胡平華，黃 鶴，趙 明，陳曉華，劉東斌

(北京自動化控制設(shè)備研究所，北京 100074)

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GIPS-1AM高精度慣性穩(wěn)定平臺式?？罩亓x的設(shè)計與試驗

胡平華，黃 鶴，趙 明，陳曉華，劉東斌

(北京自動化控制設(shè)備研究所，北京 100074)

針對國內(nèi)對于高精度?？罩亓x的迫切需求，自主研制了GIPS-1AM高精度慣性穩(wěn)定平臺式?？罩亓x樣機(jī)。突破了高精度重力敏感器設(shè)計、高精密溫度控制、總體設(shè)計和自標(biāo)定等關(guān)鍵技術(shù)問題，完成了樣機(jī)的設(shè)計、調(diào)試和試驗測試。試驗測試結(jié)果表明，樣機(jī)溫控精度優(yōu)于0.01℃，靜態(tài)長時間工作穩(wěn)定性、不同樓層重力測試精度均優(yōu)于1mGal(1σ)?？蓾M足大地測量學(xué)、地球物理學(xué)、地球動力學(xué)、海洋科學(xué)、資源勘探、空間科學(xué)以及現(xiàn)代軍事等基礎(chǔ)前沿領(lǐng)域的重力測量需求。

?？罩亓x；慣性穩(wěn)定平臺；石英撓性加速度計；溫度控制

0 引言

地球重力場是地球固有的物理特性之一, 它反映地球內(nèi)部物質(zhì)分布、運動及其變化狀態(tài), 并制約地球自身及其鄰近空間中的一切物理事件[1]。地球重力場數(shù)據(jù)是研究固體地球演化、全球海平面、冰川融化、洋流、氣候、陸地水資源、地質(zhì)災(zāi)害和地震等科學(xué)問題的重要前提，對于現(xiàn)代國防、資源勘探、空間科學(xué)、海洋科學(xué)、大地測量學(xué)、地球物理學(xué)、地球動力學(xué)等基礎(chǔ)和前沿科學(xué)研究具有重要意義，在國家經(jīng)濟(jì)、社會發(fā)展以及國家安全中發(fā)揮著極為重要的作用。

海空重力儀是海洋重力儀和航空重力儀的總稱，是一種相對式重力儀，可安裝于飛機(jī)艦船等移動平臺上對地球重力進(jìn)行動態(tài)測量，具有可實現(xiàn)對人員難于達(dá)到的沙漠、沼澤、山川、原始森林、河湖、海洋等地區(qū)進(jìn)行重力測量的優(yōu)勢，此外還具有測量速度快、測量效率高等特點。

目前，國內(nèi)1mGal精度的海空重力儀僅能夠少量整機(jī)引進(jìn)，而且價格昂貴，使用維護(hù)困難，與我國的需求相比，缺口很大。國內(nèi)自主研制的海空重力儀仍處于樣機(jī)研制階段，在工程或商業(yè)應(yīng)用方面仍屬空白狀態(tài)。此種現(xiàn)狀，嚴(yán)重限制了國家實力的增強(qiáng)和深遠(yuǎn)海戰(zhàn)略的進(jìn)一步實施。

北京自動化控制設(shè)備研究所充分利用和發(fā)掘已有小型高精度慣性器件和慣性平臺、慣性導(dǎo)航及組合導(dǎo)航等方面的技術(shù)基礎(chǔ)，自主研制了GIPS-1AM高精度慣性穩(wěn)定平臺式?？罩亓x樣機(jī)，以期加快我國小型高精度海空重力儀的工程化應(yīng)用，盡快滿足我國相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的迫切需求。本文對該重力儀的技術(shù)指標(biāo)和系統(tǒng)方案、關(guān)鍵技術(shù)及解決效果、試驗測試等情況進(jìn)行介紹。

1 技術(shù)指標(biāo)及系統(tǒng)方案

1.1 技術(shù)指標(biāo)

