捷联式航空重力测量系统发展概况

三轴稳定平台型航空重力测量系统发展概况~

1.系统发展概况
俄罗斯莫斯科国立技术大学的LIGS（Laboratory of Inertial Geodetic Systems）、加拿大的SGL（Sander Geophysics Ltd.）公司以及俄罗斯莫斯科重力测量技术公司（Gravimetric Technologies Ltd）等研究单位分别对基于三轴平台惯导系统的航空重力测量系统进行了研究。
从1992年到1998年，LIGS与加拿大Calgary大学合作，对采用三轴平台惯导系统的航空重力测量系统进行了研究和试验（Sinkiewicz J S，等，1997;Ferguson S T，等，2000）。该系统采用俄罗斯生产的航空惯导系统I-21，为了满足重力测量的要求，还专门设计了一个高灵敏度的加速度计。从1993年至1997年共进行了约5×104km测线的飞行实验。这些实验在不同地区、不同气象条件以及采用不同飞机的条件下进行，实验表明该系统精度可达1×10-5m·s-2、分辨率为3km（Salychev O S等，1999）。
1992年，加拿大SGL开始了航空重力测量系统Air Grav的研制（Sinkiewicz J S，等，1997;Ferguson S T，等，2000;Argyle M，等，2000;Sander S，等，2004;Gabell A,2004）（如图4-2-5），该系统的三轴平台惯导系统包括三个惯性级的加速度计和两个二自由度挠性陀螺，并将惯导系统安装在温控箱里。平台水平姿态可控制在10″以内，这使得飞机的机动对系统的精度影响很小，并且可以进行起伏飞行（Drape flying）。该惯导平台的常平架结构可将每一个加速度计置于垂向的朝上或朝下两个方向，因而可经常对加速度计进行标定，同样也可以标定陀螺漂移。1999年夏天，利用该系统在加拿大渥太华地区进行了首次飞行试验，试验表明重复性精度达到0.5×10-5m·s-2，异常半波长分辨率为2.0km（Ferguson S T，等，2000）。目前该系统已经投入商业运营，已进行的测量主要用于石油勘探，也有部分用于探矿。由于出于保密，无法获得更多的关于Air Grav的软硬件资料。
俄罗斯莫斯科重力测量技术公司从20世纪60年代起就开始制造海洋重力仪，1995年俄罗斯总统叶利钦曾授予该公司总工程师Yuri Smoller和首席科学家Sam Jurist俄罗斯科学工程技术领域最高奖，以表彰他们为重力测量技术所作出的杰出贡献。

图4-2-5 AirGrav航空重力仪


图4-2-6 安装在机舱中的GT-1A型重力仪

2001年9月，命名为GT-1A的航空重力测量系统（如图4-2-6）在俄罗斯北部进行了首次试验飞行，之后又在澳大利亚、南非等地进行了多次飞行试验。与地面重力测量值相比较，该系统精度可达到0.5×10-5m·s-2、异常半波长分辨率1.5～2.75km（Olesen A V，等，2000,2000,2002;Gabell A,2004）。该系统的原理与Air Grav类似，也是采用三轴平台惯导系统结构，同样对重力传感器和相关电子设备采取了温控措施（Berzhitsky V N，等，2002;Wooldridge A，等2004）。
图4-2-7GT-1A型重力仪系统No.1号和No.2号于2004年3月和5月获得的重复线测试飞行结果，其内符合精度分别达到0.54×10-5m·s-2、0.47×10-5m·s-2。
2.系统硬件特点
GT-1A重力仪稳定平台由两个陀螺仪和两个水平加速度计组成。另一个陀螺仪进行方位控制，利用专用的重力传感器获取垂向加速度的变化。三轴陀螺稳定平台坐标系与GPS坐标系一致，因此可使用GPS数据对平台（如图4-2-8）进行辅助对准和误差消减，使平台保持在更稳定的水平状态，其技术比二轴稳定平台重力仪先进。该系统有采用数字式阻尼，通过GPS的位置和速度与机内加速度计测到的位置和速度进行对比，通过Kalman滤波产生阻尼，控制平台的稳定。允许工作于较恶劣的天气条件，但工作范围为中、低纬度地区（75°S～75°N）。

