重力测量技术与惯性技术之间的关系

以加速度计为代表的惯性器件技术和以惯性稳定平台为代表的惯性系统技术,极大地推动了重力仪和重力梯度仪的发展。重力测量技术的不断进步,也有效支撑惯性导航系统性能的不断提升,并牵引了惯性技术研究的不断深入。国内惯性技术领域应将重力测量仪器研制作为一项长期而重要的主题,研制过程中应充分发掘现有技术潜力加快研制进度,并注重产品小型化和轻量化设计,推进重力/重力梯度测量技术协同发展,不断提高技术水平,拓展产品应用领域,推进惯性技术的可持续发展。     

超导重力仪器:机遇与挑战

超导重力仪器是利用超导电性构建的精密相对重力测量仪器，其工作于4.2K液氦温度，具有仪器固有噪声低、稳定性好的特点。阐述了超导重力仪和超导重力梯度仪两种仪器的工作原理与技术特征，简要介绍了作者所在课题组超导重力仪器研制的进展情况。分析了我国资源勘查用航空超导重力梯度仪研制所面临的机遇与挑战，提出了应对技术挑战的策略方法。     

速率方位平台与激光捷联惯导车载重力测量比较

目前,成熟应用的航空重力测量系统主要为两轴阻尼平台,例如LaCoste&Romberg海空重力仪,以及三轴惯导平台,例如GT-1A航空重力仪和AirGrav航空重力仪。虽然捷联式航空重力仪研制及应用尚未成熟,但通过本文对自主研制的激光捷联式与速率方位平台式航空重力仪进行的车载重力测量试验表明,两种类型重力仪样机获得的自由空间重力异常精度相当。     

航空/海洋重力测量仪器发展综述

简要介绍了航空/海洋重力测量仪器的基本概念和分类,全面分析了其应用领域。针对航空/海洋(标量)重力仪、航空/海洋矢量重力仪和航空/海洋重力梯度仪三种类型,综合阐述了其国际、国内发展现状,指出了我国航空/海洋重力测量仪器的后续发展方向。     

海空重力仪的技术现状及新应用

海洋/航空重力测量是基于移动平台的动态相对重力测量,是指用有人测量船或飞机搭载重力仪或加速度计,来测定海面或近地空中重力加速度的重力测量方法。介绍了重力仪的应用领域,针对移动海洋/航空重力仪、海空重力仪车载试验,综合阐述了其国外、国内发展现状,指出了无人重力测量技术和深远海动态重力测量技术亟待解决的问题,分析了我国在海空重力测量领域中的发展方向。     

三轴惯性平台式航空重力仪机载重力测量试验研究

介绍了自主研制的GIPS-1A三轴惯性平台式航空重力仪的组成、工作流程及技术指标,并给出了机载重力测量试验系统的集成方法和数据处理方法.经实际机载航空重力重复线精度测试和试生产测试,重复线内符合精度优于0.6mGal@0.01Hz;与国际上性能优异的GT-2A重力仪相比,重复线符合度好,试生产交叉点总精度相当,且异常形态吻合度也很好.实验结果表明,GIPS-1A重力仪达到了国际上先进仪器的精度水平,并且在风扰适应性、体积、质量等方面表现突出,可满足实际工程应用需求.     

一种采用“捷联+平台”方案的新型航空重力仪

针对资源勘探等高精度应用对航空重力仪测量精度和分辨率的更高要求,在前期研究基础之上,研发了新一代采用"捷联+平台"方案的新型航空重力仪。设计了采用石英挠性加速度计和光纤陀螺的捷联式重力仪,采用了新型温度控制方案,提高了重力仪的环境适应能力。设计了稳定平台,将捷联式重力仪保持在垂直方向,隔离载机的角运动干扰,减小了重力传感器的动态误差。飞行试验表明,该方案是有效的,将航空重力仪的精度和分辨率提升到优于1mGal/3km。     

平台式航空/海洋重力仪精密温度控制研究

以平台式航空/海洋重力仪为基础,为降低温度变化对其惯性器件尤其是重力敏感器的影响,保证重力测量的精度,设计了一种三级五路结构的高精度温度控制系统。以包含核心惯性器件的第三级温控为例,重点分析了温控对象的建模、非线性PI控制器的设计等问题,并进行了仿真分析和高低温环境下的试验验证,结果表明,在-10℃~+45℃温度范围内3个温控通道的温度变化量和温度稳定性均小于0.01℃,达到了重力仪的温度控制精度要求,为重力仪实现高精度重力测量提供了有利的温度条件。     

旋转式重力梯度仪自身梯度补偿研究

重力梯度仪安装在惯性稳定平台上,忽略载体姿态角改变等条件下的影响,在空间上保持方向不变,因此载体相对于重力梯度仪的旋转会改变其周围空间的质量分布,从而引起自身梯度的变化.这种自身梯度变化影响了重力梯度仪的测量精度,是动基座重力梯度测量误差的重要来源.由于周围环境物体到重力梯度仪的距离很近,采用基于中心引力梯度的方法计算自身梯度具有较大误差.推导了基于加速度计输出的重力梯度仪自身梯度补偿方法.仿真结果表明通过基于中心引力梯度的方法和基于加速度计输出的方法分别计算单位质量的质量点产生的自身梯度时,0.3m位置处自身梯度补偿的偏差超过5E,采用基于加速度计输出的方法进行自身梯度补偿更加精确.     