GIPS-1AM高精度慣性穩(wěn)定平臺式?？罩亓x主要性能指標(biāo)為：

1)測量范圍：±2000Gal；

2)測量精度優(yōu)于1mGal；

3)俯仰、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)重力儀主機(jī)重量小于20kg；

6)重力儀主機(jī)外形尺寸：385mm×264mm×195mm；

7)穩(wěn)態(tài)功耗小于100W。

1.2 工作原理及組成

該重力儀采用與加拿大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(shù)方案，并且是在已裝備的航空慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的基礎(chǔ)上改進(jìn)研制而成。加拿大SGL公司的AIRGrav重力儀是目前國際上實際應(yīng)用中精度最高的動態(tài)重力儀，其實測精度大都在0.3mGal附近。

“三軸慣性平臺+石英撓性加速度計式重力敏感器”技術(shù)方案主要是采用慣性平臺將垂向加速度計始終穩(wěn)定在垂直方向，使高精度垂向加速度計測量載體的垂向比力(載體垂向運動加速度和垂向重力加速度的合成)，在此基礎(chǔ)上，采用差分GPS系統(tǒng)測量載體的運動加速度，從垂向比力中減去載體垂向運動加速度，并扣除各種誤差改正，便可得到載體運動路徑的垂向重力加速度或重力異常。具體公式為[2]

(1)

為了實現(xiàn)對地球重力場的精確測量，該重力儀主要包括以下主要組成部分為：

1)重力儀主機(jī)：用于測量載體的垂向比力，是重力儀的核心部分，主要包括慣性穩(wěn)定平臺、二次電源、控制電路、計算機(jī)等。其中慣性穩(wěn)定平臺主要由2個動力調(diào)諧陀螺、1個高精度石英撓性加速度計式重力儀敏感器、2個導(dǎo)航級石英撓性加速度計和3個框架等組成。本重力儀慣性穩(wěn)定平臺的水平穩(wěn)定精度優(yōu)于10″。

2)DGPS系統(tǒng)：用于測量載體的運動加速度，并為各種誤差校正和參數(shù)標(biāo)定提供基準(zhǔn)信息，包括安裝在載體上的移動站和安裝在地面的固定站兩部分。

3)不間斷電源：用于外部電源突然中斷后，為重力儀及顯控存儲裝置提供至少30min以上的電源供應(yīng)，以保證產(chǎn)品及數(shù)據(jù)安全。

4)顯控存儲裝置：用于控制重力儀完成各工作流程，并將重力儀測量的重要數(shù)據(jù)和狀態(tài)進(jìn)行存儲和顯示。

5)減振器：用于衰減載體的高頻振動，為重力儀主機(jī)提供一個相對較好的力學(xué)環(huán)境條件。本重力儀的減振器諧振頻率低于10Hz。

6)軟件：包括系統(tǒng)軟件、標(biāo)定測試軟件以及后處理軟件等。其中后處理軟件是對測試過程中得到的重力儀主機(jī)數(shù)據(jù)、DGPS數(shù)據(jù)等進(jìn)行對齊、濾波、改正、質(zhì)量檢驗、成圖等處理，以得到測量路徑或區(qū)域的重力異常圖。

1.3 工作流程

該海空重力儀的工作流程包含準(zhǔn)備階段、測量階段和熱待機(jī)階段，具體流程如圖1所示。

圖1 高精度慣性穩(wěn)定平臺式?？罩亓x工作流程圖Fig.1 Flow chart of GIPS-1AM airborne/marine gravimeter

(1)準(zhǔn)備階段

在準(zhǔn)備階段主要是使慣性器件精度達(dá)到要求，完成重力儀的初始對準(zhǔn)。具體完成的任務(wù)有：

1)通電預(yù)熱。重力儀內(nèi)部所有分部件均啟動工作，并對穩(wěn)定平臺進(jìn)行溫度控制。此步驟目的是使慣性器件和電路性能穩(wěn)定，達(dá)到工作狀態(tài)。

2)參數(shù)自標(biāo)定。利用穩(wěn)定平臺框架實現(xiàn)慣性器件的不同空間標(biāo)定位置，標(biāo)定出陀螺、加速度計的關(guān)鍵參數(shù)。自標(biāo)定完成后可有效減小重力儀參數(shù)的逐次啟動重復(fù)性誤差，為后續(xù)的高精度重力測量奠定基礎(chǔ)。

3)抗擾動對準(zhǔn)。調(diào)整穩(wěn)定平臺坐標(biāo)系精確進(jìn)入測量工作狀態(tài)。對準(zhǔn)完成后，穩(wěn)定平臺將重力敏感器測量方向精確穩(wěn)定在垂向，為重力測量提供良好的條件。