图4-2-7 GT-1A型系统No.1号和No.2号重复线测试结果

内符合精度（a）0.54×10-5m·s-2;（b）0.47×10-5m·s-2

图4-2-8 GT-1A重力系统硬件信号流程示意图

3.系统软件特点
GT-1A是由航空重力数据处理软件（MSU）（如图4-2-9）和Geosoft软件完成重力数据的处理，MSU软件运行于MS Windows 98/2000/XP，提供了EXE和DLL模块软件包，MSU能够适用于Geosoft软件。
该软件分别进行仪器和原始数据的质量控制、导航解算和沿测线自由空气重力的估算。
在数据质量控制方面，该软件利用原始记录文件，对GT-1 A状态进行监视、对GPS同步进行控制、对文件或紧急退出产生的Err文件错误探测。
在导航解算方面，该软件利用GPS载波相位差分的V文件计算位置和速度，利用平台I文件对陀螺垂直偏差进行估算，利用Q文件进行GPS质量控制。
在测线上航空重力估算方面，该软件进行粗细挡的饱和控制、细挡的数据改正、参考测量G5文件的统计和重力数据的质量控制。在重力测量原始数据的基础上，分别完成了GPS加速度改正、平台偏移引起的重力误差改正、厄缶改正、重力仪漂移改正、正常重力值改正、自由空气高度改正，最终获得自由空间重力异常。然后利用Geosoft软件进行中间层改正和地形改正，将自由空间重力异常转换成布格重力异常。

图4-2-9 GT-1A数据处理软件

GT-1A数据处理软件各项改正能力强，特别是利用各种参数处理颠簸情况下的重力数据要好于TAGS系统数据处理软件；GT-1A数据质量统计方法比较完善，能够比较方便地评估测量质量；在GPS解算方面，GT-1A拥有自己的解算软件。
GT-1A的后处理软件使用相当方便，生产飞行结束后几小时之内就能得到完整的Δg数据；数据处理人员需要经过一定的技术培训，才能完成数据处理。
4.系统性能指标
GT-1 A航空重力测量系统性能指标：
测量范围： 　　　　　　　　（9.76～9.84）m·s-2
动态范围：
a）细道 　　　　　　　　　　±250 000×10-5m·s-2
b）粗道 　　　　　　　　　　±500 000×10-5m·s-2
24 h漂移： 　　　　　　　　　＜5.0×10-5m·s-2
静态24 h漂移（改正后） 　　　　 ＜0.1×10-5m·s-2
静态12 h测量rms误差：
a）细道 　　　　　　　　　　（0.2～0.4）×10-5m·s-2
b）粗道 　　　　　　　　　　（0.4～0.6）×10-5m·s-2
最大角度：
a）滚动（roll） 　　　　　　　　±45°
b）俯仰（pitch） 　　　　　　　±45°
测量纬度范围： 　　　　　　　75°S—75°N
采样率： 　　　　　　　　　　2 Hz（固定）
工作温度： 　　　　　　　　　0～50℃
在5～35 Hz频率范围内允许的振动水平 0.2 g
在满足如下条件时：垂直加速度在0.5 g以内、可导航的卫星数6个以上、PDOP值不大于2.5、基线长度不大于100.0km，重力异常评价误差（rms）为：
a）0.01 Hz带宽 　　　　　　　0.6×10-5m·s-2
b）0.0125 Hz带宽 　　　　　　1.0×10-5m·s-2
该系统的优点为：①分辨率较高；②技术先进，对天气和驾驶技术要求较低；③全自动化，废品率较低；④水平加速度耦合效应小。
存在的主要问题：①系统漂移较大；②工作范围为中、低纬度地区；③飞行后的基点测量时间较长。
目前Air Grav和GT-1A这两个系统均已达到商业实用的水平，已经为多家客户进行了石油、天然气等资源勘探航空重力测量。与海空重力仪相比，采用三轴平台惯导系统的主要优点是姿态更加稳定，受水平加速度的影响更小（Argyle M，等，2000;Olesen A V，等，2000）。

