吳美平，周錫華，曹聚亮，張開(kāi)東，蔡劭琨，于瑞航，王明皓，鐵俊波

(1.國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，長(zhǎng)沙 410073；2.中國(guó)國(guó)土資源航空物探遙感中心，北京 100083)

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一種采用“捷聯(lián)+平臺(tái)”方案的新型航空重力儀

吳美平1，周錫華2，曹聚亮1，張開(kāi)東1，蔡劭琨1，于瑞航1，王明皓1，鐵俊波1

(1.國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，長(zhǎng)沙 410073；2.中國(guó)國(guó)土資源航空物探遙感中心，北京 100083)

針對(duì)資源勘探等高精度應(yīng)用對(duì)航空重力儀測(cè)量精度和分辨率的更高要求，在前期研究基礎(chǔ)之上，研發(fā)了新一代采用“捷聯(lián)+平臺(tái)”方案的新型航空重力儀。設(shè)計(jì)了采用石英撓性加速度計(jì)和光纖陀螺的捷聯(lián)式重力儀，采用了新型溫度控制方案，提高了重力儀的環(huán)境適應(yīng)能力。設(shè)計(jì)了穩(wěn)定平臺(tái)，將捷聯(lián)式重力儀保持在垂直方向，隔離載機(jī)的角運(yùn)動(dòng)干擾，減小了重力傳感器的動(dòng)態(tài)誤差。飛行試驗(yàn)表明，該方案是有效的，將航空重力儀的精度和分辨率提升到優(yōu)于1mGal/3km。

航空重力測(cè)量; 捷聯(lián)式重力儀; 穩(wěn)定平臺(tái); 飛行實(shí)驗(yàn)

0 引言

地球重力場(chǎng)的確定對(duì)于大地測(cè)量學(xué)、空間科學(xué)、海洋科學(xué)、資源勘探及現(xiàn)代軍事等學(xué)科具有重要意義。快速、高精度地測(cè)量地球重力場(chǎng)一直是重力測(cè)量技術(shù)的發(fā)展目標(biāo)，而航空重力測(cè)量作為一種快速動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)是獲得區(qū)域高精度高分辨率重力場(chǎng)信息的有效手段，在沙漠、冰川、沼澤、海陸交互區(qū)等難以實(shí)施地面重力測(cè)量的地區(qū)具有顯著優(yōu)勢(shì)[1]。

對(duì)航空重力測(cè)量技術(shù)的研究可以追溯到20世紀(jì)60年代，但是受限于當(dāng)時(shí)載體加速度的測(cè)量精度，并未得到較好的成果。直到20世紀(jì)80年代，隨著全球定位系統(tǒng)(Global Position System, GPS)的發(fā)展，航空重力測(cè)量技術(shù)才取得突破，先后發(fā)展出了基于不同原理的航空重力儀。不同航空重力儀的區(qū)別主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：采用的重力傳感器和水平穩(wěn)定跟蹤的方式[2]。前者采用零長(zhǎng)彈簧、金屬?gòu)椈?、石英撓性加速度?jì)等作為重力傳感器。后者采用雙軸穩(wěn)定平臺(tái)、三軸穩(wěn)定平臺(tái)以及捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)水平穩(wěn)定跟蹤。目前國(guó)際上商業(yè)化的航空重力儀主要為以下幾種：基于零長(zhǎng)彈簧和雙軸穩(wěn)定平臺(tái)技術(shù)的LCR重力儀[3]，其精度和分辨率可以達(dá)到1mGal/6km (1mGal=10-5m/s2)；基于三軸平臺(tái)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的AIRGrav航空重力儀[4]，該重力儀采用石英撓性加速度計(jì)作為重力傳感器，其精度和分辨率優(yōu)于1mGal/(2～4)km；基于三軸穩(wěn)定平臺(tái)和專(zhuān)用彈簧型重力傳感器的GT系列重力儀[5]，其精度和分辨率可以達(dá)到0.6mGal/3km。基于捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(Strapdown Inertial Navigation System, SINS)的航空重力儀由于用數(shù)學(xué)平臺(tái)代替物理平臺(tái)，具有體積小、質(zhì)量小等優(yōu)點(diǎn)，大量試驗(yàn)表明捷聯(lián)式重力儀具有同其他類(lèi)型重力儀相當(dāng)?shù)臏y(cè)量精度[6-11]。