捷联式移动平台重力仪地面测试结果

自主研制移动平台重力仪对我国矿产资源勘探及测绘等领域具有重要意义。研制了一种基于激光捷联惯导的移动平台重力仪,根据移动平台重力测量应用需求及激光捷联惯导系统特点,采用高精度石英挠性加速度计作为重力测量传感器,安装于系统垂向通道,既可作为导航用垂向加速度计,又用于实现标量重力测量。介绍了工程样机系统的组成。利用重力场随高度升高衰减的原理,以相邻楼层间的重力测量差值评价了系统的静态精度;通过地面跑车试验,获得了系统动态测量内符合精度。     

量子重力梯度仪研究进展

重力梯度是重力位的二阶微分,对地球密度扰动具有更高的分辨率,能够更加精细、全面地反映重力位在空间上的变化。高精度重力梯度测量在地质调查、地球重力场测绘、惯性导航以及基础科学研究等方面发挥着重要作用。量子重力梯度仪是近年来快速发展的一种基于激光操控原子技术的新型高精度重力梯度测量设备,具有测量精度高、长期稳定性好等特点,尤其是对振动噪声具有良好的抑制效果。目前,量子重力梯度仪的最佳灵敏度可达4E/√Hz,与最先进的旋转加速度计式重力梯度仪灵敏度3E/√Hz的水平相当。本文介绍了量子重力梯度仪的基本原理和应用,并分析了其国内外研究现状,最后讨论了目前限制量子重力梯度仪灵敏度的主要因素以及未来发展方向。     

水下重力匹配定位算法综述

随着重力测量和水下导航技术的发展,惯性/重力匹配导航技术因其精度高、自主性强和航时长等优点,已成为水下自主导航的重要研究方向。惯性/重力匹配导航系统主要由惯性导航系统、重力实时测量、海洋重力场背景图和重力匹配定位算法构成。重力匹配定位算法通过将实时测量的重力异常值与构建的重力场背景图进行匹配,得到水下运载体当前时刻的位置信息,是惯性/重力匹配导航技术的核心。本文详细介绍了重力匹配算法的技术发展现状,重点分析了具有代表性的ICCP算法、SITAN算法、矢量匹配算法及其衍生算法,并对惯性/重力匹配水下自主导航技术的未来发展进行了展望。     

一种新型机载对地观测用三轴稳定平台陀螺安装方式

陀螺安装方式及相应的算法编排是稳定平台设计中的一项关键技术。针对机载对地观测用三轴稳定平台特点,提出了将方位陀螺安装在方位环上,俯仰陀螺和横滚陀螺安装在俯仰环上的陀螺安装方式。利用空间矢量分解理论分析了陀螺输出角速度信号的投影关系及电机控制信号的分配;基于稳定平台系统模型,对理想正交情况和考虑陀螺安装误差情况进行了仿真分析,验证了此种安装方式的可行性和优越性。分析表明,在同等条件下,所提出的安装方式减小了稳定平台的机械尺寸,降低了稳定平台的重量和功耗,实现了三维角速度的正交测量,简化了三轴解耦控制算法。研究结论可为其他三轴稳定平台结构设计和陀螺安装方式设计提供参考。     

基于动基座重力梯度仪的导弹主动段飞行状态估计

弹道导弹主动段由于惯导系统工具误差和扰动引力的影响,使得导弹关机点状态参数偏离标准关机状态参数,大大影响了导弹的命中精度.为此,提出了基于动基座重力梯度仪的导弹主动段飞行状态估计方案,利用动基座重力梯度仪测得的导弹实际位置引力梯度信息,采用卡尔曼滤波方法,修正导弹当前的飞行状态.通过初步仿真,证明该方法理论上是可行的.     

重力测量稳定平台控制系统设计与实现

介绍了重力测量惯性稳定平台的系统工作原理.设计了一种基于DSP加FPGA架构的嵌入式控制系统.详细描述了控制系统的功能划分以及硬件实现.提出了电流、速度和位置三环回路控制方案.车载测试结果显示稳定平台能实现地垂线跟踪,验证了所设计控制系统的有效性.     

平台式重力仪航空重力测量数据后处理技术研究

针对航空重力测量对数据后处理的要求,结合平台式重力仪系统的组成与工作原理,在重力异常信号的频域特征基础上,设计出一套有严格频域规范的航空重力数据后处理流程,并对某海域实测数据进行了处理。结果表明,重力异常值内符合精度为12条东西测线达到0.43mGal/140s和0.84mGal/100s,4条南北测线达到0.39mGal/140s和0.79mGal/100s;以同测线GT-2A单次测量结果为标准值统计标准差,12条东西测线为0.72mGal/140s和0.98mGal/100s,4条南北测线为1.41mGal/140s和1.53mGal/100s。结果表明,设计的航空重力测量数据后处理方法可以实现重力异常信号的高精度提取。