1.系统发展概况
各国从20世纪30年代开始设计了几十种重力仪。经过几十年的应用，目前广泛使用的重力仪以美国生产的LCR（La Coste＆Romberg）重力仪、Bell重力仪和德国生产的KSS-31重力仪为主。
美国La Coste＆Romberg公司从1939年开始制造高精度的重力仪，1955年首次用于海洋重力测量。1958年美国空军测试用该重力仪进行航空测量的可能性，并于1965年生产出了世界上第一台带动态稳定平台的重力仪（Lacoste L,Clarkson N,1967）。1998年12月在法国和瑞士的阿尔卑斯完成了1×104km的航空重力测量任务（La Coste L等，1982;Hammer,1983;Brozena J M，等，1984,1988;Kingele E E等，1996），2002年研制出两轴阻尼惯性稳定平台Ⅱ型海空重力仪（如图4-2-1）（Verdun J，等，2002;Verdun J，等，2003,2005）。在此基础上对该系统进行了升级，2005年9月研制出两轴阻尼惯性稳定平台TAGS航空重力测量系统（如图4-2-2），并完成了飞行测试，内符合精度达到0.93×10-5m·s-2（图4-2-3），异常半波长分辨率为5.0km。

图4-2-1 L＆RⅡ型航空重力仪


图4-2-2 TAGS型航空重力仪

2.系统硬件特点
为了保持重力仪的垂向而将重力仪安装在两轴稳定平台上。平台上加速度计和陀螺的输出信息通过两轴反馈环路上的机械作用使平台保持水平。平台的阻尼周期可以选择，一般为4 min或18 min。尽管采用了阻尼回路，这种稳定方式不能完全消除水平加速度对重力仪输出的影响。正如Peters和Brozena所指出的那样（Gabell A R,Tuckrtt H,2004），平台稳定性是采用海空重力仪的航空重力测量系统的精度和分辨率进一步提高的主要障碍。

图4-2-3 TAGS型航空重力仪重复测量曲线图

图中绿线为平均值
这种航空重力仪采用零长弹簧原理，漂移小，精度高。工作范围为全球范围，包括北极和南极。其利用GPS主要是为重力仪提供高精度的时标同步和用于数据处理时解算重力场。
3.系统软件特点
几年前，美国La Coste＆Romberg公司只负责仪器生产，航空重力数据处理软件基本由航空重力测量公司自己开发的。这些航空重力测量公司都非常重视重力数据的处理方法技术，如美国LCT和ED-CON公司、加拿大Fugro和SGL公司、瑞士苏黎世联邦技术学院（ETHZ）等，通过购买了LCR海空重力仪，自己开发航空重力数据处理软件，构成航空重力测量系统，他们认为航空重力数据处理技术是关键技术。从文献资料中可以看出，即使是使用同一种测量系统，不同的航空重力测量公司获得的测量精度是不一样的，由此可见软件的重要性。
近几年，美国La Coste＆Romberg公司在升级航空重力仪的同时，也开发了自己的数据处理软件（如图4-2-4）。数据处理时，在重力测量原始数据的基础上，他们分别完成了GPS加速度改正、平台偏移引起的重力误差改正、厄缶改正、重力仪漂移改正、正常重力值改正、自由空气高度改正和交差耦合改正，最终获得自由空间重力异常。然后利用Geosoft软件进行中间层改正和地形改正，将自由空间重力异常转换成布格重力异常。另外还利用Geosoft软件进行其他处理，比如进行各种统计、水平调整和成图处理，形成重力异常图。在获取位置和速度信息时，使用Waypoint差分GPS处理软件。
4.系统性能指标
TAGS航空重力测量系统性能指标：
测量范围： 　　　　　　　　9.788～9.812m·s-2
分辨率： 　　　　　　　　　0.01×10-5m·s-2
静态测量精度： 　　　　　　0.1×10-5m·s-2
动态范围：
a）水平方向 　　　　　　　　±125 000×10-5m·s-2
b）垂直方向 　　　　　　　　±250 000×10-5m·s-2
漂移 ： 　　　　　　　　 ＜0.3×10-5m·s-2/月

