一种全张量重力梯度动态测量系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种全张量重力梯度测量系统及方法，包括稳定平台、单只旋转加速度计式重力梯度敏感器、单只相对重力敏感器和显控计算机，所述单只旋转加速度计式重力梯度敏感器与单只相对重力敏感器固连，共同安装在稳定平台上，该单只旋转加速度计式重力梯度敏感器、单只相对重力敏感器和稳定平台的信号输出端粉笔与显控计算机相连接，用于将采集的水平分量重力梯度张量数据、相对重力数据和载体运动数据输出至显控计算机，用于计算全张量重力梯度信息。本发明专利技术能够通过数学解耦的方法实现在动基座下全张量重力梯度信息实时测量功能。基座下全张量重力梯度信息实时测量功能。基座下全张量重力梯度信息实时测量功能。

【技术实现步骤摘要】
一种全张量重力梯度动态测量系统及方法


[0001]本专利技术属于重力梯度动态测量
，涉及在具备动基座上(船舶或飞机等移动平台上)测量当前位置全张量重力梯度信息的重力梯度动态测量系统，尤其是一种全张量重力梯度动态测量系统及方法。

技术介绍

[0002]重力梯度是重力加速度矢量的空间梯度，即重力位的二阶导数，表征重力矢量的空间变化率。在地理坐标系中，重力矢量可以分解为x、y、z三个方向上的三个分量中，每一分量沿平行于坐标轴方向均有一个梯度。因此，重力梯度张量共有3
×
3个分量,如图1所示。
[0003]数学上，重力梯度表示为：
[0004][0005]式中：
[0006]Γ——地球外部任意空间位置重力梯度张量矩阵；
[0007]——当前位置重力加速度矢量；
[0008]——当前位置矢量；
[0009]Γ
ij
(i，j＝x，y，z)——重力梯度张量各个分量，表示重力分量g
i
在j方向上的空间变化率。
[0010]由于离心力的影响微乎其微，在忽略离心力的情况下，重力场是一个保守场，对保守场而言，满足拉普拉斯方程和泊松方程，有：
[0011][0012][0013]式(2)表示重力场的旋度为零，说明Γ具有对称性，即：
[0014][0015]式(3)表示重力场的散度为零，意味着Γ的迹为零，即：
[0016]Γ
xx
+Γ
yy
+Γ
zz
＝0
………………………………………
(5)
[0017]结合式(4)和式(5)可以看出重力梯度矩阵Γ中的9个分量中有5个分量是独立的，包括2个同轴分量Γ
xx
、Γ
yy
和3个交叉分量Γ
xy
、Γ
xz
、Γ
yz
。
[0018]基于旋转加速度计测量原理的重力梯度仪是迄今为止唯一实用的近地表动态重力梯度仪。该原理的重力梯度仪主要由重力梯度敏感器和惯性稳定平台两个关键组件构
成。重力梯度敏感器主要用于完成重力梯度张量测量；惯性稳定平台则用于承载重力梯度敏感器，并为动态重力梯度测量提供稳定的动力学环境，同时抑制载体角运动对测量的影响。如图2所示，该原理的敏感器由四只高分辨率加速度计组成。将四只加速度计等距离成对安装在旋转圆盘上，每只加速度计的检测质心到圆盘旋转中心O的距离相等(其距离记为l)，加速度计的敏感轴正切于圆盘，两对加速度计垂直安装，并且成对加速度计敏感轴反向配置：加速度计1与3相反，2与4相反。重力梯度敏感器工作时，圆盘以恒定的角速率ω旋转调制重力梯度张量水平分量信号，同时可以有效隔离载体线运动对重力梯度测量的影响，其测量方程为：
[0019](a1+a3)-(a2+a4)＝2R(Γ
xx-Γ
yy
)sin2ωt+4RΓ
xy
cos2ωt
…………………
(6)式中a
i
(i＝1，2，3，4)是四个加速度计的输出，R是加速度计检测质心到旋转中心的距离，Γ
xx
、Γ
yy
、Γ
xy
是旋转平面坐标系下重力梯度张量分量，ω是旋转装置的旋转角速度。进行动态测量时，重力梯度仪采用三环固定指北半解析式稳定平台控制方案，可以充分隔离载体的角运动影响，同时将重力梯度敏感器稳定在地理坐标系。
[0020]旋转加速度计式重力梯度仪按照测量类型分为局部张量和全张量两种，局部张量重力梯度仪内置一个重力梯度敏感器，主要测量Γ
xx-Γ
yy
和Γ
xy
两个分量，而全张量重力梯度仪则更为复杂，内置三个重力梯度敏感器，伞形布设，通过解耦的方法实现Γ
xx
、Γ
yy
、Γ
xy
、Γ
xz
和Γ
yz
五个独立张量的实时测量。
[0021]鉴于重力梯度信号的微弱，全张量重力梯度仪对三个重力梯度敏感器的一致性提出了很高的要求，而伞形布设的方式使得每个重力梯度仪敏感器中的加速度计需要敏感5m/s2左右的重力激励，这也对加速度计的非线性误差提出了很高的要求，通常需要优于10-8
g/g2量级，此外，每台全张量重力梯度仪中三个重力梯度敏感器也带来了高成本和大几何尺寸等问题，同时也需要考虑三个重力梯度敏感器的匹配问题，工程应用成本高。因此，需要设计一种高效的全张量重力梯度信息测量方法，满足应用需要。

