三軸慣性平臺式航空重力儀機載重力測量試驗研究

胡平華，周錫華，姜作喜，趙 明，羅 鋒，王冠鑫，閆 方，劉東斌，陳曉華

(1.北京自動化控制設備研究所，北京 100074；2.中國國土資源航空物探遙感中心，北京 100083)

0 引言

地球重力場數(shù)據(jù)是國家的重要戰(zhàn)略資源，對于現(xiàn)代國防、資源勘探、空間科學、海洋科學、大地測量學、地球物理學和地球動力學等領域均具有重要意義[1-3]，在國民經(jīng)濟、社會發(fā)展以及國家安全中發(fā)揮著極為重要的作用[4-5]。

航空重力測量是利用航空重力儀、差分全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System, GNSS)等進行空中連續(xù)、均勻、中高頻動態(tài)重力測量，是陸地、海洋和衛(wèi)星重力測量的重要拓展和補充[1]，具有可實現(xiàn)對人員難于達到的沙漠、沼澤、山川、原始森林、河湖、海洋等地區(qū)進行重力測量的優(yōu)勢，此外還具有測量速度快、覆蓋范圍廣、效率高、成本低等特點，可用于大范圍重力普查、無人區(qū)重力測量和遠程武器發(fā)射區(qū)快速重力測量等[6-8]。

隨著我國“一帶一路”、海洋強國、深地資源勘查開采等發(fā)展戰(zhàn)略的推出，國內(nèi)航空重力測量技術研究得到前所未有的快速發(fā)展，航空重力儀的研制也取得了突破性的進展[9-12]。北京自動化控制設備研究所聯(lián)合中國自然資源航空物探遙感中心，利用自身在小型高精度慣性器件和平臺慣導系統(tǒng)方面的技術基礎，采用與加拿大SGL公司的AIRGrav重力儀相同的三軸慣性平臺+石英撓性加速度計式重力敏感器技術方案，在已裝備的航空慣性導航系統(tǒng)的基礎上進行改進，研制出了GIPS-1A三軸慣性平臺式航空重力儀[7，13]，經(jīng)機載航空重力測量試驗驗證，達到了國際上先進儀器的精度水平，并具有良好的實用性。

1 重力儀介紹

1.1 組成及功能

GIPS-1A三軸慣性平臺式航空重力儀由重力儀主機、供電顯控裝置、差分GNSS基準站和移動站，以及相關軟件組成，其硬件組成如圖1所示。各部分的功能主要為：

1)重力儀主機：用于測量載體的垂向比力(重力加速度和運動加速度的合成)，是重力儀的核心部分，主要包括三軸慣性平臺、重力敏感器、二次電源、控制電路和導航計算機等。其中三軸慣性平臺主要由2個動力調(diào)諧陀螺、2個導航級石英撓性加速度計、3個角度傳感器、3個力矩電機和3個框架等組成。

2)供電顯控裝置：用于為重力儀主機供電，控制其工作狀態(tài)，并將其測量的重要數(shù)據(jù)和狀態(tài)進行存儲和顯示。

3)差分GNSS基準站和移動站：用于獲取高精度的差分GNSS測量信息，包括高精度的位置、速度和加速度信息，實現(xiàn)重力數(shù)據(jù)處理過程中各項改正的高精度計算，例如：厄缶改正、正常重力改正、運動加速度改正等。

4)軟件：包括系統(tǒng)軟件、自標定軟件、監(jiān)控軟件以及后處理軟件等。

(a)重力儀主機

1.2 工作流程

GIPS-1A重力儀的工作流程包含準備階段、測量階段、熱待機和數(shù)據(jù)后處理階段(如圖2所示)。最具特點的是，在其準備階段可包含參數(shù)自標定的過程，可以利用其三軸框架系統(tǒng)對重力儀中的陀螺和加速度計等關鍵分部件的參數(shù)進行測前自標定并補償，以消除這些關鍵參數(shù)重復性誤差的影響，從而提高重力測量精度。