图4-2-4 TAGS数据处理软件界面

最大角度：
a）滚动（roll） 　　　　　　　±22.5°
b）俯仰（pitch） 　　　　　　±22.5°
测量纬度范围： 　　　　　　 全球
采样率： 　　　　　　　　　1 Hz（固定）
工作温度： 　　　　　　　　 0～50℃
在满足如下条件时：垂直加速度在0.5 g以内、可导航的卫星数6个以上、PDOP值不大于2.5、基线长度不大于100.0km，重力异常评价误差（rms）为：
0.005 Hz带宽 　　　　　1.0×10-5m·s-2
该系统优点为：①分辨率高；②系统漂移小；③静态测量精度高；④稳定成熟；⑤工作范围为全球范围。
存在主要问题：①对天气和驾驶技术要求较高，废品率高；②摆恢复慢，影响测量效率；③水平加速度耦合效应较大。
目前有许多用户使用该仪器进行基础地质研究，石油、天然气及固体矿产资源勘探，大地水准面测量等应用。

1.系统发展概况

该类型系统性能好、重量轻、功耗小、使用方便。由于将三轴正交的加速度计固连于机体上，可用于测量重力加速度矢量（比力）；DGPS测量飞机运动加速度，用于改正飞机运动加速度对重力测量的干扰影响。因此，该类系统不仅可做重力标量测量，也可做重力矢量测量。

在Schwarz K P教授的带领下，加拿大Calgary大学率先于20世纪90年代初开展了基于捷联惯导系统的航空标量重力测量系统（SISG）（如图4-2-10）（Strapdown Inertial Scalar Gravimetry）的研究（Wei M，等，1996;Schwarz K P，等，1991,1994,1996,1997）。该系统采用惯性级的Honeywell LASEREF Ⅲ型激光陀螺捷联惯导系统。在1995年6月、1996年9月和1998年6月共进行了3次飞行试验（Glennie C，等，1999,2000;Glennie C L，等，1999;Schwarz K-P,2006;Glennie C L,1999）。

1995年6月在加拿大洛基山脉250km的飞行线路上共飞行了4次，飞行高度为5500 m、速度为430km/h。试验表明重复性精度为2×10^-5m·s^-2、分辨率7km，或者重复性精度为3×10^-5m·s^-21、分辨率5km。与地面重力点向上延拓后的数据进行比较，精度为3×10^-5m·s^-2，分辨率为5km（郭志宏，等，2007）。本次试验的目的是评估该系统能否用于大地水准面测量。

1996年9月在加拿大洛基山脉100km×100km范围内进行了3次飞行试验，其中两次的飞行高度为4350 m，另一次的飞行高度为7300 m，飞行线路间距为10km。此次飞行试验的目的是测试系统的长期稳定性和重复性。通过平差处理，重复性精度达到1.6×10^-5m·s^-2，达到了GPS和SINS综合误差的水平。同时表明，要进一步提高系统的测量精度需要采用更高精度的加速度计和提高GPS确定载体运动加速度的精度（Salychev O S，等，1995）。

1998年6月在格陵兰岛西海岸的Disko海湾进行了3次飞行试验，平均飞行高度为300 m、速度接近70m/s。这次试验的目的是，比较SISG与采用LCR重力仪的航空重力测量系统的精度。试验表明在去除线性漂移误差后两个系统的差值为（2～3）×10^-5m·s^-2，这接近两个系统总的噪声水平（Salychev O S，等，1999）。通过这次在相同环境下的直接比较表明，SISG达到了采用LCR重力仪的航空重力测量系统的精度，而且分辨率相对要高。

作为加拿大AGEM（Airborne Gravityfor Exploration and Mapping）项目的一部分，多家研究机构于2000年4月和5月联合在Alexandria地区进行了航空重力测量飞行实验（Sinkiewicz J S，等，1997），平均飞行高度为575 m、速度为45m/s。这次实验的目的是综合评估分别采用LCR重力仪、Air Grav和SISG三种航空重力测量系统的性能。在这次实验中，SISG的精度为1.5×10^-5m·s^-2、分辨率为2km（或者精度为2.5×10^-5m·s^-2、分辨率为1.4km），这个精度与Air Grav和采用LCR重力仪的航空重力测量系统的精度大致相当。这些实验表明，采用捷联惯导（SISG）的航空重力测量系统可用于中高分辨率的重力测量（Sinkiewicz J S，等，1997）。

