基于正则化等效源模型的航空重力梯度测量信息降噪方法

航空重力梯度测量能获取重力梯度的多个分量,在保证各梯度分量内部固有约束条件下降低测量噪声,是一个巨大的挑战。为提高航空重力梯度测量精度,提出一种基于正则化等效源模型的测量降噪方法。根据矩形棱柱体与重力梯度之间的关系构建了等效源线性方程组,针对该方程组可能存在病态性的问题,引入截断奇异值TSVD和Tikhonov正则化的方法,对等效源模型进行正则化改造。模拟试验表明,正则化方法能够有效抑制病态系数矩阵小奇异值放大噪声对未知参数的污染,提高反演的精度和稳定性,其中基于L曲线确定正则化参数的截断奇异值TSVD法精度较高。实测数据表明,利用正则化等效源滤波转换的垂直梯度与利用傅里叶变换转换的结果吻合。可见,正则化等效源是重力场滤波和分量转换的有效工具。     

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。     

边缘CPF算法及在重力梯度辅助导航中应用

惯导固有原因使得载体长时间航行累积大量误差。可通过重力梯度量测与惯导组合导航方法来修正导航误差。先对重力梯度仪与惯导组合导航原理进行阐述,提出重力梯度仪辅助INS(GAINS)的系统框架图,对导航用重力梯度图和重力梯度仪进行分析,设定组合量测方程。然后根据状态空间方程的特点,提出使用边缘Cubature粒子滤波(CPF)进行融合估值。通过理论方法证明其对方差的减小,同时给出算法流程。相同条件下与已有APO-PF算法仿真进行经纬度RMSE结果对比,表明该算法估值精度更高;并用CEP对导航误差研究,得到在性能较低的惯导条件下、在梯度仪12E和102E噪声下4h的CEP数值分别为0.044 n mile和0.072 n mile的结果。最后对状态方程简化,定性分析出其余状态量的估值效果。     

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。     

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。     

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。     

网络RTK参考站间模糊度动态解算中病态方程的一种解算方法

在网络RTK参考站间的模糊度估计中，若误差方程严重病态，将导致模糊度解与其准确值偏差较大或整周模糊度无法固定，因此提出了一种适于网络RTK模糊度动态解算的新方案：1）法方程病态性的判断；2）Tikhonov正则化解算病态方程；3）LAMBDA方法搜索固定整周模糊度。同时，深入研究了Tikhonov正则化矩阵的构造方法和正则化参数的选取准则。最后以实例验证了采用此方案解算病态方程是可行的，通过选取合适的正则化参数可以解得准确的整周模糊度；详细讨论了选择不同的正则化参数对模糊度解算结果的影响。     

卫星平台扰动对星载原子干涉重力梯度仪测量影响分析

面向未来空间应用,分析了卫星平台扰动对星载原子干涉重力梯度仪测量噪声的影响。其中卫星平台平动自由度的干扰加速度导致梯度仪质心偏差和梯度仪基线长度变化,卫星平台转动自由度的干扰加速度带来拉曼激光方向偏离,引入额外的离心力与科里奥利力。分析结果表明,对于卫星平动自由度,其干扰加速度贡献的原子干涉重力梯度仪测量噪声较小,可忽略不计;对于卫星转动自由度,可通过对卫星角运动的测量和补偿,将原子干涉重力梯度仪的测量噪声在0.1?Hz以下的测量频带内抑制到1?mE/Hz1/2。所述研究将对未来原子干涉重力梯度仪的星载应用提供理论支撑。     

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.     

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.     

重力梯度力矩近似公式适用条件的探讨

教材中重力梯度力矩经典近似公式是基于常规尺寸空间结构推导的,如果直接应用于超大尺寸结构可能会导致精度不够、甚至错误的结果.以超大空间哑铃结构为研究对象,对比了基于重力梯度力矩非近似公式与经典近似公式得到的姿态动力学响应,指出了经典近似公式的局限性.通过提高重力梯度力矩中近似项的保留精度,提出了修正公式,并验证了该公式的适用性.所得结论是对重力梯度力矩教学内容的有益扩展,对工程应用也有帮助.     

基于因子克里金分析方法的航空重力梯度降噪

针对航空重力梯度测量数据降噪处理中,传统低通滤波器存在需要选择最优滤波参数和对原始数据网格化的问题,提出应用地质统计学中的克里金分析方法进行重力梯度测量数据降噪。首先对重力梯度这一区域化变量进行结构分析,确定其变异函数是否具有各向同性的性质。接着采用加权最小二乘法对各向同性的变异函数套合拟合,分解出不同参数的变异函数。最后利用因子克里金方程组将不同参数的变异函数转换成不同尺度的因子,从而实现重力梯度的多尺度分析,进而达到降噪的目的。模拟数据试验表明,因子克里金降噪法非常适用于地质特征明显区域的梯度场降噪,相对于传统的低通滤波器,重力梯度各分量精度平均提升了36%,而垂直梯度分量尤为显著达到了42%。降噪后的实测航空重力梯度也呈现出明显的地质走向特征。     

重力垂直梯度数据地图特征及其辅助导航

从随机过程理论出发,研究了重力垂直梯度场的主要特征参数(标准差、粗糙度、信息熵),通过选定局部窗口的滑移,计算了西太平洋海域分辨率为2’×2’的重力垂直梯度特征参数。选取不同特征区域的3条航线进行辅助导航仿真定位,并对导航能力进行统计分析,给出了重力垂直梯度特征参数与匹配成功率、定位误差的关系;在统计准则下,匹配成功率大于90%、定位精度优于1nmile,表明重力垂直梯度特征参数可以作为匹配区域选择以及航线规划的数量性依据。     

Sloshing dynamics-modulated fluid angular momentum and moment fluctuations driven by orbital gravity gradient and jitter accelerations in microgravity

The dynamical behavior of spacecraft propellant affected by the asymmetric combined gravity gradient and jitter acceleration are studied. In particular the effect of surface tension on partially-filled rotating fluids applicable to a full-scale Gravity Probe-B Spacecraft dewar tank has been investigated. Three different cases of orbital accelerations: (a) gravity gradient-dominated, (b) equally weighted between gravity gradients and jitter, and (c) gravity jitter-dominated accelerations are considered. Fluctuations of angular momentum, fluid moment and bubble mass center caused by slosh wave excitations driven by gravity gradient and jitter accelerations are also investigated.     

Sloshing dynamics modulated cryogenic helium fluids driven by gravity gradient or jitter accelerations associated with slew motion in microgravity

The mathematical formulation of the Dewar container sloshing dynamics for a partially filled liquid of cryogenic superfluid helium II driven by the gravity gradient or jitter accelerations associated with slew motion in a microgravity environment are studied. The numerical computation of sloshing dynamics is based on the non-inertia container bounded frame and the solution of time-dependent, three-dimensional partial differential equations subjected to the initial and boundary conditions. This study discloses that the capillary effect of sloshing dynamics governs the liquid-vapor interface fluctuations driven by the gravity gradient or jitter accelerations associated with slew motion in a microgravity environment. The peculiar behavior of superfluid helium in response to sloshing dynamics is also investigated.