旋转加速度计重力梯度仪误差分析

安装误差和加速度计标度系数的不匹配对旋转加速度计重力梯度仪的分辨率影响很大。为此,用线性微扰方法对旋转加速度计重力梯度仪的测量方程求取变分,得到重力梯度仪的误差方程;对误差方程进行分析,得到安装误差各项对重力梯度仪输出的影响;同时,给出含有加速度计性能参数的重力梯度仪的误差方程。以澳大利亚FALCON旋转加速度计重力梯度仪为例,具体给出径向距离误差、切向误差角等大小值。     

旋转加速度计重力梯度仪标定方法

提出一种旋转加速度计重力梯度仪标定方法,在重力梯度仪外侧空间确定的四个位置上依次放置一定质量的检测质量体,根据检测质量体在正交位置上引起的重力梯度大小相等,符号相反的关系确定出重力梯度标度系数,采用旋转重力梯度仪本体方式确定出重力梯度零位。给出了重力梯度零位和标度系数计算表达式,在重力梯度半物理仿真系统上进行了仿真试验验证,仿真结果表明,标定后重力梯度测量误差小于1E。     

全加速度计惯性导航与重力梯度测量系统设计

全加速度计惯性导航技术侧重于测量排除重力干扰影响的载体运动加速度,而利用加速度计进行重力梯度测量则侧重于测量排除载体运动影响的重力变化.一方的测量信号恰为另一方的噪声.利用加速度计技术,将二者结合在一起,理论上推导出同时进行惯性导航与重力梯度测量的可行性.基于此原理,论文设计了一种12加速度计的全加速度计惯性导航与重力梯度测量系统.论文给出系统进行惯性导航与梯度测量的公式.并预计,在未来几十年中,惯性导航与重力梯度测量将成为同一概念,此系统将成为未来惯性导航的发展方向.     

重力梯度测量中光栅角编码器安装误差的影响及分析

旋转加速度计式重力梯度仪中的台体旋转误差会影响梯度测量精度。若以光栅角编码器作为旋转控制的角度测量元件,其安装误差会产生相应的旋转控制误差。为此,需要对光栅角编码器安装误差的产生机理进行分析,了解其对旋转加速度计式重力梯度仪测量精度的影响程度。利用光学技术方法测量光栅角编码器安装误差所引起的角速度和角加速度的变化,最后通过角位置补偿修正光栅角编码器安装误差以减小运动不平稳性对重力梯度测量的影响。实验表明该方法对光栅角编码器进行补偿可以有效减小码盘安装误差对旋转控制的影响。     

旋转加速度计重力梯度仪加速度计标度因数实时反馈调整方法

旋转加速度计重力梯度仪在实际工作过程中,由于平台稳定性、旋转机构控制精度、敏感器安装误差、加速度计标度因数匹配性以及其他噪声源的存在,对高精度重力梯度测量构成严峻挑战。在诸多影响因素中,加速度计标度因数的不一致性对测量精度影响最大。本文提出一种旋转加速度计重力梯度仪加速度计标度因数实时反馈调整方法,旨在提高获取重力梯度信号的能力。该方法首先对相对两只加速度计的和输出信号以及重力梯度仪总输出信号分别进行带通滤波,然后对滤波器输出信号中含有加速度计标度因数不平衡信息信号进行幅值解调,对三组解调结果分别进行平滑处理,采用模糊PID控制算法实时反馈调整加速度计内部的电磁线圈力矩,达到调整加速度计标度因数的目的。实验测试分析表明,采用模糊PID反馈调整算法可以快速实现四只加速度计标度因数一致,相对两只加速度计标度因数调整量级可以达到10?7,两对加速度计标度因数的调整量级可以达到10?5,提高了获取重力梯度信息的能力。     