國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)對(duì)捷聯(lián)式航空重力測(cè)量技術(shù)的研究始于2003年，先后研制了SGA-WZ01和SGA-WZ02捷聯(lián)式航空重力儀(如圖1(a)、(b)所示)，飛行試驗(yàn)表明，重力儀的精度和分辨率優(yōu)于1mGal/4.8km或(1～2)mGal/3km[2,12-14]，可以滿足大地測(cè)量等應(yīng)用對(duì)航空重力測(cè)量的需求。但試驗(yàn)也表明，當(dāng)氣象條件良好時(shí)，捷聯(lián)式重力儀的精度較好，當(dāng)氣象條件較差時(shí)精度明顯下降。這主要是由于捷聯(lián)式重力儀與載體是直接固連的，重力傳感器始終隨載機(jī)一起運(yùn)動(dòng)，使得重力傳感器的非正交誤差、標(biāo)度因數(shù)誤差等誤差項(xiàng)在大動(dòng)態(tài)條件下的影響更大，測(cè)量精度更容易受載體動(dòng)態(tài)的影響，制約了捷聯(lián)式重力儀性能的進(jìn)一步提升。為滿足資源勘探等高精度應(yīng)用對(duì)航空重力儀測(cè)量精度和分辨率的更高要求，在國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)課題的資助下，在SGA-WZ01和SGA-WZ02的研究基礎(chǔ)上，國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)和中國(guó)國(guó)土資源航空物探遙感中心共同研發(fā)了新一代采用“捷聯(lián)+平臺(tái)”方案的新型航空重力儀，目標(biāo)是要求精度和分辨率達(dá)到1mGal/3km。本文主要介紹了新型航空重力儀SGA-WZ03(如圖1(c)所示)的原理以及試驗(yàn)結(jié)果。

1 新型航空重力儀的原理

新型航空重力儀SGA-WZ03的基本原理是在捷聯(lián)式重力儀的基礎(chǔ)上增加一個(gè)穩(wěn)定平臺(tái)，穩(wěn)定平臺(tái)可以動(dòng)態(tài)跟蹤當(dāng)?shù)厮矫妫萋?lián)式重力儀安裝在穩(wěn)定平臺(tái)的內(nèi)框上，因此通過(guò)穩(wěn)定平臺(tái)可以隔離載體的角運(yùn)動(dòng)，抑制載體角運(yùn)動(dòng)對(duì)捷聯(lián)式重力儀測(cè)量精度的影響。因此，新型航空重力儀SGA-WZ03從本質(zhì)上依然是捷聯(lián)式重力儀，其數(shù)學(xué)模型與早期的捷聯(lián)式重力儀SGA-WZ01和SGA-WZ02是一致的，如下所示[1-2]

(1)

式(1)右邊的各個(gè)參數(shù)可以分成兩類(lèi)：

由于純慣導(dǎo)系統(tǒng)測(cè)量載體的姿態(tài)存在精度隨時(shí)間發(fā)散的問(wèn)題，因此需要采用SINS/GNSS組合導(dǎo)航的方式實(shí)現(xiàn)姿態(tài)的精確測(cè)量。捷聯(lián)式重力測(cè)量數(shù)據(jù)處理的流程如圖2所示。

