捷聯式移動平臺重力儀地面測試結果

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）

捷聯式移動平臺重力儀地面測試結果

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資源勘探及測繪等領域具有重要意義。研制了一種基于激光捷聯慣導的移動平臺重力儀，根據移動平臺重力測量應用需求及激光捷聯慣導系統特點，采用高精度石英撓性加速度計作為重力測量傳感器，安裝于系統垂向通道，既可作為導航用垂向加速度計，又用于實現標量重力測量。介紹了工程樣機系統的組成。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的靜態精度；通過地面跑車試驗，獲得了系統動態測量內符合精度。

移動平臺重力儀；激光捷聯慣導；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進行運動載體重力測量的技術，運動載體可為飛機、飛艇、艦船、潛艇和車輛。它是陸地靜態重力和海底靜態重力測量的拓展和補充，也是重力測量的發展方向之一。移動平臺重力測量具有測量速度快、覆蓋范圍大等優點，可用于大范圍重力普查、無人區重力測量、遠程武器發射區快速重力測量等方面。

目前，移動平臺重力測量技術在地球物理勘探方面得到廣泛應用，尤其是具有簡便、快速、經濟優勢的航空重力測量發展迅速，服務領域涉及基礎地質調查與研究，石油、天然氣及固體礦產資源勘探，大地測量等方面[1]。航空重力測量的概念最早出現在20世紀50年代末，由于受到當時重力儀、導航定位設備以及垂向加速度測量精度的影響，當時得到的精度為10mGal，不能滿足實際應用要求。20世紀90年代初期至今，由于動態差分GPS定位技術的發展，實現了高精度飛機導航定位，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定平臺型航空重力儀，如INS-GPS組合系統，以俄羅斯的GT-1A重力儀和Sander公司的AIRGrav重力儀為代表；第三種是捷聯式航空重力儀，如加拿大的SINS-DGPS系統和德國的SAGS系統，俄羅斯也在研制名為GT-X的捷聯式航空重力儀[3-6]。

由于重力測量技術可用于軍事目的，因此西方掌握該技術的發達國家對我國實施技術封鎖，以至于我國移動平臺重力測量系統研制基礎和水平相對落后。本文基于上述背景，結合國外航空重力測量系統組成方案與移動平臺重力測量應用特點，提出了一種基于激光捷聯慣導的移動平臺重力儀，介紹了其組成及原理，進行了樓層靜態精度測試、車載動態重力測量試驗，并對測試數據進行了處理及分析。

1 系統組成

移動平臺重力儀采用一體式設計，慣性測量部分及電子線路部分均置于同一箱體內。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（含數字溫控電路）、GPS板、加速度計I/F板。系統組成示意圖如圖1所示，雙頻GPS OEM板除作為差分GPS系統的移動站之外，還用于輔助慣性導航，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和時間坐標。因此，移動平臺重力儀的后處理信息輸出還應包含位置、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慣導數學平臺分解，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，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 數據處理過程

移動平臺重力測量是相對重力測量，需要外部基準對其進行偏差校準、估計和補償，在測量之前需在基準點進行靜態觀測，再將測線內重力觀測值與基準點參考重力值相聯系，測線內空間重力異常（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為基準點參考重力值，由陸地靜態重力儀從重力基準站聯測得到； 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。將捷聯慣導計算結果與差分GPS處理結果進行組合濾波，獲得轉換到當地地理坐標系的比力，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在1mGal左右。根據上述原理，驗證重力儀靜態精度時，不必專門設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逐層開展靜態測量即可。

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熱結束后，開始從1樓至7樓逐層進行靜態測量，每個靜態采樣點測量時間為15min。試驗結束后，對原始數據按照自由空間重力異常數據處理過程進行處理，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，測量誤差標準差為0.160mGal。

表1 靜態試驗結果Tab.1 The results of static test

4 車載動態重力測量試驗

車載試驗系統中，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據由車上數據記錄設備存儲；選取的測量路線為路面平坦的市區公路，基站架設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于5cm，基站GPS原始數據同樣由數據記錄設備存儲。跑車結束后，再將車上數據記錄設備及基站數據記錄設備的數據下載，按照自由空間重力異常數據處理過程進行處理。

圖3給出某次車載動態重力測量四條重復測線數據處理結果曲線。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測線的重力基準數據，僅對四條重復線結果進行了內符合精度評估。內符合精度反映的是各重復測線測試數據相對它們的平均場數據的符合程度，內符合精度計算結果如表2所示。

圖3 車載動態重力測量結果曲線Fig.3 The results of movable test on ground-vehicle

表2 車載動態重力測量內符合精度Tab.2 The internal consistency of movable test on groundvehicle

5 結論

試驗結果表明，基于石英撓性加速度計和激光陀螺的捷聯慣導系統可以用于移動平臺重力測量。其靜態精度優于0.2mGal，車載動態重力測量內符合精度優于1mGal。

目前國外先進產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品相比仍存在差距，需要在關鍵元器件性能提高以及數據處理算法精度提高等方面繼續開展研制攻關工作。

綜上所述，本文介紹的重力儀系統方案及試驗結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。

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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，從事慣性導航系統相關技術研究。E-mail：li_dongming@163.com