圖2 GIPS-1A三軸慣性平臺式航空重力儀工作流程圖

1.3 技術指標

GIPS-1A三軸慣性平臺式航空重力儀的主要性能指標為：

1)測量范圍：±1000Gal；

2)重復線測量內(nèi)符合精度(RMS)：≤0.6mGal@0.01Hz；

3)俯仰和滾動工作范圍：-60°～+60°，方位工作范圍：-360°～+360°；

4)工作溫度范圍：-10℃～+45℃；

5)整機質(zhì)量小于50kg；

6)穩(wěn)態(tài)功耗小于250W。

2 航空重力測量試驗系統(tǒng)集成

2.1 飛機選型及改裝

航空重力測量試驗對載機的要求主要為：具有低空飛行性能，飛行速度在250km/h以下，續(xù)航能力不少于4h；飛機操縱性能好，自振小，帶有自動駕駛儀；滿足儀器的載重和空間要求，重力儀可安裝在重心位置附近，移動站天線可安裝在重力儀周圍2m之內(nèi)的機艙頂部；飛機機載設備的電磁干擾不會對航空重力測量儀器產(chǎn)生明顯影響。

根據(jù)以上要求，選用美亞旅游航空有限公司的水陸兩用Cessna 208型飛機(機號：B-9466，如圖3所示)，開展本次GIPS-1A重力儀的重復線精度測試與試生產(chǎn)測試。

圖3 試驗選用的Cessna 208型水陸兩用飛機

飛機的改裝主要是機載供電系統(tǒng)增加為儀器提供飛行中的直流28.5V供電，并在飛機底艙后部加裝一個連接器，以便在飛機發(fā)動機關機后為儀器提供地面直流28.5V供電。

2.2 航空重力測量試驗系統(tǒng)組成及安裝

試驗系統(tǒng)包括機上設備和地面設備兩部分。機上設備主要包括重力儀主機、重力儀主機減振器、供電顯控裝置、差分GNSS移動站(含接收機及天線)、無人值守裝置和電源自動切換裝置等;地面設備主要包括地面直流28.5V電源、市電電源監(jiān)控裝置、地面不間斷電源(Uninterrupted Power Supply，UPS)、差分GNSS基準站(含接收機及天線)和遠程無人值守客戶端等。

重力儀主機減振器采用雙層減振方案，選用閉孔海綿作為減振材料，使減振器的諧振頻率降低到6Hz左右，有利于降低外界載體振動對航空重力測量結(jié)果的影響。

無人值守裝置通過串口與重力儀通信，并將重力儀的運行數(shù)據(jù)通過無線傳輸方式發(fā)送到遠程客戶端，便于地面遠程監(jiān)測重力儀的工作狀態(tài)；同時，接收遠程客戶端發(fā)送的控制指令，并發(fā)送給重力儀，以實現(xiàn)對重力儀的遠程操控。

電源自動切換裝置根據(jù)地面電源和機上電源的供電情況自動地進行機上/地面電源的無縫切換，可避免人工切換的瞬時掉電，有利于保護重力儀主機免受瞬時掉電損壞。

市電電源監(jiān)控裝置用于監(jiān)測交流220V市電狀態(tài)，在市電出現(xiàn)斷電時可利用全球移動通信系統(tǒng)(Global System for Mobile Communications, GSM)手機網(wǎng)通過短信/撥打電話的方式通知相關人員，以便在地面UPS維持供電期間采取相應的措施解決供電問題。

根據(jù)飛機艙室空間、飛機重心和載荷限制等因素，對機上設備進行了合理布局和安裝。航空重力儀主機通過減振器固定在飛機重心附近1m范圍內(nèi)(如圖4所示)。移動站天線安裝在飛行員駕駛艙后的機艙頂部，該處干擾小、視線開闊，且受發(fā)動機振動影響小。儀器柜(含供電顯控裝置、移動站接收機、無人值守裝置、電源自動切換裝置等)固定在重力儀后側(cè)(如圖5所示)，方便操作和使用。

圖4 航空重力儀主機及其減振器在飛機上的安裝

圖5 試驗標準儀器柜在飛機上的安裝

地面直流28.5V電源、市電電源監(jiān)控裝置和地面不間斷供電電源放置在飛機旁。差分GNSS基準站天線固定在機場集裝箱房的房頂，接收機放置在集裝箱房內(nèi)。遠程無人值守客戶端可放置于賓館房間內(nèi)或其他有移動通信信號的地方，便于隨時監(jiān)控。

2.3 飛機適航性檢驗

設備安裝好后，啟動飛機發(fā)動機，機上各種設備通電工作，經(jīng)檢查機載設備與航空重力測量設備均工作正常，無相互干擾現(xiàn)象。

在地面通電檢查正常后，進行了視察飛行，確認了測區(qū)附近不存在對測量有明顯影響的干擾源，同時評估了改裝后飛機起飛、著陸和低速飛行的性能，并檢驗了飛機的適航性。