一种用于重力梯度动态测量的载体环境引力梯度补偿方法

重力梯度仪动态测量时,重力梯度敏感器一直稳定在地理坐标系下,载体姿态变化使载体质量分布相对敏感器的位置发生变化,形成载体环境引力梯度变化。为提高重力梯度仪动态测量精度,提出一种基于Tikhonov正则化的载体环境引力梯度补偿方法。首先,推导了载体环境引力梯度的解析模型,建立了引力梯度变化的回归方程。然后,针对回归算子病态性问题,提出了Tikhonov正则化方法,通过半物理仿真确定最优正则化参数,使补偿量的误差控制在2%以内。最后,利用该参数处理船载试验实测数据,结果表明:所提出的方法对载体环境梯度变化补偿具有明显的效果,可将两路重力梯度测量信号内符合中误差分别降低19 E和21 E,补偿后重力梯度测量精度达到10 E的精度水平。     

旋转加速度计重力梯度仪标度因子调整方法及误差补偿研究

在旋转加速度计重力梯度仪的重力梯度测量原理的基础上,本文提出了加速度计标度因子的在线调整方法。此方法对加速度计组合输出信号中的标度因子不平衡信息进行解调,通过反馈实现标度因子的调整,同时可实现对重力梯度仪系统误差的补偿。     

重力梯度仪的现状和前景

本文论述了重力梯度仪在惯性导航、地球科学、地质科学中的重要作用以及重力梯度仪的现状和前景,着重评述了旋转加速度计重力梯度仪、静电加速度计重力梯度仪和超导重力梯度仪的现状和发展,最后指出了对重力梯度仪的应用和发展需要进一步研究的问题.     

旋转重力梯度仪的加速度计动态调节方法与需求分析

适合陆基使用的旋转重力梯度仪采用多个加速度计的组合输出,能有效地抑制平台的共模噪声,实现对地球表面微小重力梯度变化信号的测量.其关键技术之一就是对多个加速度计进行动态匹配调节,通过实时反馈来降低多种噪声和误差,从而降低对研制单个加速度计的性能要求.本文结合旋转重力梯度仪中加速度计的匹配调节方法,以重力梯度测量分辨率达到1E为目标分析,结果表明对加速度计的标度因子一致性匹配需要达到10-11的量级,对二阶非线性因子调节同样需要达到～10-11g/g2的量级.     

航空重力与重力梯度测量对惯性稳定平台的需求分析

从航空重力与重力梯度测量原理出发,先后导出航空重力与重力梯度测量的观测方程和测量误差方程,然后依据地球重力场特征和功率谱的相关理论,结合航空重力与重力梯度测量中的GPS定位、惯性稳定平台的指向和稳定性、加速度计和梯度仪的误差模型,分析了航空重力与重力梯度测量对稳定平台的需求,在此基础上以航空重力测量中国外常用的双水獭(Twin-Otter)固定翼飞机的实际飞行参数为例,通过数值计算给出了航空重力测量分辨率达到1 mGal时,对惯性稳定平台的角度指向精度、稳定性和随机漂移的要求分别为0.0005°、0.006°/h/Hz和0.0003°/h;航空重力梯度测量分辨率1 E时,对稳定平台对应的指标要求分别降低为0.5°、0.01°/hr/Hz和0.01°/hr。     

星载原子干涉重力梯度仪测量方法与噪声分析

原子干涉重力梯度仪在星载环境下可获得较长的干涉时间,有效规避了原子触碰容器壁的风险,因此可实现高精度的测量,同时利于星载仪器的小型化。目前原子干涉重力梯度仪地面测量技术成熟,尚未得到空间应用。根据星载失重的特殊条件,提出一种适用于空间微重力环境的原子干涉重力梯度测量方法,并对其测量精度进行了分析。结果表明,在卫星重力测量关注的0.1 Hz以下的测量频带内,星载原子干涉重力梯度仪的潜在测量精度可达到1 mE/Hz~(1/2)。该测量方法为未来原子干涉重力梯度仪的星载应用提供重要的技术基础。     

