绝对重力仪的发展现状及重力计量体系介绍

重力测量在国防军事、地质研究、资源勘探、地球物理、地震预报及计量科学等领域有着广泛的应用.在惯性导航系统中对惯性加速度和重力加速度进行分离,可以提高惯性导航的精度.重力加速度测量的准确性需要通过量值溯源来保证,而用于直接测量重力加速度值的绝对重力仪是重力测量量值溯源和传递的主要工具和载体.以此为背景,介绍了绝对重力仪的主要技术和发展现状,从而引出绝对重力测量和重力计量体系是整个重力测量溯源到SI国际单位制,确保其测量量值准确可靠的唯一途径.最后,简单介绍了重力计量体系以及中国计量科学研究院的相关工作.     

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。     

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。     

捷联式航空重力测量系统的数据处理方法比较与分析

重力数据处理对获取高精度重力异常值有着重要作用，是重力测量的核心技术。重力仪在搭载运动载体进行重力测量时，载体的高频振动对重力测量数据和GPS数据均会产生不可避免的干扰，导致提取的重力异常粗值含有大量高频噪声。围绕重力数据的处理方法这一核心技术，介绍了FIR低通滤波、零相移滤波、标准Kalman滤波、正反Kalman滤波4种滤波方法的基本原理，运用这4种方法处理了SAG捷联式重力仪的某次实际飞行测量数据，比对了基于SINS/GPS组合导航和SINS/DGPS组合导航的重力测量数据处理结果。通过对本次试验重复测线内符合精度进行比对，验证了4种方法的可行性和优劣性，同时验证了SAG重力仪的测量精度。     

高动态环境下惯导高阶姿态算法研究

为满足高超声速飞行器的高动态特性对捷联惯性导航系统的导航精度提出的更高要求,在分析高超声速飞行器高动态运动频谱特性的基础上,研究了高动态环境下的捷联惯导高阶姿态积分算法。通过高超声速飞行器运动特性仿真,对比分析了不同阶次姿态积分算法对捷联惯性导航系统精度的影响。仿真结果表明,在高动态环境下,采用高阶姿态积分算法能有效提高捷联惯导导航精度。     

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。     

捷联式重力仪在海洋测量中的应用与数据处理

针对海洋重力测量对重力测量系统的要求,给出了一种捷联式海洋重力仪SAG-2M,论述了系统组成、工作原理、特点和数据处理流程。利用近期获得的某海域重力测量数据,评估了捷联式重力仪精度。测量结果表明,重复测线的重力异常曲线吻合度较高,交叉点不符值精度约为1.2mGal,满足海洋重力测量的指标要求。     

捷联式惯导系统动态误差特性研究

根据载体运动状态下捷联惯性导航系统(SINS)的误差方程时变的特点,推导出捷联惯性导航系统动态误差模型,并对其在几种动态环境下的误差特性进行了仿真研究。     

惯导平台式重力测量技术实现及应用

详细阐述了解析方位双轴惯导平台式重力测量的工作原理,并通过基于方位余弦积的惯导力学编排解决了极区工作问题。在常规平台式重力测量数据处理方法的基础上,针对高动态环境提出了基于Kalman滤波的运动扰动修正方法。在此基础上研制了ZL11-1A型国产惯导平台式海洋重力仪。通过与国外主流重力仪产品海上同船作业比对,结果表明,该型重力仪在高海况下测量精度依然优于1mGal,满足重力测量作业要求。     

船用捷联惯性导航系统在运动中的快速初始对准与标定

通常情况下，常规船用捷联惯性导航系统在运动中约需４小时实现初始对准与标定。本文提出了一种有效的快速初始对准与标定方法，应用此方法的船用捷联惯性导航系统有三个光纤陀螺与三个常规加速度主。     

单轴旋转捷联惯导系统重力扰动补偿方法研究

随着惯性器件精度的提升以及系统级补偿技术的应用,惯性导航系统精度得到不断提升。原先忽略的一些误差源如重力扰动,成为制约惯导精度进一步提升的关键。针对该问题,研究了单轴旋转捷联惯导系统重力扰动补偿,补偿所需重力扰动信息通过德国波尔茨坦GFZ研制的EIGEN-6C4计算得到。仿真结果表明,经重力扰动补偿后,单轴旋转捷联惯导系统精度有显著提升。     

Balloon gravimetry using GPS and INS

Measurement of the horizontal components of gravity at altitude using balloon-borne instrumentation consisting of a Global Positioning System (GPS) receiver and a strapdown inertial navigation system (INS) is discussed. GPS data are to be used primarily to determine the total inertial acceleration of the balloon, while the INS accelerometers sense all nongravitational accelerations. A covariance analysis based on the Kalman filter shows that conventional gravity estimation from GPS-aided INS data is possible only if external attitude updates are also available. An alternative technique is explored that attempts to estimate at least part of the gravitational spectrum without modeling the gravity disturbance as a state variable or relying on external attitude updates, while, at the same time, admitting uncorrected (long-wavelength) attitude errors. Simulations based on a model for typical balloon motion are used to discuss this possibility     