3 數(shù)據(jù)處理方法

3.1 航空重力測量數(shù)據(jù)后處理方法

根據(jù)三軸慣性平臺式航空重力儀的具體特點，研究了其重力測量數(shù)據(jù)后處理方法。研究中重點解決了重力敏感器信號與差分GNSS信號之間的采樣率統(tǒng)一及時間同步問題、載體運動加速度求解中的相位延遲問題以及高階低通濾波處理中的相位滯后問題；完成了數(shù)據(jù)處理流程及軟件的設計，實現(xiàn)了對實際航空重力測量數(shù)據(jù)的處理。具體航空重力數(shù)據(jù)后處理[13-15]流程圖如圖6所示[16-18]。

圖6 航空重力數(shù)據(jù)后處理流程圖

3.2 航空重力測量精度評價方法

航空重力測量精度評價采用慣常使用的重復線內(nèi)符合精度和交叉點總精度評價方法。

1)重復線內(nèi)符合精度計算公式

重復線內(nèi)符合精度是利用重復線測試數(shù)據(jù)來評價航空重力重復測量的動態(tài)精度，反映的是各重復線測試數(shù)據(jù)相對于它們的平均場數(shù)據(jù)的符合程度[19-21]。

每條重復線內(nèi)符合精度的計算公式為

(1)

所有重復線測試數(shù)據(jù)的內(nèi)符合精度的計算公式為

(2)

重復線多次往返測試飛行時，尤其是不同架次的重復線，由于儀器工作狀態(tài)及飛行條件的變化等因素，導致每條重復線數(shù)據(jù)的平均值略有漂移，所以需對重復線進行水平調(diào)整，調(diào)整后式(1)中δij的的計算公式變?yōu)?/p>

(3)

式中

2)交叉點總精度計算公式

交叉點總精度評價采用測線與控制線交點殘差值的均方差進行評價。其計算公式為

(4)

式中：p為統(tǒng)計的交叉點個數(shù)；Δxi為第i個交叉點差值。

4 重復線精度測試

2020年11月，在海南島東南部的海面上利用Cessna 208型水陸兩用飛機開展了GIPS-1A重力儀的重復線飛行測試，包括南北向和東西向2條重復測線(此2條測線有用俄羅斯進口的GT-2A重力儀測試的數(shù)據(jù))，每條測線長度約為60km。選用接收機為Ashtech ProFlex800，其采樣頻率設為2Hz，重力儀主機的數(shù)據(jù)輸出頻率為100Hz。飛行高度為GPS高度600m平飛，飛行地速約為60m/s。共獲得5個有效架次，19條往返測線數(shù)據(jù)，測線里程1153km。其中，1～3架次使用了主機減振器，4～5架次無主機減振器。

4.1 內(nèi)符合精度測試結(jié)果

按照3.1節(jié)的數(shù)據(jù)處理方法對測量數(shù)據(jù)進行處理與分析，其中有限沖激響應(Finite Impulse Response, FIR)低通濾波器的濾波周期統(tǒng)一為100s(與GT-2A重力儀的濾波周期一致)，得出航空空間重力異常，并計算其單架次和全部架次重復線水平調(diào)整后的內(nèi)符合精度，結(jié)果如表1所示。全部架次東西向10條航空空間重力異常重復測線及其內(nèi)符合結(jié)果如圖7所示，全部架次南北向9條航空空間重力異常重復測線及其內(nèi)符合結(jié)果如圖8所示。

表1 單架次和全部架次重復線內(nèi)符合精度計算結(jié)果

圖7 全部架次東西向航空空間重力異常重復測線及其內(nèi)符合結(jié)果

圖8 全部架次南北向航空空間重力異常重復測線及其內(nèi)符合結(jié)果

從表1、圖7和圖8可以看出，單架次和全部架次100s低通濾波后的航空空間重力異常重復線內(nèi)符合精度均優(yōu)于0.6mGal，表明GIPS-1A重力儀前后不同時間的測量結(jié)果一致性好，測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠；去掉重力儀主機的減振器后，單架次的重復線內(nèi)符合精度沒有變差(4～5架次相對于1～3架次沒有明顯變差)，表明GIPS-1A重力儀主機對外界振動環(huán)境的適應性很強，基本可獨立適應機載航空重力測量的振動環(huán)境。

