重力匹配导航的影响模式分析

从重力场匹配导航的改进TERCOM算法入手,针对采样长度、采样间隔以及重力测量误差对匹配结果的影响进行了系统分析,并在此基础上利用海洋年度重力测量数据设计了准实时仿真试验,结果表明:(1)采样长度对匹配结果有重要的影响,采样长度与重力基准图的分辨率比值在10~20之间时,能够获得较好的匹配效果;(2)适当增加采样间隔可以在一定程度上提高匹配的整体精度,但增加了匹配失效的风险,实际应用中采样间隔以2~4 min为宜;(3)重力测量白噪声误差对匹配结果影响相对较大,过大的误差将不能得到有效匹配,水下重力测量误差最好能控制在2 mGal以内。     

重力场匹配导航的重力图生成技术

通过对当前用于海洋重力场格网插值的四种常用算法(距离倒数加权法、Kriging法、径向基函数法和改进的二次曲面Shepard方法)进行分析,以相对规则、不同密度的两组数据作为基准数据进行了插值比较。实验结果表明,基于改进的Shepard插值算法相对于其它三种算法具有速度快、精度高的优点,比较符合当前海洋重力数据获取的现状,是进行高精度重力图生成的有效方法。     

一种新的实时相关极值匹配算法设计与仿真

对传统相关极值匹配算法局限性进行了分析,并利用二维高斯样条函数张量积方法对局部重力异常离散格网基准图进行逼近以获取该局部基准图的连续解析表达式,在此基础上对相关极值匹配算法进行重新建模并采用拟牛顿BFGS非线性寻优方法对该模型进行解算。考虑到相关极值算法存在实时性差的缺点,采用固定初始序列长度的方式对初始序列采样结构进行改善,推导出了刚性变换中心从序列质心到原点的转换公式,最终完成能够实现单点迭代的基于局部重力异常基准图实时相关极值匹配算法设计,该匹配算法突破了传统离散匹配算法受限于基准图分辨率的局限。最后在2′×2′卫星测高反演重力异常数据基础上进行了两组仿真实验进行对比分析,实验结果表明,在重力测量噪声和初始定位误差较大的情况下,通过该匹配算法获得的匹配定位仍能以较高的精度实时跟踪真实航迹。     

基于EGM2008重力场球谐模型的水平重力扰动计算方法

垂线偏差数据对于提高惯性导航精度具有重要意义,阐述了使用重力场球谐模型计算水平重力扰动的方法,使用EGM2008重力场球谐模型计算水平重力扰动,并将其与美国国家地理空间情报局提供的全球2.5′×2.5′垂线偏差网格数据进行对比,验证了所述水平重力扰动计算方法的正确性。将水平重力扰动计算结果用于航空、车载惯性导航数据离线处理,结果表明EGM2008模型计算的水平重力扰动可用于补偿惯性导航;将水平重力扰动计算结果用于长航时船载惯性导航数据离线处理,结果表明惯性导航精度最大提升1.5 n mile,平均提升0.8 n mile。     

局部连续场下重力辅助导航模型构建算法

为了研究高精度的重力辅助导航模型以克服传统模型的局限,必须建立精度高且具有良好解析性质的局部重力异常场解析模型,同时考虑模型误差方程中的重力精准补偿问题。针对二维高斯样条函数逼近局部重力异常场中的局部支撑参数选择问题,通过对所涉及的系数矩阵、解误差、插值模型精度评估等问题进行分析,提出了一种新的最优局部支撑参数计算方法;基于此提出了一种高精度的基于高斯插值的重力辅助导航模型构建算法,该精准模型补偿了重力扰动矢量、标准重力值误差、厄特弗斯修正计算值对导航模型的影响。实验结果表明利用新型重力辅助导航模型构建算法,可使辅助导航系统位置精度提高1倍左右,姿态、速度精度提高1²倍,定位误差保持在1002倍,定位误差保持在100²00 m。     

区域重力异常辅助导航定位的统计分析

海洋区域的重力异常变化非常复杂,在利用重力异常数据进行水下载体的辅助导航的仿真中,有些航线我们可以得到较好的匹配结果,有些航线因为辅助区域的重力异常变化较小而不能提供较好辅助定位.利用区域内均匀分布的航线进行多航线的统计分析,可以给出比较客观的区域匹配结果.本文探讨了重力异常辅助惯性导航的相关技术,利用2'×2'的卫星测高重力异常数据,在纬度25°～130°,经度130°～135°的范围对SITAN算法的区域导航能力进行了统计分析.多条航线的统计结果表明,利用SITAN算法进行的重力异常辅助导航可以满足重力辅助导航要求.     

