GT航空重力测量系统（GT-1A、GT-2A）

GT-1A重力仪控制系统~

GT-1A重力仪控制系统由中央处理器（CP）来完成，所有内部操作包括惯性平台的控制、方位改正、温度补偿、加速度计校正、自动和连续的错误判断都是由内部的中央处理器来完成（GT-1A Operating Manual,2006），数据的记录和处理见图4-4-6。平台方位、滚动速率和加速度计输出都是300 Hz，在关键的平台控制和其他内部功能的完成都是300 Hz。高采样率减少了飞行时碰到的高频振动的假象，这些数据经过反假频滤波器以18.75 Hz速率进行处理，主要的控制回路也以该频率进行工作。GPS接收机输出的速度和纬度为保持平台水平提供了帮助。

图4-4-6 GT-1A实时控制和处理流程图

GT-1A重力仪控制系统执行的主要工作有：
1）初始化。仪器上电后，一步步地完成系统的设置。
2）输入信息。输入DTG的角度数据、重力传感器的温度数据、加速度计数据、光纤陀螺数据和重力传感器位置数据。对所有传感器的读数进行线性校正和偏离零点校正，同时利用DTG的角度数据和加速度计数据对重力传感器读数进行Harrison效应的校正，利用平台加速度计读数对重力传感器敏感轴非垂向进行校正。
粗细两通道的模数转换（ADC）分别获得粗细道的重力传感器输出信号：
粗道（Coarse）动态范围： ±0.5g（垂向加速度）；
细道（Fine）动态范围： ±0.25g（垂向加速度）。
3）平台（GV）控制。在系统初始化时，为平台提供一定的校正；在操作方式下，为平台提供必要的校正。校正信号来自于加速度计、光纤陀螺（FOG）、机载GPS提供的纬度和速度信息。
4）陀螺纬度罗经。获得重力仪平台的方位角和纬度，输入由平台控制产生的平台绝对角速度。
5）飞机姿态角。由陀螺纬度罗经数据和稳定角传感器的信息产生飞机的方位角、俯仰角和滚动角。在后处理时，利用该俯仰角和滚动角将GPS天线位置转到重力传感器位置上，即偏心校正。
6）重力信息。最基本的是利用次优化平滑滤波器实时地对重力异常进行最优化评价，相对于当前时间延迟了Tvc。输入信息校正后而产生的重力传感器读数分别完成了厄缶校正（利用GPS数据）和利用Helmert重力正常场公式进行的正常场校正。在地面时，重力异常值用来在地面固定位置上（Motion:v=0）监视重力传感器的工作状态。
7）伺服控制。产生的信号提供给伺服力矩传感器和方位稳定马达。该信号来自于加速度计或DTG的角度传感器和计算的方位角（方位伺服控制电路）。
8）温度控制。由温度传感器产生驱动温度控制系统（TCS）进行加热或风扇降温的信号。
9）温度控制系统（TCS）为所有传感器提供了一个恒定的工作温度，野外工作温度变化时传感器仍然保持正常的工作状态。数控电流转换器的参考电流源由3部分组成：
a.用于数控电流转换器的单温控系统；
b.用于带有陀螺仪和加速度计的平台单温控系统；
c.用于重力传感器（GSE）和参考电压源（RVS）的双温控系统。
温度传感器通过ADC将温度信号传送到CP，由CP调节温度控制系统来保持恒温。
10）命令接收和数据输出。提供重力仪中的微处理器与CDU之间的信息交流。

航空重力测量系统从测量参数上可分为重力（加速度）测量和重力（加速度）梯度测量两大类（周坚鑫等，2001；张昌达，2005；熊盛青，2007；郭志宏，2008）。
1.航空重力测量系统
航空重力测量系统又分为重力标量测量和重力矢量（比力）测量系统。按照航空重力的测量平台进行分类，航空重力测量系统分为：物理平台式航空重力测量系统、数学平台式（即捷联式）航空重力测量系统和GPS多天线航空重力测量系统。
（1）物理平台航空重力测量系统
按照物理平台的类型，基于物理平台的航空重力测量系统又分为两轴稳定平台航空重力测量系统和三轴稳定平台航空重力测量系统。这种类型的航空重力测量只能作为标量测量。
图3-1-2展示出两轴阻尼稳定平台系统（Micro-g La Coste,2006；周锡华，2008），稳定平台系统由两个正交的陀螺、两个正交的加速度计、伺服反馈系统和数控马达组成，通过稳定平台使重力传感器保持垂直。平台的阻尼周期一般为4 min或更长。利用这种稳定方式不能完全消除水平加速度对重力传感器输出结果的影响。