需要指出的是，虽然SISG系统取得了一些有意义的实验结果，由于该系统直接采用了惯性级的捷联惯导系统，没有进行温度控制等硬件改造，因此系统离工程实用还有相当距离。遗憾的是，在2001年之后，该系统没能得到进一步的发展。

从2001年开始，在“BMBF-Geotechnologien-Programm”项目的资助下，德国3家科研单位开展了新型航空重力测量系统的研究，该项目的最终目标是使航空重力测量达到资源勘探的要求，也就是要达到1×10^-5m·s^-2/1km的水平。参与单位包括巴伐利亚自然科学与人文科学学院（Bavarian Academy of Sciences and Humanities）的BEK（Bayerische Kommission fur die Internationale Erdmessung）小组、慕尼黑国防军大学（University of the Federal Armed Forces Muich）的测地与导航研究所（Insti-tut für Erdmessung und Navigation,If EN）、不伦瑞克技术大学（Technical University of Braunschweig）的飞行导航与控制研究所（IFF）。

3家单位分别采用不同的研究方案，其中IFF以俄罗斯产的CHEKEN-A双轴平台重力仪为基础，通过添加一个激光陀螺来保持方位稳定，将其改造成平台惯导系统（Stelkens T H，等，2004）。If EN采用与加拿大Calgary大学类似的方案，采用的是法国产的SAGEM Sigma 30型激光陀螺捷联系统，并尝试进行矢量重力测量（Kreye C，等，2003,2004）。

BEK从20世纪90年代中期就开始研究捷联式的航空重力测量系统（SAGS）（如图4-2-11）（Strapdown Airborne Gravimetry System），在最新一代的原型样机SAGS 4中包括3个光纤陀螺和4个高精度QA3000（30）型石英挠性加速度计，并且为了满足航空重力测量的要求从硬件上采取了一些特殊措施，比如温度控制、减震、电磁屏蔽等（Boedecker G,2004;Kreye C，等，2004;Boedecker G，等，2006）。该系统已进行了多次飞行试验，但是由于温度控制一直没有达到设计要求（李清梅，2005），因此没能取得有实际意义的进展。

图4-2-10 SISG捷联式航空重力仪

图4-2-11 SAGS4捷联式航空重力仪

2.系统特点

利用惯导系统测量比力的基本原理是将重力传感器（加速度计）稳定在当地地理坐标系，重力传感器可测得比力的三个分量。对于平台惯导系统，采用的是物理平台，通过反馈控制直接使平台稳定在当地地理坐标系。对于捷联惯导系统，采用的则是数学平台，重力传感器固联在载体上，因此需要利用系统测得的载体姿态将重力传感器测得的比力值投影到当地地理坐标系。由比力测量的原理可知，比力测量误差来自重力传感器的测量误差和平台的姿态误差。

由于惯导系统的误差随时间积累，因此需要采用外部观测量来提高平台的稳定性。对于平台惯导系统，通常采用外部位置、速度阻尼来提高平台的稳定性（Forsberg R,1999）。对于捷联惯导系统，通常利用卡尔曼滤波器进行SINS/DGPS组合，以DGPS测得的高精度位置、速度为观测量，对惯导系统的位置、速度、姿态以及惯性器件误差进行估计（Bruton A M,2000）。

需要进一步突破的关键技术主要有（Salychev O S，等，1999）：①捷联惯导系统中由于将惯性传感器直接固联在载体上，其承受的动态环境更加恶劣，因此要求惯性传感器要有更好的性能，如大的动态范围、刻度因子稳定性等。②提高利用载波相位DGPS测量载体运动加速度的精度仍然是提高航空重力测量精度的一个关键。③滤波器设计。由于飞机不规则运动和振动等因素产生的扰动加速度可达10m·s^-2，而重力异常值通常只有100×10^-5m·s^-2左右，极低的信噪比使得提取微弱重力异常信号的难度很大，因此滤波器设计是系统的关键任务之一。