具體步驟為：

3)利用GNSS的原始觀測(cè)信息進(jìn)行定位，得到高精度的位置信息。經(jīng)過(guò)一次差分后可得到載體的速度信息。

5)對(duì)GNSS的位置進(jìn)行兩次差分可得到載體的運(yùn)動(dòng)加速度。利用GNSS的位置、速度信息可計(jì)算出哥氏加速度、離心加速度和正常重力值。

2 新型航空重力儀的組成

新型航空重力儀SGA-WZ03主要由捷聯(lián)式重力儀、穩(wěn)定平臺(tái)、差分GNSS系統(tǒng)、減振系統(tǒng)、數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理軟件等組成，如圖3所示。這里重點(diǎn)介紹捷聯(lián)式重力儀和穩(wěn)定平臺(tái)。

2.1 捷聯(lián)式重力儀

捷聯(lián)式重力儀集成了重力傳感器、姿態(tài)測(cè)量傳感器、溫度控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等，用于實(shí)現(xiàn)三維比力和角速度的測(cè)量，其外觀如圖4所示。捷聯(lián)式重力儀采用高精度石英撓性加速度計(jì)作為重力傳感器，模數(shù)轉(zhuǎn)換采用電流/頻率(I/F)轉(zhuǎn)換電路板。姿態(tài)測(cè)量傳感器采用高精度光纖陀螺，精度優(yōu)于0.005(°)/h。

重力傳感器作為重力儀的核心傳感器，其分辨率、精度和穩(wěn)定性是影響系統(tǒng)整體精度的重要因素。由于石英撓性加速度計(jì)的測(cè)量精度主要受溫度的影響，重力儀采用了兩級(jí)溫度控制方案來(lái)保證加速度計(jì)工作溫度的穩(wěn)定。一級(jí)溫控的對(duì)象為陀螺、加速度計(jì)組成的慣性測(cè)量單元(Inertial Measurement Unit, IMU)，其目的是為給二級(jí)溫控提供一個(gè)良好的溫度環(huán)境。第一代捷聯(lián)式重力儀SGA-WZ01的溫度控制采用的是逐級(jí)加溫方式，即一級(jí)溫控溫度點(diǎn)要高于環(huán)境溫度，二級(jí)溫控溫度點(diǎn)高于一級(jí)溫控溫度點(diǎn)。這種方案存在兩個(gè)弊端，一是當(dāng)環(huán)境溫度過(guò)高或過(guò)低時(shí)一級(jí)溫控容易出現(xiàn)失效，并影響二級(jí)溫控的穩(wěn)定性；二是光學(xué)陀螺最佳工作溫度點(diǎn)是常溫，長(zhǎng)期工作在較高溫度下會(huì)影響陀螺的壽命。為此，在這一代重力儀中一級(jí)溫控采用了TEC半導(dǎo)體制冷器溫控方案，通過(guò)加溫或制冷使得一級(jí)溫控的溫度點(diǎn)保持在常溫，該方案有效提高了重力儀的環(huán)境適應(yīng)能力。二級(jí)溫控的對(duì)象為3只石英撓性加速度計(jì)組成的重力傳感器，溫控采用加熱方式，溫度點(diǎn)高于一級(jí)溫控的溫度點(diǎn)[15]。

圖5所示為重力傳感器靜態(tài)測(cè)試結(jié)果，上圖為表頭的溫度測(cè)量值，下圖為測(cè)得的重力值的漂移曲線，可以看出表頭溫度穩(wěn)定性優(yōu)于0.02℃，輸出穩(wěn)定性優(yōu)于0.3mGal。

2.2 穩(wěn)定平臺(tái)