图3-1-2 二轴稳定平台结构示意图

常规的两轴阻尼稳定平台式航空重力标量测量系统主要包括两部分，其一是航空重力仪，用于测量总的加速度，即重力加速度与飞机平台产生的运动加速度之和；其二是GPS定位系统，用于确定平台运动加速度；重力加速度则由两者的差值确定。该类系统采用的重力仪最有代表性的是经过改装的La Coste＆Romberg海洋－航空重力仪（Klingelé E E等，1997;Meyer U等，2003），其阻尼二轴陀螺稳定平台控制重力仪垂直定向；定位系统则多采用Nov Atel、Asthech等公司生产的差分GPS系统。采用以上两类主要仪器设备组成航空重力测量系统的公司主要有美国的Carson Services公司（Navazio F等，1981）、中国的西安测绘研究所的CHAGS（China Airborne Gravity System）系统（夏哲仁等，2004；孙中苗等，2004）等。国外报道的此类航空重力系统的测量精度通常在（1～2）×10-5m·s-2左右，异常空间分辨力为4～6km左右。国内西安测绘研究所集成的CHAGS系统的测量精度通常在（3～7）×10-5m·s-2左右，异常空间分辨力为8～10km，可以满足精度要求稍低的重力大地水准面测绘工作；该研究所目前已引进并集成第二套L＆R Air-Sea重力仪组成的用于重力大地水准面测量的航空重力测量系统。
近些年国外航空重力测量系统开始引入惯性导航系统INS（Inertial Navigation System），将其作为惯导稳定平台，与GPS结合在一起，构成较为新型的、精度较高的重力传感器的三轴惯导稳定平台。图3-1-3展示出三轴稳定平台（舒勒平台）系统（Gravimetric Technologies公司，2006；周锡华，2008）。稳定平台系统由三个正交的陀螺、三个正交的加速度计、伺服反馈系统和数控马达组成，通过控制台体的旋转使陀螺和加速度计的敏感轴始终与当地的地理坐标系重合，始终保持台体在当地水平面面上，使重力传感器保持垂直。舒勒调谐平台的周期为84.4 min，从理论上讲，舒勒平台能够完全消除水平加速度对重力传感器输出结果的影响（Jekeli C,1994）。由于惯性传感器存在着固有的漂移，难以保证长期的稳定性，因此三轴平台也不能完全消除这种影响。通过温度控制和利用GPS数据补偿等措施，相对于两轴稳定平台，这种平台能够基本消除水平加速度对重力传感器输出结果的影响。

图3-1-3 三轴稳定平台结构示意图

（2）数学平台航空重力测量系统
另一种引入INS惯性导航系统的航空重力测量系统的实现方案是不用物理平台，直接将惯性导航系统INS固定在飞机机体上，与差分模式全球导航定位系统（DGPS）组合一起，构成新型的所谓捷联惯导式航空重力测量系统SINS/DGPS（Bruton A M等，2000;Kaidong Zhang等，2006）。加拿大的SINS/DGPS（Strap-down Inertial Navigation System/Differential Global Positioning System）系统和德国的SAGS（Strap-down Airborne Gravity meter System）系统（Boedecker G,2004;Boedecker G等，2006）就是这类捷联式航空重力仪系统。这种类型系统性能好、重量轻、功耗小、使用方便，其试验测量精度达（2～4）×10-5m·s-2，异常空间分辨力3～5km左右。
捷联式惯性导航系统在结构安排上最大的特点是没有机械式的陀螺稳定平台，陀螺仪和加速度计等敏感元件则固定在载体上（如图3-1-4），两类敏感元件的输入轴均按飞机的横滚轴、俯仰轴和偏航轴三维方向配置，形成惯性组合的三维坐标系（Kaidong Zhang等，2006）。为了工程上易于实现，将陀螺仪和加速度计等敏感元件机械地组合在一起，称其为惯性组合。惯性元件的各输入轴相互垂直，构成惯性组合的三维坐标系；并且惯性组合的三维坐标与飞机的三维坐标系平行；因此，陀螺仪和加速度计输出的信息就是飞机相对于惯性空间的角速度和线加速度。