(2)測量階段

此階段重力儀均工作在導(dǎo)航狀態(tài)，為了數(shù)據(jù)后處理方便將此階段分為三個步驟。

1)前校測量。完成準(zhǔn)備后，在載體不移動的情況下進(jìn)行一段靜態(tài)測試，自動記錄重力儀和衛(wèi)星數(shù)據(jù)。

2)重力測量。系統(tǒng)工作于動態(tài)導(dǎo)航狀態(tài)，自動記錄重力儀和衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，是重力測量的主體工作。

3)后校測量。在完成測量后，載體回到出發(fā)點，重新進(jìn)行一段靜態(tài)測試，自動記錄重力儀和衛(wèi)星數(shù)據(jù)，結(jié)合前校測量確定重力測量階段重力儀零偏漂移量，以進(jìn)一步提高測量精度。

(3)熱待機(jī)和數(shù)據(jù)后處理

此階段，重力儀工作在導(dǎo)航狀態(tài)，等待下航次測量或關(guān)機(jī)指令。為了減少重力儀準(zhǔn)備階段的時間，在每航次測量結(jié)束后，重力儀轉(zhuǎn)入熱待機(jī)狀態(tài)，如果需要繼續(xù)測量，則可省去通電預(yù)熱的時間。

利用測量階段得到的數(shù)據(jù)，對衛(wèi)星數(shù)據(jù)和重力儀主機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后得到所需的重力異常數(shù)據(jù)。

2 關(guān)鍵技術(shù)及解決效果

由于重力儀測量精度非常高，因此對器件、系統(tǒng)及算法等都提出了非常高的要求，從而形成了重力儀研制中的一系列關(guān)鍵技術(shù)問題。

2.1 高精度石英撓性加速度計重力敏感器技術(shù)

重力儀測量精度指標(biāo)為1mGal，因此對垂向石英撓性加速度計的精度要求至少為優(yōu)于1μg，遠(yuǎn)高于目前導(dǎo)航系統(tǒng)中使用的加速度計指標(biāo)要求。針對小量程高精度高穩(wěn)定性的應(yīng)用需求，通過對石英撓性加速度計進(jìn)行設(shè)計和工藝改進(jìn)研制，并采用加強(qiáng)穩(wěn)定化處理和測試挑選等措施，使重力敏感器的精度得到顯著提高。三塊高精度石英撓性加速度計樣機(jī)在溫控精度約為0.05℃的測試工裝中測得的1g8小時穩(wěn)定性測試結(jié)果(1σ)分別為1#：0.46μg,2#:0.82μg,3#:0.90μg,基本可滿足重力儀樣機(jī)的精度指標(biāo)要求。

2.2 高精度加速度計轉(zhuǎn)換電路技術(shù)

相應(yīng)地，垂向加速度計的轉(zhuǎn)換電路精度也應(yīng)優(yōu)于10-6，這比目前的高精度I/F、V/F和A/D轉(zhuǎn)換電路的精度要高1到2個數(shù)量級。本樣機(jī)通過采用24位高精度過采樣A/D轉(zhuǎn)換電路技術(shù)，并對其進(jìn)行高精度溫度控制的方法，顯著提高了轉(zhuǎn)換電路的精度。轉(zhuǎn)換電路8小時溫控精度穩(wěn)定性測試結(jié)果如圖2所示，8小時零位輸入穩(wěn)定性測試結(jié)果如圖3所示，結(jié)果表明，8小時溫控精度穩(wěn)定性達(dá)到0.004℃(1σ)，8小時零位穩(wěn)定性達(dá)到1.1×10-7g(1σ)，基本達(dá)到重力儀的精度指標(biāo)要求。

圖2 A/D轉(zhuǎn)換電路溫控穩(wěn)定性測試結(jié)果Fig.2 Testing curve of A/D converter temperature control stability

圖3 A/D轉(zhuǎn)換電路零位穩(wěn)定性測試結(jié)果Fig.3 Testing curve of A/D converter zero stability

2.3 高精密溫度控制技術(shù)

為了保證垂向加速度計的精度要求，慣性穩(wěn)定平臺必須為其提供高度穩(wěn)定均勻的溫度控制環(huán)境。為此，慣性穩(wěn)定平臺采用了4級6路非線性PID數(shù)字溫度控制方案，確保了垂向加速度計和陀螺的溫度控制精度要求。

