)態(tài)精度，反映的是各重復(fù)線測(cè)試數(shù)據(jù)相對(duì)于它們的平均場(chǎng)數(shù)據(jù)的符合程度[19-21]。

每條重復(fù)線內(nèi)符合精度的計(jì)算公式為

(1)

所有重復(fù)線測(cè)試數(shù)據(jù)的內(nèi)符合精度的計(jì)算公式為

(2)

重復(fù)線多次往返測(cè)試飛行時(shí)，尤其是不同架次的重復(fù)線，由于儀器工作狀態(tài)及飛行條件的變化等因素，導(dǎo)致每條重復(fù)線數(shù)據(jù)的平均值略有漂移，所以需對(duì)重復(fù)線進(jìn)行水平調(diào)整，調(diào)整后式(1)中δij的的計(jì)算公式變?yōu)?/p>

(3)

式中

2)交叉點(diǎn)總精度計(jì)算公式

交叉點(diǎn)總精度評(píng)價(jià)采用測(cè)線與控制線交點(diǎn)殘差值的均方差進(jìn)行評(píng)價(jià)。其計(jì)算公式為

(4)

式中：p為統(tǒng)計(jì)的交叉點(diǎn)個(gè)數(shù)；Δxi為第i個(gè)交叉點(diǎn)差值。

4 重復(fù)線精度測(cè)試

2020年11月，在海南島東南部的海面上利用Cessna 208型水陸兩用飛機(jī)開(kāi)展了GIPS-1A重力儀的重復(fù)線飛行測(cè)試，包括南北向和東西向2條重復(fù)測(cè)線(此2條測(cè)線有用俄羅斯進(jìn)口的GT-2A重力儀測(cè)試的數(shù)據(jù))，每條測(cè)線長(zhǎng)度約為60km。選用接收機(jī)為Ashtech ProFlex800，其采樣頻率設(shè)為2Hz，重力儀主機(jī)的數(shù)據(jù)輸出頻率為100Hz。飛行高度為GPS高度600m平飛，飛行地速約為60m/s。共獲得5個(gè)有效架次，19條往返測(cè)線數(shù)據(jù)，測(cè)線里程1153km。其中，1～3架次使用了主機(jī)減振器，4～5架次無(wú)主機(jī)減振器。

4.1 內(nèi)符合精度測(cè)試結(jié)果

按照3.1節(jié)的數(shù)據(jù)處理方法對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，其中有限沖激響應(yīng)(Finite Impulse Response, FIR)低通濾波器的濾波周期統(tǒng)一為100s(與GT-2A重力儀的濾波周期一致)，得出航空空間重力異常，并計(jì)算其單架次和全部架次重復(fù)線水平調(diào)整后的內(nèi)符合精度，結(jié)果如表1所示。全部架次東西向10條航空空間重力異常重復(fù)測(cè)線及其內(nèi)符合結(jié)果如圖7所示，全部架次南北向9條航空空間重力異常重復(fù)測(cè)線及其內(nèi)符合結(jié)果如圖8所示。

表1 單架次和全部架次重復(fù)線內(nèi)符合精度計(jì)算結(jié)果

圖7 全部架次東西向航空空間重力異常重復(fù)測(cè)線及其內(nèi)符合結(jié)果

圖8 全部架次南北向航空空間重力異常重復(fù)測(cè)線及其內(nèi)符合結(jié)果

從表1、圖7和圖8可以看出，單架次和全部架次100s低通濾波后的航空空間重力異常重復(fù)線內(nèi)符合精度均優(yōu)于0.6mGal，表明GIPS-1A重力儀前后不同時(shí)間的測(cè)量結(jié)果一致性好，測(cè)量數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠；去掉重力儀主機(jī)的減振器后，單架次的重復(fù)線內(nèi)符合精度沒(méi)有變差(4～5架次相對(duì)于1～3架次沒(méi)有明顯變差)，表明GIPS-1A重力儀主機(jī)對(duì)外界振動(dòng)環(huán)境的適應(yīng)性很強(qiáng)，基本可獨(dú)立適應(yīng)機(jī)載航空重力測(cè)量的振動(dòng)環(huán)境。

4.2 與GT-2A符合精度測(cè)試結(jié)果

GT-2A重力儀是從俄羅斯GT公司引進(jìn)的航空重力測(cè)量設(shè)備，目前仍然是世界上測(cè)量精度最高的系統(tǒng)之一。其主機(jī)(含底座)外形尺寸為400mm×400mm×900mm，質(zhì)量為153kg，測(cè)量精度指標(biāo)為重復(fù)線內(nèi)符合0.6mGal@0.01Hz。