图3-1-4 捷联惯导系统姿态测量结构示意图

通过对陀螺和加速度计输出信息的解算，可将惯性坐标系中的三个加速度分量转换至当地地理坐标系下的三个加速度分量，从而实现航空重力测量。这种转换计算起到了稳定平台的作用，称之为数学平台。这种类型的航空重力测量既可作为标量测量，也能用来进行矢量测量。由于对加速度计及陀螺的精度、温控、漂移和稳定性等性能指标均要求很高，目前捷联惯导式航空重力系统的测量精度和空间分辨率还难于达到较高的水平，因此该类系统多数处于研究试验阶段。
（3）GPS阵列航空重力测量系统
利用GPS阵列（如图3-1-5）来确定飞机的姿态（Boedecker G,2004），然后利用该姿态数据将重力传感器的观测值转换至当地地理坐标系下的三个加速度分量，实现航空重力测量。
由于差分GPS阵列测量姿态的精度还不能完全满足高精度航空重力测量的要求，同时位于飞机上的重力传感器由于要使用相应的减震措施来隔离飞机的振动噪声，往往造成重力传感器的姿态变化不能与飞机的姿态变化相一致，因此这种系统目前的测量精度不高。这种类型的航空重力测量只能作为标量测量。
2.航空重力梯度测量系统
航空重力梯度测量可以进一步提高目标物探测的精度、效果和分辨率。1975～1990年间，美国的公司研制成功重力梯度仪GGI（Gravity Gradient Instrument）；在此基础上，澳大利亚研制成功Falcon旋转平台重力梯度部分张量系统，内含有一套GGI的核心部件（由固定在一个圆盘边缘等间距安放的4个加速度计组成的装置），由每对加速度计的读数差值可测得重力梯度，可进行部分重力梯度张量测量。美国的Air-FTG重力梯度全张量系统由安装在陀螺仪稳定平台上的三个正交平面上的共3套重力梯度仪GGI的12个加速度计组成，因而可进行全部重力梯度张量测量。重力梯度仪的灵敏度为7～10 E（1E=10-9/s2），异常全波长为400～700 m。目前国外还处于试验阶段的航空重力梯度测量系统，包括有英国ARKex公司正在研制的用于稳定平台上的EGG航空超导重力梯度仪系统，预计仪器灵敏度将可达到1 E。澳大利亚的RIO TINTO公司目前也正在自行研制其航空重力梯度仪（郭志宏，2008）。

图3-1-5 GPS阵列姿态测量结构示意图

在地质调查和矿产勘查工作中，可以用GT-1A和Air Grav或性能相当的系统进行中、小比例尺的航空重力测量，补充或替代地面重力测量，迅速、有效地完成区域重力测量任务。大比例尺的航空重力测量可由Falcon和Air-FTG或更先进的航空重力梯度测量来完成，补充或替代地面重力测量（张昌达，2005）；但航空重力梯度测量系统目前受到西方国家的对华出口许可限制。

一、内容概述

GT系列重力技术是由莫斯科工程师与CMG合作设计的，俄罗斯莫斯科重力测量技术公司制造。2001年9月，命名为GT-1A的航空重力测量系统（图1）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，该系统精度可达到0.5mGal、分辨率1.5～2.75 km。该系统采用三轴平台惯导系统结构，对加速度计和相关电子设备采取了温控措施。

图1 GT-1A重力测量系统

GT-1A航空重力仪稳定平台由2个陀螺仪和2个水平加速度计组成。另一个陀螺仪进行方位控制，第三个加速度计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数据对平台进行辅助对准和误差消减，使平台保持水平。该系统采用数字式阻尼，通过GPS的加速度与机内加速度计测到的加速度进行对比，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。工作范围为中、低纬度地区（75°S～75°N）。

图2 GT-2A重力测量系统

GT-2A航空重力仪（图2）是在GT-1A应用了7年后升级而成。与GT-1A相比，GT-2A在灵敏度和动态测量范围方面均有提升。由于GT-2A系统动态范围大，即使在动荡的飞行条件下，GT-2A系统仍可以提供高精度的数据；GT-2A的空间分辨率为1.2～3.5km。2008年用GT-2A在加拿大Ontario地区重复飞行，RMS精度为0.5mGal。GT-2A具体参数见表1。

表1 GT-2A重力系统参数

二、应用实例及应用范围

目前GT-1A系统已达到商业实用的水平，并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。

图3 GT-2A测量结果

（a）自由空气数据剖面的RMS噪声水平1.2mGal；（b）海拔剖面图

（为了获取磁力和放射性数据，飞机离地高度保持在80m左右）

2009年，GT-2A在南非约翰内斯堡新北部的Vredefort Dome陨石坑进行了航空物探测量。由GT-2A获取的自由空气重力异常与地面获取的自由空气重力异常得出的异常图极其相似。此外，GT-2A沿着地形起伏为200m的测线进行了重复测量，结果也显示仪器十分稳定可靠，多次测量的误差极小（图3）。

三、资料来源

Canadian Micro Gravity.GT⁃2A Airborne Gravimeter ［EB/OL］.http://www.canadianmicrogravity.com/pdfs_ new/GT_ 2A.pdf

Gabell A.2004.The GT-1A mobile Gravimeter//ASEG⁃PESA Airborne Gravity 2004 Workshop，55

Richard Lane.2010.Airborne Gravity 2010.165～167

Sinkiewicz J S，Hart D A.1997.A Gyro Stabilized Airborne Gravimetry Platform.Canadian Aeronauties and Space Journal，43（2）：123

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