捷联惯组误差系数的分形特征及插值算法

针对传统模型难以描述捷联惯组误差系数的复杂性、突变性和非线性特征这一问题,研究了其多重分形特征,并提出了一种自适应分形插值算法.利用盒维数和MF-DFA方法分析得出捷联惯组误差系数具有明显的多重分形特征.改进了适用于非等间隔数据的垂直比例因子求取算法,根据测试数据间隔大小赋予每个仿射变换不同的概率和使用次数,按照无放回抽样原则进行随机分形插值,在不增加迭代次数的条件下解决了分形插值点分布不均匀的问题.利用加权平均法得到指定时间的标定值.结果表明,所提算法插值准确性比常规分形插值至少提高了3倍.     

实时ICCP算法重力匹配仿真

利用地球物理场进行辅助匹配导航是组合导航技术研究领域的新方向,该技术为水下潜器无源定位提供新的手段.迭代最近等值线算法作为重要的匹配导航算法之一,但存在实时性不强、搜索速度慢等缺点.考虑到以上两方面缺点,采用固定初始序列长度的方式对算法采样结构进行改善并推导出单点迭代公式,同时采用滑动窗搜索方式缩小搜索范围提高算法速度,最终实现实时ICCP算法设计.基于MATLAB平台下实现了实时ICCP算法重力匹配仿真系统,仿真系统采用0.4′×0.4′重力异常数据库.由仿真结果可以看出,该实时ICCP算法能够实现单点迭代,匹配结果能实时跟踪真实航迹且匹配精度能达到一个重力图网格.     

基于分形的捷联惯组历次测试数据混合插值算法

针对捷联惯组历次测试数据小样本、非等间隔、非线性的问题,提出了一种基于分形插值的三次混合插值算法.通过第一次分形插值保证原始测试数据的变化趋势;通过第二次样条函数插值保证了插值的准确性,实现原始测试数据等间隔化;通过第三次分段线性插值,扩大样本容量,同时保证了原有测试序列的统计特性不变.实例分析表明,该算法很好的实现了对捷联惯组历次测试数据的等间隔处理和样本容量扩大,为捷联惯组历次测试数据小样本建模分析提供良好的基础.     

海洋重力测量误差补偿技术

海洋重力场信息在勘探矿源和导航定位等方面都具有重要意义.进行海洋重力实时测量时,重力仪会受到各种外界扰动力的影响,再加上重力敏感器本身稳定性和惯性平台系统性能影响,重力敏感器的输出需要进行一系列数据处理和补偿后才能得到当地重力异常值,研究了重力敏感器安装角误差标定、零位漂移估计和格值修正等重力数据预处理方法.分析了海洋重力测量数据处理流程,主要包括零点漂移补偿、水平加速度误差补偿、厄特弗斯效应修正、高度修正和噪声滤波处理等.对每个数据处理过程都提出了具体补偿算法,并分析了补偿后的重力测量误差,将以上重力数据处理方法应用到实际重力测量,结果表明重力仪能够准确测量出当地重力值,其精度为1 mGa1.     

浅地表地下质量异常重力与磁探测数值模拟方法

提出一种重磁观测值数值模拟方法,用于地下空穴测量数据的解释和反演算法研究。采用更具结构灵活性的旋转椭球体作为地下空穴模型,在重力异常和重力梯度异常计算表达式的基础上,推导其磁异常计算表达式,实现空穴重磁异常信号的分析计算;借助扰动位的功率谱密度函数实现重力异常谱和重力梯度异常谱的计算,经傅立叶逆变换到空间域实现背景场统计学模拟;采用高斯白噪声模拟测量仪器或其它随机噪声信号。将三部分数据叠加并进行数值仿真,证明该方法合理有效。     

Mapping Earth's gravity in space: Review and future perspective

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.     