垂向加速度計和垂直陀螺在室溫條件下8小時溫控穩(wěn)定性測試結(jié)果分別如圖4、圖5所示，在不同環(huán)境溫度下的溫控溫度均值如表1所示。測試結(jié)果為，室溫條件下垂向加速度計8小時溫控穩(wěn)定性達(dá)到0.0006℃(1σ)，垂直陀螺8小時溫控穩(wěn)定性達(dá)到0.0008℃(1σ)；在-10～+45℃的不同環(huán)境溫度下垂向加速度計的溫控溫度變化小于0.006℃，垂直陀螺的溫控溫度變化小于0.004℃。

圖4 垂向加速度計溫控穩(wěn)定性測試結(jié)果Fig.4 Testing curve of vertical accelerometer temperature control stability

圖5 垂直陀螺溫控穩(wěn)定性測試結(jié)果Fig.5 Testing curve of vertical gyroscope temperature control stability

環(huán)境溫度/℃垂向加速度計溫控溫度/℃垂直陀螺溫控溫度/℃-1076.005275.0021576.001975.0020室溫75.999574.99964576.002875.0036溫控溫度最大變化0.00570.004

2.4 總體設(shè)計技術(shù)

鑒于航空重力儀，特別是小型無人機(jī)載重力儀對于體積、重量和功耗等有較為嚴(yán)苛的要求，為此，在已裝備部隊的小型高精度航空慣導(dǎo)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用小型高精度石英撓性加速度計和轉(zhuǎn)換電路，對慣性穩(wěn)定平臺的臺體和環(huán)架等結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，對電源、溫控電路、伺服電路、導(dǎo)航計算機(jī)等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以改進(jìn)系統(tǒng)的電磁兼容性、溫度均勻性和穩(wěn)定性，使重力儀主機(jī)的重量僅為20kg，外形尺寸僅為385mm×264mm×195mm，穩(wěn)態(tài)功耗僅為100W，垂向加速度測量精度提高兩個數(shù)量級。重力儀主機(jī)的外形照片如圖6所示。

圖6 GIPS-1AM?？罩亓x主機(jī)Fig.6 Photo of GIPS-1AM airborne/marine gravimeter mainframe

2.5 自標(biāo)定技術(shù)

利用慣性穩(wěn)定平臺的特點，采用開環(huán)自標(biāo)定技術(shù)，可在外場靜止工作臺或飛機(jī)上對陀螺和兩水平加速度計的誤差參數(shù)及安裝誤差等進(jìn)行高精度自標(biāo)定，可解決重力儀在外場長期工作后誤差參數(shù)隨時間發(fā)生變化的問題。

重力儀主機(jī)固定于靜止基座上，利用慣性穩(wěn)定平臺的框架完成九位置的開環(huán)自標(biāo)定，可標(biāo)定出陀螺常值漂移、與g有關(guān)項漂移，加速度計的零偏、標(biāo)度因數(shù)、安裝誤差等參數(shù)。標(biāo)定結(jié)果如表2所示。

自標(biāo)定結(jié)果與轉(zhuǎn)臺標(biāo)定結(jié)果對比表明，陀螺常值漂移相差均小于0.015(°)/h，與g有關(guān)項漂移系數(shù)相差均小于0.015(°)/(h·g)，加速度計零偏相差均小于0.03mg，標(biāo)度因數(shù)相差均小于25ppm，安裝誤差相差均小于10″?？蓾M足重力儀導(dǎo)航和保持重力敏感器垂直的相關(guān)要求，重力敏感器采用前校測量和后校測量的方法來降低其參數(shù)變化對重力測量精度的影響，可不依賴于自標(biāo)定的精度。

表2 重力儀自標(biāo)定結(jié)果及與轉(zhuǎn)臺標(biāo)定結(jié)果對比Tab.2 Compare of self-calibration and table-calibration results about a gravimeter

3 試驗測試結(jié)果

3.1 靜基座長時間工作精度測試

將重力儀樣機(jī)置于工作臺上進(jìn)行長時間工作精度測試。1#和2#樣機(jī)的測試結(jié)果分別如圖7和圖8所示。1#樣機(jī)8小時工作精度為0.37mGal(1σ)；2#樣機(jī)8小時工作精度為0.24mGal(1σ)。