選取GT-2A重力儀在相同南北向重復(fù)測(cè)線上6條最好的重復(fù)測(cè)線(其內(nèi)符合精度為0.613mGal)與GIPS-1A重力儀第四架次測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖9所示，兩者綜合在一起的內(nèi)符合精度為0.622mGal。由于GT-2A在相同東西向重復(fù)測(cè)線上的重復(fù)測(cè)量結(jié)果不理想，選取其中一條較好的2001測(cè)線與GIPS-1A重力儀第二架次測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖10所示，兩者綜合在一起的內(nèi)符合精度為0.592mGal。

圖9 第四架次南北向航空空間重力異常重復(fù)線與GT-2A符合精度

圖10 第二架次東西向航空空間重力異常重復(fù)線與GT-2A符合精度

以上與GT-2A重力儀測(cè)量結(jié)果對(duì)比的符合精度表明，GIPS-1A重力儀與GT-2A重力儀具有很高的符合度，兩者測(cè)量精度相當(dāng)。

5 試生產(chǎn)測(cè)試

2020年12月，在海南島南部的海面上利用Cessna 208型水陸兩用飛機(jī)開(kāi)展了GIPS-1A重力儀的試生產(chǎn)飛行測(cè)試。測(cè)量區(qū)域約為50km×110km，包括50條南北測(cè)線和5條東西控制線，測(cè)線間距為2km，控制線垂直于測(cè)線，測(cè)量間距10km(此區(qū)域有用GT-2A重力儀測(cè)試的數(shù)據(jù)，所有測(cè)線與控制線的位置也相同)。平均飛行高度、平均飛行速度、接收機(jī)采樣頻率和重力儀主機(jī)的數(shù)據(jù)輸出頻率保持與重復(fù)線精度測(cè)試時(shí)一致。共完成了7個(gè)架次的測(cè)量，測(cè)線里程約為4644km。

選擇試生產(chǎn)中的部分測(cè)線與同位置上的GT-2A重力儀的重力異常數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如圖11所示。圖11中結(jié)果表明，GIPS-1A重力儀的測(cè)試結(jié)果與GT-2A重力儀同測(cè)線的測(cè)試結(jié)果符合度很好。

(a)1890測(cè)線

試生產(chǎn)共獲得50條測(cè)線與5條切割線的交叉點(diǎn)共計(jì)250個(gè)，按式(4)計(jì)算得到GIPS-1A重力儀未調(diào)平的交叉點(diǎn)總精度為1.23mGal;同樣統(tǒng)計(jì)該區(qū)域GT-2A重力儀未調(diào)平的交叉點(diǎn)總精度為1.03mGal。由于GT-2A重力儀航空重力飛行測(cè)量大多數(shù)是夜航，氣流平穩(wěn)，測(cè)量質(zhì)量好;而GIPS-1A重力儀試生產(chǎn)時(shí)飛行時(shí)間在10:00～17:30之間，受冷空氣影響大，且前4架次飛行測(cè)量時(shí)東北風(fēng)最大達(dá)到35節(jié)，風(fēng)擾對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響也較大。因此，在風(fēng)擾比GT-2A測(cè)量時(shí)大得多的條件下，GIPS-1A重力儀也能達(dá)到與GT-2A重力儀同等的精度水平。

圖12所示為GIPS-1A重力儀低通濾波原始航空空間重力異常圖，圖13所示為同區(qū)域GT-2A重力儀原始航空空間重力異常圖。

圖12 GIPS-1A重力儀低通濾波原始航空空間重力異常圖

圖13 GT-2A重力儀原始航空空間重力異常圖

從圖12和圖13 可以看出，GIPS-1A重力儀與GT-2A重力儀的原始航空空間重力異常分布及走向一致，異常形態(tài)非常吻合，充分說(shuō)明了GIPS-1A重力儀試生產(chǎn)測(cè)量結(jié)果可靠，與GT-2A重力儀測(cè)量結(jié)果的一致性好。

6 結(jié)論

自主研制的GIPS-1A重力儀經(jīng)機(jī)載航空重力重復(fù)線精度測(cè)試和試生產(chǎn)測(cè)試，重復(fù)線內(nèi)符合精度優(yōu)于0.6mGal@0.01Hz，與國(guó)際上廣泛應(yīng)用的GT-2A重力儀相比，兩者符合度好；試生產(chǎn)交叉點(diǎn)總精度與GT-2A重力儀相當(dāng)，且異常形態(tài)吻合度好。測(cè)試結(jié)果表明，GIPS-1A重力儀達(dá)到了國(guó)際上先進(jìn)儀器的精度水平，并且在風(fēng)擾適應(yīng)性、體積、質(zhì)量等方面表現(xiàn)優(yōu)異，可滿足實(shí)際工程應(yīng)用需求。