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。     

New families of pure gravity waves in water of infinite depth

Nonlinear periodic gravity waves propagating at a constant velocity at the surface of a fluid of infinite depth are considered. The fluid is assumed to be inviscid and incompressible and the flow to be irrotational. It is known that there are both regular waves (for which all the crests are at the same height) and irregular waves (for which not all the crests are at the same height). We show numerically the existence of new branches of irregular waves which bifurcate from the branch of regular waves. Our results suggest there are an infinite number of such branches. In addition we found additional new branches of irregular waves which bifurcate from the previously calculated branches of irregular waves.     

旋转式重力梯度测量系统试验及数据处理

旋转式重力梯度测量系统采用旋转调制方式求取重力梯度信息。首先,从旋转加速度计的基本原理出发,给出了重力梯度测量系统的主要工作模式;其次,构建了旋转加速度计重力梯度测量系统组成和主要功能模块,提出了采用引力产生装置开展实验室引力梯度测量的试验方案;最后,给出了旋转加速度计重力梯度测量系统的静态梯度试验验证基本条件、试验设备,并开展了重力梯度测量试验。试验结果表明,旋转式重力梯度测量系统在实验室条件下完成引力梯度试验,该系统可以检测优于200 Eu(1 Eu=10~(-9)/s~2)的引力梯度,该系统开展的试验验证为动态重力梯度仪的研制奠定了基础。     

基于重力场特征参数信息熵的适配区选择方法

针对当前重力统计特征参数类别繁多,选择标准复杂而导致错选有效匹配区域的问题,利用信息熵具有能够整合多种统计参数且算法计算量小的特点,提出了一种基于特征参数信息熵的重力辅助导航适配区的选择方法。首先,在DTU10模型下将该方法与传统单一特征参数的方法进行比较,确定了传统方法的确会错误选择可匹配区,从而也反映了所提出方法的优越性;其次,在该方法划分出的匹配区和非匹配区中分别设计了8条仿真航线,匹配区中仿真航线的匹配效果明显优于非匹配区中的匹配效果。仿真结果表明了该方法的有效性。     

Nonstationary motion of a shell on the surface of a heavy fluid

A three-dimensional nonstationary problem of vibrations of a flexible shell moving on the surface of an ideal heavy fluid. The forces due to surface tension are ignored. The problem is formulated in the space of the acceleration potential. The potential of the pulsating source is found by solving the Euler equation and the continuity equation taking into account the free-surface conditions (linear theory of small waves) and the conditions at infinity. The density distribution function of the dipole layer is determined from the boundary conditions on the surface of the shell. Formulas for determining the shape of gravity waves on the fluid surface and the natural frequencies of vibrations of the shell are obtained. __________ Translated from Prikladnaya Mekhanika i Tekhnicheskaya Fizika, Vol. 50, No. 4, pp. 66–75, July–August, 2009.     

The Shape of a Gravity Finger in a Rectangular Channel in Homogeneous Porous Media

Using conformal mapping techniques, we derive analytical expressions for the shape of a propagating finger in a rectangular channel in homogeneous porous media, in the absence of interfacial tension, but in the presence of gravity, acting in a direction transverse to the direction of displacement. The gravity finger propagates either along the top or the bottom boundaries of the channel, depending on the density contrast between displacing and displaced fluids. Thus, the model describes the respective cases of gravity override or gravity underrunning, which occur when a lighter fluid phase displaces a heavier one and vice-versa. The solution is expressed in terms of the finger thickness, which is a free parameter in this model. When gravity is neglected, the solution reduces to the classical solution of the Saffman–Taylor finger. Numerical illustrations are provided to examine the sensitivity of the finger geometry to the various parameters, following the scaling theory of Brener et al. (1991).