4.2 與GT-2A符合精度測試結(jié)果

GT-2A重力儀是從俄羅斯GT公司引進的航空重力測量設備，目前仍然是世界上測量精度最高的系統(tǒng)之一。其主機(含底座)外形尺寸為400mm×400mm×900mm，質(zhì)量為153kg，測量精度指標為重復線內(nèi)符合0.6mGal@0.01Hz。

選取GT-2A重力儀在相同南北向重復測線上6條最好的重復測線(其內(nèi)符合精度為0.613mGal)與GIPS-1A重力儀第四架次測試結(jié)果進行對比，對比結(jié)果如圖9所示，兩者綜合在一起的內(nèi)符合精度為0.622mGal。由于GT-2A在相同東西向重復測線上的重復測量結(jié)果不理想，選取其中一條較好的2001測線與GIPS-1A重力儀第二架次測試結(jié)果進行對比，對比結(jié)果如圖10所示，兩者綜合在一起的內(nèi)符合精度為0.592mGal。

圖9 第四架次南北向航空空間重力異常重復線與GT-2A符合精度

圖10 第二架次東西向航空空間重力異常重復線與GT-2A符合精度

以上與GT-2A重力儀測量結(jié)果對比的符合精度表明，GIPS-1A重力儀與GT-2A重力儀具有很高的符合度，兩者測量精度相當。

5 試生產(chǎn)測試

2020年12月，在海南島南部的海面上利用Cessna 208型水陸兩用飛機開展了GIPS-1A重力儀的試生產(chǎn)飛行測試。測量區(qū)域約為50km×110km，包括50條南北測線和5條東西控制線，測線間距為2km，控制線垂直于測線，測量間距10km(此區(qū)域有用GT-2A重力儀測試的數(shù)據(jù)，所有測線與控制線的位置也相同)。平均飛行高度、平均飛行速度、接收機采樣頻率和重力儀主機的數(shù)據(jù)輸出頻率保持與重復線精度測試時一致。共完成了7個架次的測量，測線里程約為4644km。

選擇試生產(chǎn)中的部分測線與同位置上的GT-2A重力儀的重力異常數(shù)據(jù)進行對比，如圖11所示。圖11中結(jié)果表明，GIPS-1A重力儀的測試結(jié)果與GT-2A重力儀同測線的測試結(jié)果符合度很好。

(a)1890測線

試生產(chǎn)共獲得50條測線與5條切割線的交叉點共計250個，按式(4)計算得到GIPS-1A重力儀未調(diào)平的交叉點總精度為1.23mGal;同樣統(tǒng)計該區(qū)域GT-2A重力儀未調(diào)平的交叉點總精度為1.03mGal。由于GT-2A重力儀航空重力飛行測量大多數(shù)是夜航，氣流平穩(wěn)，測量質(zhì)量好;而GIPS-1A重力儀試生產(chǎn)時飛行時間在10:00～17:30之間，受冷空氣影響大，且前4架次飛行測量時東北風最大達到35節(jié)，風擾對測試結(jié)果的影響也較大。因此，在風擾比GT-2A測量時大得多的條件下，GIPS-1A重力儀也能達到與GT-2A重力儀同等的精度水平。

圖12所示為GIPS-1A重力儀低通濾波原始航空空間重力異常圖，圖13所示為同區(qū)域GT-2A重力儀原始航空空間重力異常圖。

圖12 GIPS-1A重力儀低通濾波原始航空空間重力異常圖

圖13 GT-2A重力儀原始航空空間重力異常圖

從圖12和圖13 可以看出，GIPS-1A重力儀與GT-2A重力儀的原始航空空間重力異常分布及走向一致，異常形態(tài)非常吻合，充分說明了GIPS-1A重力儀試生產(chǎn)測量結(jié)果可靠，與GT-2A重力儀測量結(jié)果的一致性好。

6 結(jié)論

自主研制的GIPS-1A重力儀經(jīng)機載航空重力重復線精度測試和試生產(chǎn)測試，重復線內(nèi)符合精度優(yōu)于0.6mGal@0.01Hz，與國際上廣泛應用的GT-2A重力儀相比，兩者符合度好；試生產(chǎn)交叉點總精度與GT-2A重力儀相當，且異常形態(tài)吻合度好。測試結(jié)果表明，GIPS-1A重力儀達到了國際上先進儀器的精度水平，并且在風擾適應性、體積、質(zhì)量等方面表現(xiàn)優(yōu)異，可滿足實際工程應用需求。