Strapdown inertial navigation system algorithms based on dual quaternions

The design of strapdown inertial navigation system (INS) algorithms based on dual quaternions is addressed. Dual quaternion is a most concise and efficient mathematical tool to represent rotation and translation simultaneously, i.e., the general displacement of a rigid body. The principle of strapdown inertial navigation is represented using the tool of dual quaternion. It is shown that the principle can be expressed by three continuous kinematic equations in dual quaternion. These equations take the same form as the attitude quaternion rate equation. Subsequently, one new numerical integration algorithm is structured to solve the three kinematic equations, utilizing the traditional two-speed approach originally developed in attitude integration. The duality between the coning and sculling corrections, raised in the recent literature, can be essentially explained by splitting the new algorithm into the corresponding rotational and translational parts. The superiority of the new algorithm over conventional ones in accuracy is analytically derived. A variety of simulations are carried out to support the analytic results. The numerical results agree well with the analyses. The new algorithm turns out to be a better choice than any conventional algorithm for high-precision navigation systems and high-maneuver applications. Several guidelines in choosing a suitable navigation algorithm are also provided.     

瞄准吊舱捷联惯导系统快速传递对准方法

 新型瞄准吊舱系统中安装捷联惯导系统,使其在跟踪、探测目标的同时具备一定的自主导航能力。吊舱系统中的捷联惯导一般采用较低精度的惯性器件配置,且传递对准实现过程受到机动条件的严格限制。针对该问题提出了一种“比力积分/角速度匹配”传递对准方法,利用主惯导导航信息与惯性器件输出,以及子惯导惯性器件输出实现子惯导的对准。推导了基于主、子惯导系统误差的数学模型,详细分析了器件精度与低动态条件对系统状态量可观测度的影响,并针对低精度惯性器件与低动态条件下的传递对准性能进行了数字仿真。仿真结果表明,该方法在器件低精度与低动态条件下,对准性能达到5′,优于常规传递对准方法,可满足瞄准吊舱捷联惯导系统的快速对准性能要求。     

冷原子干涉型重力仪的发展现状与趋势

地球重力场反映了地球物质分布及其随时间和空间的变化.高精度重力加速度测量可以广泛应用于地球物理、资源勘探、地震研究、重力勘察和惯性导航等领域.冷原子重力仪是近二十年来快速发展起来的一种新型量子传感器,它利用激光冷却、原子干涉等技术实现高精度、高灵敏度的重力加速度测量.本文介绍了冷原子重力仪的发展历史、现状及趋势,详细论述了冷原子重力仪的原理、分类、装置及步骤等,并重点分析了小型化冷原子重力仪的关键技术.     

极区格网阻尼导航方法

针对舰艇在极区航行时,其常用惯性导航系统机械编排存在精度下降、无北向基准等问题,设计了适用于极区工作的格网坐标系捷联惯性导航系统机械编排.在构建了格网坐标系参考框架的基础上,建立了格网坐标系捷联惯导系统的机械编排,并分析了其误差传播特性.通过误差分析,确定了格网坐标系捷联惯导系统中存在的周期性振荡,并提出了适用于格网坐标系捷联惯导系统的阻尼技术,有效抑制了周期性振荡.最后,通过仿真实验验证了该系统在极区工作的可行性和阻尼技术的有效性.     

Strapdown inertial navigation using dual quaternion algebra: error analysis

In a strapdown inertial navigation system (INS), the general displacement of a rigid body is traditionally separately modeled and analyzed, i.e., direction cosine matrix or quaternion for rotation analysis and vector for translation analysis. As a subsequent work of a companion paper (Wu et al., 2005), this paper adopts dual quaternion algebra, a most concise and unified mathematical tool for representing the general displacement of a rigid body, to analyze error characteristics of the strapdown INS. Two new error models in terms of quaternion algebra are developed: the additive dual quaternion error (ADQE) model and multiplicative dual quaternion error (MDQE) model. Both are expected to facilitate the future inertial navigation-based integrated navigation filter.     

捷联惯性导航系统动静态误差特性分析研究

捷联惯性导航系统动静态误差特性是基于惯性的组合导航系统的主要误差来源。为此,根据捷联惯性导航系统的误差状态方程,本文分析了不同动静态情况下的捷联惯导系统的误差漂移特性。针对静基座和动基座的不同特点,分别采用了特征根和基于数值仿真分析的方法,并建立了相应的误差特性分析模型。重点研究了陀螺常值漂移、加速度计零位偏置和随机性误差对惯性导航系统误差漂移特性的影响;全面分析验证了惯性导航系统的动静态误差特性。本文的研究工作将为惯性组合导航系统误差分析建模提供了有益的参考。     

双通道光纤陀螺捷联惯导的设计与实现

针对光纤陀螺惯导精度和动态性能相互矛盾的问题,从实际应用需求出发,提出了一种高精度和大量程的双通道光纤陀螺捷联惯导系统.介绍了设计的基本原理和系统组成,并详细阐述了大小光纤陀螺设计、双通道加速度计设计和软件算法设计等关键技术,最后研制了一套原理样机.通过系统级标定试验、量程和陀螺精度试验、高动态振动环境试验和动态跑车试验等对样机进行验证,结果表明该技术方案具有可行性,为其他光纤陀螺惯导系统提供了新的设计思路.