旋转加速度计式重力梯度仪输出解调与滤波

重力梯度仪是对地球表面微小重力梯度变化进行连续测量的仪器。由于核心敏感元件加速度计工艺与性能水平限制,以及多环节安装误差等因素导致系统实际输出信号中包含了大量噪声,且信噪比极低,为了能够在强噪声中有效提取真实的重力梯度信号,需在信号解调过程中降低谐波干扰引起的测量偏差。结合误差产生机理,分析比较了不同的解调方法对重力梯度信号解调的影响,明确了合理的信号解调手段。同时,在数据处理过程中增加带通滤波环节,进一步降低动态噪声对系统的影响。结合动态摇摆实验数据的仿真验证结果表明:上述措施对重力梯度仪原始观测数据的噪声抑制具有明显效果,测量偏差在一定程度上得到解决,解调后信号的噪声幅度下降至20%,提高了系统的空间分辨率,具有工程化应用意义。     

高精度加速度计分辨率的动态估算方法

高精度定位定向系统和重力测量系统需要高分辨率的加速度计,传统测试方法难以确定高精度加速度计的分辨率。对此,提出了一种使用双轴转台动态估算加速度计分辨率的方法,即匀速旋转调制法。将加速度计安装在双轴转台台面上,待转台调平,台面绕倾斜轴转过一个小角度后锁死,回转轴以一定的角速度旋转调制以对重力加速度分量进行细分,将加速度计的输出采样后进行FFT低通滤波,通过加速度计峰值与谷值处输出变化最大值的分析可以确定加速度计的分辨率。最后,对某型加速度计分辨率进行了实验验证,测试结果表明,当倾斜角度为0.001°,旋转调制角速率为10(°)/s,采样率为32 Hz时,输入的加速度最大变化为9.36×10-8g,加速度计敏感到的加速度变化量为1.05×10-7g。     

旋转流体侵入型异重流实验研究

文中介绍了对旋转系统中侵入型异重流特征的若干实验室观察结果,在Coriolis力作用下,异重流取沿岸(壁)流形式,其宽度与其Rossby变形半径成比例,在实验的参数范围内,这种沿岸流均为不稳定的,在其演化过程中产生出气旋——反气旋涡对,乃至与岸壁分离与再附的大弯曲,本文还初步考察了波长、相对厚度与Frou de数之间的关系。     

基于超导的全张量重力梯度敏感头设计

基于超导的迈斯纳效应与超导量子干涉技术,结合柔性并联机构理论,设计一种基于超导的全张量重力梯度敏感头。敏感头采用6个完全相同的同时具有移动与转动自由度的敏感结构,对称的布置在正六面体外,对称面的两个敏感结构相对旋转90°成垂直状态。轴向间距使两个敏感结构直接测量重力梯度轴向分量,相互垂直使两个敏感结构既可以测量重力梯度交叉分量,也可以测量共模角加速度。利用超导线圈的电感变化响应质量块位移,进一步通过超导回路将其转变为磁场变化,并由超导量子干涉器进行检测。敏感结构采用8分支的柔性并联机构支承,构成空间对称的形式,可以实现对称的力学特性,保证各处的柔性铰链产生均匀变形,减少非对称的偏移,避免单一铰链的应力集中,具有沿轴移动刚度与绕轴转动刚度小、非设计的寄生误差方向刚度大的优势。在惯性系下的全张量重力梯度值可由坐标变换得到,可以预期得到1E的测量精度。     

地球重力场空间探测: 回顾与展望

地球重力场的科学数据在地球测绘学、冰川学、陆地水循环、固体地球物理、灾害监控及国防军事等领域具有重要应用价值. 美、德合作研制的地球重力场反演与气候实验(gravity recovery and climate experiment, GRACE)卫星, 有力地推动了地球重力场测量、反演和应用. 为进一步提高重力卫星科学数据的时、空分辨率, 扩展应用领域, 中国及欧美等国都考虑发射升级的重力卫星, 即后GRACE 计划(GRACE-follow-on). 本文将简单回顾重力卫星的发展历程, 介绍重力卫星的数据采集技术和反演方法, 亦着重阐述后GRACE计划的测量方法学、关键技术及预期结果.