圖7 1#重力儀樣機(jī)靜基座穩(wěn)定性測試結(jié)果Fig.7 Testing curve of 1#gravimeter static stability

圖8 2#重力儀樣機(jī)靜基座穩(wěn)定性測試結(jié)果Fig.8 Testing curve of 2# gravimeter static stability

3.2 不同樓層重復(fù)性及精度測試

對重力儀樣機(jī)在五層辦公樓進(jìn)行了不同樓層7次重復(fù)性測試。1#和2#樣機(jī)的測試結(jié)果分別如表3和表4所示。表中理論重力差為由相鄰樓層高度差計算所得的高度改正值，其中1～2層、2～3層高度均為5.4m，3～4層、4～5層高度均為3.9m；測量誤差為相鄰樓層重力測量均值差減理論重力差。測試結(jié)果表明，1#樣機(jī)同一樓層重復(fù)性的最大值為0.33mGal(1σ)，最小值為0.17mGal，測量誤差均方根為0.24mGal；2#樣機(jī)同一樓層重復(fù)性的最大值為0.19mGal(1σ)，最小值為0.07mGal，測量誤差均方根為0.33mGal。

表3 1#重力儀樣機(jī)不同樓層重復(fù)性及精度測試結(jié)果Tab.3 Testing results of 1# gravimeter repeatability and accuracy at different floor

表4 2#重力儀樣機(jī)不同樓層重復(fù)性及精度測試結(jié)果Tab.4 Testing results of 2# gravimeter repeatability and accuracy at different floor

續(xù)表測量序次一層/mGal二層/mGal三層/mGal四層/mGal五層/mGal第4次13.8011.9310.159.408.71第5次13.7611.9410.209.368.53第6次13.7912.0710.169.428.59第7次13.8412.5010.169.408.48均值13.8812.1110.179.448.61標(biāo)準(zhǔn)偏差0.110.190.070.070.13與下一樓層實測重力差—1.771.940.730.83與下一樓層理論重力差—1.671.671.201.20測量誤差—0.10.27-0.47-0.37

4 結(jié)論

重力儀樣機(jī)和關(guān)鍵分部件的試驗測試結(jié)果表明，自主研制的GIPS-1AM重力儀的溫控精度優(yōu)于0.01℃，靜態(tài)穩(wěn)定性、不同樓層測量精度均優(yōu)于1mGal(1σ)。可裝載于固定翼飛機(jī)、直升飛機(jī)、無人飛機(jī)、大地測量車、測量船等移動平臺，具備滿足大地測量學(xué)、地球物理學(xué)、地球動力學(xué)、海洋科學(xué)、資源勘探、空間科學(xué)以及現(xiàn)代軍事等基礎(chǔ)前沿領(lǐng)域的重力測量需求的能力。并且該重力儀具有體積小、重量輕、精度高等特點，非常適合于小型低成本無人機(jī)載重力測量以及重力、地磁、電磁、放射線等地球信息同步測量。

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Design and Testing of GIPS-1AM Airborne/marine Gravimeter based on High Precision Inertial Stabilized Platform

HU Ping-hua, HUANG He, ZHAO Ming, CHEN Xiao-hua, LIU Dong-bin

(Beijing Institute of Automatic Control Equipment,Beijing 100074,China)

To meet the urgent needs of high-precision airborne/marine gravimeter in our country, the GIPS-1AM airborne/marine gravimeter based on the high precision inertial stabilized platform is developed independently. Many key technologies are breakthrough, such as the high accuracy gravity sensor designing, high precision temperature controlling, overall designing and self-aligning and so on. The prototype is designed, produced and tested. The experiment results show that the precision of the temperature is 0.01℃. Furthermore, the long duration static stability, the different floors’ gravity measurement accuracy are both better than 1mGal(1σ). The product can meet the demand of the forefront academic such as geodesy, geophysics, geodynamics, ocean science, resource exploration, space science and modern military.

Airborne/marine gravimeter; Inertial stabilized platform; Quartz flexure accelerometer; Temperature control

2015 - 03 - 15；

2015 - 04 - 02。

胡平華(1964 - )，男，研究員，主要從事慣性技術(shù)方面的研究。

U666.1

A

2095-8110(2015)03-0016-07