為提高捷聯(lián)式重力儀的精度和分辨率，設(shè)計(jì)了穩(wěn)定平臺(tái)，利用穩(wěn)定平臺(tái)將重力傳感器保持在垂直方向，隔離載機(jī)的角運(yùn)動(dòng)干擾，減小重力傳感器的動(dòng)態(tài)誤差。為提高重力儀的適應(yīng)能力，滿足不同精度的需求，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，充分考慮了捷聯(lián)式重力儀和穩(wěn)定平臺(tái)的獨(dú)立性和交互性。一方面，捷聯(lián)式重力儀可獨(dú)立于穩(wěn)定平臺(tái)單獨(dú)工作；另一方面，穩(wěn)定平臺(tái)也可用于光學(xué)相機(jī)等其他載荷。為此，穩(wěn)定平臺(tái)自帶姿態(tài)測(cè)量傳感器，不過(guò)為滿足重力測(cè)量的精度需求，穩(wěn)定平臺(tái)的姿態(tài)信息需采用捷聯(lián)式重力儀提供的姿態(tài)信息，如圖3所示。

穩(wěn)定平臺(tái)的結(jié)構(gòu)如圖6所示，其中，1是力矩電機(jī)；2是捷聯(lián)重力儀，作為穩(wěn)定平臺(tái)的載荷；3是控制箱；4是狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息；5是鎖緊裝置。

通過(guò)搖擺臺(tái)試驗(yàn)來(lái)測(cè)試平臺(tái)性能。圖7給出了搖擺實(shí)驗(yàn)中的穩(wěn)定平臺(tái)，表1顯示了搖擺實(shí)驗(yàn)得到的穩(wěn)定平臺(tái)性能。搖擺平臺(tái)測(cè)試表明穩(wěn)定平臺(tái)的性能滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，可以完成其穩(wěn)定跟蹤功能。

設(shè)計(jì)指標(biāo)/(°)測(cè)試結(jié)果/(°)橫滾軸穩(wěn)定范圍±30—俯仰軸穩(wěn)定范圍±30—橫滾軸穩(wěn)定精度0.2-0.20～+0.17俯仰軸穩(wěn)定精度0.2-0.09～+0.15

3 飛行實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

2016年底，在廣西北海對(duì)新型航空重力儀SGA-WZ03進(jìn)行了飛行試驗(yàn)，本次試驗(yàn)采用固定翼型飛機(jī)Cessna208b(如圖8所示)，飛機(jī)配備有自動(dòng)駕駛儀，測(cè)線平均飛行海拔為600m，平均飛行速度為60m/s。重力儀原始數(shù)據(jù)采樣頻率為200Hz，GNSS數(shù)據(jù)采樣頻率為2Hz。為更好地評(píng)價(jià)試驗(yàn)結(jié)果，飛機(jī)上同時(shí)安裝有從俄羅斯進(jìn)口的GT-2A型航空重力儀，圖9所示為飛機(jī)機(jī)艙內(nèi)部重力儀的安裝情況。

本次飛行試驗(yàn)總共進(jìn)行了4個(gè)架次的飛行，其中2個(gè)架次為重復(fù)線飛行，共獲得16條重復(fù)線。其余2個(gè)架次為測(cè)區(qū)網(wǎng)格飛行，獲得8條南北向測(cè)線和4條東西向切割線，共有32個(gè)交叉點(diǎn)。飛行試驗(yàn)過(guò)程中重力儀連續(xù)工作約20天，捷聯(lián)式重力儀和穩(wěn)定平臺(tái)均正常工作，表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。

3.1 重復(fù)線測(cè)量結(jié)果

重復(fù)測(cè)線為東西向測(cè)線，長(zhǎng)度約為45km。第1架次重復(fù)測(cè)線(T01)共有6條重復(fù)線，其中一條測(cè)線由于進(jìn)入測(cè)線時(shí)未完全對(duì)準(zhǔn)，飛機(jī)造成較大扭動(dòng)，在測(cè)線的北端質(zhì)量較差，因此只統(tǒng)計(jì)了其余5條測(cè)線的精度，如圖10所示，可以看出異常半波長(zhǎng)分辨率為3km時(shí)，重復(fù)線內(nèi)符合精度為0.941mGal。