3.系统性能指标

捷联式航空重力测量系统的精度为：在异常半波长分辨率3km情况下，内符合精度可达到1.5×10^-5m·s^-2，说明这种系统也能应用在高分辨率的测量中。

基于捷联惯导系统的航空重力测量系统优点（Bruton A M,2000;Glennie C L,1999）主要包括：①体积小、重量轻、成本低、可靠性高、功耗小。可安装在小型飞机或直升机上，或与测量系统同时安装在飞机上进行综合地球物理勘探。②操作简单。③可作标量重力测量，也可进行矢量重力测量。

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徐闻县19821885972： 什么是捷联惯导系统? - ？
冯牵甲磺： 惯性技术是惯性导航技术、惯性制导技术、惯性仪表技术、惯性测量技术以及惯性测试设备和装置技术的统称.它在国防科技中占有非常重要的地位,广泛的运用于航天、航空、航海等军事领域;随着惯性技术和计算机技术的不断发展以及成本...

徐闻县19821885972： 捷联式惯性导航的介绍 - ？
冯牵甲磺： 惯性测量元件(陀螺仪和加速度计)直接装在飞行器、舰艇、导弹等需要诸如姿态、速度、航向等导航信息的主体上,用计算机把测量信号变换为导航参数的一种导航技术.现代电子计算机技术的迅速发展为捷联式惯性导航系统创造了条件.自50年代末人们开始研究这种新型导航系统以来,它已成功地用于导引航天器再入大气层的飞行.捷联式惯性导航系统在美国“阿波罗”号飞船上作为备用系统曾发挥了作用.

徐闻县19821885972： 在物探测量数据计算中,()是一个国家大地统一基准面 - 上学吧？
冯牵甲磺： “捷联(Strapdown)”这一术语的英文原义就是“捆绑”的意思.因此,所谓捷联惯性系统也就是将惯性敏感元件(陀螺和加速度计)直接“捆绑”在运载体的机体上,从而完成制导和导航任务的系统.

徐闻县19821885972： 捷联式惯性导航系统是什么? - ？
冯牵甲磺： 捷联惯导系统(SINS)是在平台式惯导系统之上发展来的,它是一种无框架系统,是由三个速率陀螺、三个线加速度计和微型计算机组成.捷联惯导系统的陀螺和加速度计直接固连在载体上作为测量标准,它跟平台式惯导系统区别就在于不再...

徐闻县19821885972： 惯性导航技术发展的历史过程有谁知道吗?求告知! - ？
冯牵甲磺： 从广义上讲从起始点将航行载体引导到目的地的过程统称为导航. 从狭义上讲导航 是指给航行载体提供实时的姿态、 速度和位置信息的技术和方法. 早期人们依靠地磁场、 星光、太阳高度等天文、地理方法获取定位、定向信息,随着科学技术...

徐闻县19821885972： 地漏有臭味,会从洗衣机排水管往上飘到洗衣机里面吗 - ？
冯牵甲磺： 洗衣机的排水管上边有一个排水阀,通常都是关闭状态(滴水不漏),只有排水时才被打开,所以味道是不会从排水管进入洗衣机内的.

徐闻县19821885972： 飞机是靠什么导航的 - ？
冯牵甲磺： 飞机导航系统aircraft navigation system 确定飞机的位置并引导飞机按预定航线飞行的整套设备(包括飞机上的和地面上的设备). 发展概况早期的飞机主要靠目视导航.20世纪20年代开始发展仪表导航.飞机上有了简单的仪表,靠人工计...

徐闻县19821885972： 弹道与轨道 - ？
冯牵甲磺： 弹道指枪炮弹在离开枪炮身管以后由于地球重力的影响而形成的弧形轨迹,理论上是抛物线形,但是由于空气阻力并不是抛物线.弹道适于再入大气层的飞行器,例如地地导弹,轨道指航天器绕地球飞行的轨迹,适于卫星,航天飞机和空间站的飞行.