技术实现思路

[0022]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提出一种全张量重力梯度动态测量系统及方法，能够通过数学解耦的方法实现在动基座下全张量重力梯度信息实时测量功能。
[0023]本专利技术解决其现实问题是采取以下技术方案实现的：
[0024]一种全张量重力梯度测量系统，包括稳定平台、单只旋转加速度计式重力梯度敏感器、单只相对重力敏感器和显控计算机，所述单只旋转加速度计式重力梯度敏感器与单只相对重力敏感器固连，共同安装在稳定平台上，该单只旋转加速度计式重力梯度敏感器、单只相对重力敏感器和稳定平台的信号输出端粉笔与显控计算机相连接，用于将采集的水平分量重力梯度张量数据、相对重力数据和载体运动数据输出至显控计算机，用于计算全张量重力梯度信息。
[0025]一种全张量重力梯度测量方法，包括如下步骤：
[0026]步骤1、在动态测量时，稳定平台采用三环固定指北半解析式稳定平台控制方案，在充分隔离载体的角运动影响的同时将相对重力敏感器和水平分量重力梯度敏感器稳定在地理坐标系下，并通过稳定平台上的惯性测量单元测量提供的运动信息进行惯性导航平台式解算，由载体加速度信息推算速度信息；
[0027]步骤2、利用步骤1中稳定平台提供的载体速度、位置信息对相对重力敏感器提供的相对重力信息进行解耦，得到载体当前位置的Γ
xz
、Γ
yz
和Γ
xx
+Γ
yy
三个重力梯度张量信息。
[0028]步骤3、由步骤2得到的三个重力梯度张量信息与水平放置的旋转加速度计式重力梯度敏感器得到的两个重力梯度张量信息进行解耦，得到全张量重力梯度张量信息。
[0029]而且，所述步骤1的具体步骤包括：
[0030](1)建立速度位置控制方程为：
[0031][0032][0033]式中：
[0034]V
cx
、V
cy
、V
cz
——导航计算的东向、北向和天向速度；
[0035]φ
c
、λ
c
、h——导航计算的纬度、经度和高程；
[0036]A
px
、A
py
、A
pz
——东向、北向和天向加速度计输本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种全张量重力梯度测量系统，其特征在于：包括稳定平台、单只旋转加速度计式重力梯度敏感器、单只相对重力敏感器和显控计算机，所述单只旋转加速度计式重力梯度敏感器与单只相对重力敏感器固连，共同安装在稳定平台上，该单只旋转加速度计式重力梯度敏感器、单只相对重力敏感器和稳定平台的信号输出端粉笔与显控计算机相连接，用于将采集的水平分量重力梯度张量数据、相对重力数据和载体运动数据输出至显控计算机，用于计算全张量重力梯度信息。2.一种全张量重力梯度测量方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1、在动态测量时，稳定平台采用三环固定指北半解析式稳定平台控制方案，在充分隔离载体的角运动影响的同时将相对重力敏感器和水平分量重力梯度敏感器稳定在地理坐标系下，并通过稳定平台上的惯性测量单元测量提供的运动信息进行惯性导航平台式解算，由载体加速度信息推算速度信息；步骤2、利用步骤1中稳定平台提供的载体速度、位置信息对相对重力敏感器提供的相对重力信息进行解耦，得到载体当前位置的Γ
xz
、Γ
yz
和Γ
xx
+Γ
yy
三个重力梯度张量信息；步骤3、由步骤2得到的三个重力梯度张量信息与水平放置的旋转加速度计式重力梯度敏感器得到的两个重力梯度张量信息进行解耦，得到全张量重力梯度张量信息。3.根据权利要求2所述的一种全张量重力梯度测量方法，其特征在于：所述步骤1的具体步骤包括：(1)建立速度位置控制方程为：(1)建立速度位置控制方程为：式中：V
cx
、V
cy
、V
cz
——导航计算的东向、北向和天向速度；φ
c
、λ
c
、h——导航计算的纬度、经度和高程；A
px
、A
py
、A
pz
——东向、北向和天向加速度计输出；Ω、R——地球自转角速度和地球半径；(2)建立陀螺控制方程为：
式中：ω
cx
、ω
cy
、ω
cz
——东向、北向和方位陀螺的控制角速度。4.根据权利要求2所述的一种全张量重力梯度测量方法，其特征在于：所述步骤2的具体步骤包括：(1)根据式(1)，可得到在地球表面重力和重力梯度张量存在空间导数关系，具体公式为：式中：g
z
(x2,y2,z2)、g
z
(x1,y1,z1)分别为地球外部质点(x1,y1,z1)和(x2,y2,z2)的垂向重力；(x1,y1,z1)和(x2,y2,z2)分别是地球外部两个点的空间位置坐标；将式(10)离散化，可得：g
z
(x2,y2,z2)＝g
z
(x1,y1,z1)+Γ
xz
(x
2-x1)+Γ
yz
(y
2-y1)+Γ
zz
(z
2-z1)
……
(11)结合式(5)，并记Δg
z
＝g
z
(x2,y2,z2)-g
z
(x1,y1,z1)，Δx＝x
2-x1，Δy＝y
2-y1，Δz＝z
2-z1，可得：Δg
z

【专利技术属性】
技术研发人员：李达，李城锁，高巍，刘万国，李中，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七零七研究所，
类型：发明
国别省市：