第2架次重復(fù)測(cè)線(T02)共有10條重復(fù)線，重力異常結(jié)果如圖11所示，可以看出異常半波長(zhǎng)分辨率為3km時(shí)，內(nèi)符合精度為0.849mGal。

通過(guò)與GT-2A航空重力儀所測(cè)得的結(jié)果進(jìn)行比對(duì)可以考察2套重力儀的一致性。圖12所示為T(mén)01、T02飛行架次GT-2A 15條重復(fù)線平均航空空間重力異常與SGA-WZ03 15條重復(fù)線航空空間重力異常的對(duì)比圖，計(jì)算SGA-WZ03 15條重復(fù)線航空空間重力異常與GT-2A平均航空空間重力異常的外符合精度值為0.955mGal，異常半波長(zhǎng)分辨率均為3km。

3.2 網(wǎng)格線測(cè)量結(jié)果

圖13所示為GT-2A航空重力測(cè)量經(jīng)調(diào)平后得到的最終空間重力異常圖，圖14所示為 SGA-WZ03航空重力測(cè)量經(jīng)調(diào)平后得到的最終空間重力異常圖。兩圖異常走向和異常幅度一致，異常反映清晰，吻合得很好。

為客觀評(píng)價(jià)2套測(cè)量系統(tǒng)的差異，將2套系統(tǒng)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)做差值，得到航空空間重力異常差值圖如圖15所示。統(tǒng)計(jì)結(jié)果最大值為3.926mGal，最小值為-2.905mGal，標(biāo)準(zhǔn)差為0.859mGal。

4 結(jié)論

針對(duì)資源勘探等高精度應(yīng)用對(duì)航空重力儀測(cè)量精度和分辨率的更高要求，研制了采用“捷聯(lián)+平臺(tái)”方案的新型高精度航空重力儀。飛行試驗(yàn)表明：

1)2個(gè)架次重復(fù)測(cè)線內(nèi)符合精度和分辨率分別為0.941mGal/3km和0.849mGal/3km，優(yōu)于1mGal/3km的指標(biāo)要求。

2)2個(gè)架次重復(fù)測(cè)線與GT-2A的符合度為0.955mGal/3km，網(wǎng)格測(cè)線獲得重力異常圖與GT-2A的符合度為0.859mGal，說(shuō)明新型航空重力儀SGA-WZ03的精度與GT-2A接近。

3)新型高精度航空重力儀SGA-WZ03的精度和分辨率有了較大提升，證明了采用“捷聯(lián)+平臺(tái)”方案的有效性。

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The New Airborne Gravimeter Using the “Strapdown+Platform” Scheme

WU Mei-ping1, ZHOU Xi-hua2, CAO Jv-liang1, ZHANG Kai-dong1, CAI Shao-kun1，YU Rui-hang1, WANG Ming-hao1, TIE Jun-bo1

(1.College of Mechatronics and Automation, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China；2.China Aero Geophysical Survey and Remote Sensing Center, Beijing 100083, China)

Aiming at the need of application such as resource exploration for better accuracy and resolution airborne gravimeter, a new airborne gravimeter using the “strapdown + platform” scheme is developed on the former research basis.The strapdown gravimeter using quartz flexible accelerometer and fiber optic gyroscope(FOG) is designed, and the environmental adaptability is improved by adopting the new thermal control scheme.The designed stable platform can keep the strapdown gravimeter vertical, insulate the angular motion disturbance, and reduce the dynamic error of the gravity sensor.The result of flight test showes that this scheme is effective and the accuracy and resolution of airborne gravimeter are better than 1mGal/3km.

Airborne gravimetry; Strapdown gravimeter; Stable platform; Flight test

2017-04-29；

2017-06-04

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(2013AA03063902)

吳美平(1970-)，男，博士，教授，主要從事導(dǎo)航技術(shù)方面的研究。E-mail:miepingwu@263.net

10.19306/j.cnki.2095-8110.2017.04.006

P223+.4

A

2095-8110(2017)04-0043-07