橫搖與縱搖對(duì)SⅡ型海洋重力儀的干擾分析

謝清陸，居向明

（海軍蚌埠士官學(xué)校，安徽 蚌 埠 233012）

海洋船載重力測(cè)量同陸地重力測(cè)量的最大區(qū)別就是：它是一種動(dòng)態(tài)測(cè)量，而陸地重力測(cè)量是一種靜態(tài)測(cè)量。目前，美國(guó)LaCoste&Romberg公司生產(chǎn)的SⅡ型海洋重力儀（AIRSEA SystemⅡ）已經(jīng)應(yīng)用于我國(guó)的海洋船載重力測(cè)量。SⅡ型海洋重力儀工作時(shí)，測(cè)量船的橫搖與縱搖對(duì)觀測(cè)結(jié)果的影響，是海洋重力測(cè)量的主要誤差源。在實(shí)施海洋重力測(cè)量外業(yè)時(shí)，測(cè)量船的橫搖與縱搖產(chǎn)生的擾動(dòng)加速度和需要測(cè)量的重力加速度混雜在一起，給海洋重力測(cè)量帶來(lái)很大的困難，并產(chǎn)生很大的觀測(cè)誤差。本文主要就是分析測(cè)量船的橫搖與縱搖對(duì)海洋重力測(cè)量的影響，并根據(jù)分析結(jié)果設(shè)計(jì)陀螺平臺(tái)，進(jìn)而減弱誤差影響，提高海洋重力測(cè)量的精度。

1 橫搖與縱搖對(duì)海洋重力測(cè)量的干擾分析

對(duì)于重力測(cè)量，不論是何種類型的重力儀，要準(zhǔn)確地測(cè)出重力加速度的值，都必須保持儀器垂直于地球表面。在陸地重力測(cè)量中，這種垂直狀態(tài)，是通過(guò)儀器的整平來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于陸地基座的穩(wěn)定性，儀器整平后基本上一直保持著垂直狀態(tài)。而海洋重力儀是在測(cè)量船不斷處于橫搖與縱搖的狀態(tài)下工作的，各個(gè)方向的搖擺，使得重力儀的垂直狀態(tài)受到破壞，重力儀在這種狀態(tài)下根本無(wú)法進(jìn)行觀測(cè)。

船的搖擺，主要是由波浪引起的。船在波浪作用下的搖擺周期，并不取決于船的固有周期，而是隨風(fēng)浪周期在搖擺。搖擺的幅度，取決于波浪的洶涌程度和兩個(gè)周期間的差異程度。搖擺中，以船受橫浪作用產(chǎn)生的橫搖為主；縱搖的強(qiáng)弱，決定于船長(zhǎng)和波長(zhǎng)之比。船只在海上的狀況與海況密切相關(guān)。橫、縱搖強(qiáng)度由波浪性質(zhì)、航向與風(fēng)向、波浪傳播方向的關(guān)系及航行速度等決定。表1為俄羅斯科學(xué)院地球物理研究所應(yīng)用傾斜儀及加速度計(jì)在2萬(wàn)t級(jí)船的不同部位測(cè)得的水平加速度和垂直加速度數(shù)據(jù)。由表中可見(jiàn)船上不同位置加速度的差異，造成這種差異的原因，是船重心附近受橫搖與縱搖影響小，而在船頭部分則影響大。

表1 2萬(wàn)t級(jí)船只不同部位測(cè)得的加速

一般安裝重力儀的測(cè)量船排水量為數(shù)千噸，航行時(shí)船體產(chǎn)生的水平加速度和垂直加速度比上表的數(shù)值要大得多，在平靜海況下橫搖與縱搖作用在重心儀上的垂直附加加速度也要達(dá)10～20 Gal；在惡劣海況下，這種垂直附加加速度可高達(dá)數(shù)百伽。當(dāng)海況特別惡劣，垂直附加加速度過(guò)大時(shí)，就無(wú)法進(jìn)行海洋重力測(cè)量。要消除橫搖與縱搖對(duì)SⅡ型海洋重力儀的影響，除了要將SⅡ型海洋重力儀安裝在測(cè)量船重心附近外，還可以通過(guò)增設(shè)附屬設(shè)備，使得重力儀在測(cè)量船擺動(dòng)的狀態(tài)下仍然保持垂直。這種附屬設(shè)備就是光纖陀螺穩(wěn)定平臺(tái)。

2 陀螺穩(wěn)定平臺(tái)設(shè)計(jì)工作原理

2.1 平臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

陀螺平臺(tái)通過(guò)雙軸常平架懸吊在底座上（如圖1）。

圖1 陀螺平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)測(cè)量船發(fā)生橫搖或者縱搖時(shí)，安裝在垂直陀螺儀常平架軸上的同步角度檢測(cè)器，用來(lái)檢測(cè)和放大垂直陀螺儀軸與穩(wěn)定平臺(tái)的相對(duì)傾斜角，然后將信息傳輸給分別安裝在穩(wěn)定平臺(tái)常平架的縱搖軸和橫搖軸上的伺服馬達(dá)，使之能自動(dòng)跟蹤垂直陀螺儀的姿態(tài)。

從實(shí)際應(yīng)用上講，具有兩組速率陀螺儀的穩(wěn)定平臺(tái)最為合理，其由下述部分構(gòu)成：

（1）兩組速率陀螺儀；

（2）兩組水平加速度計(jì)；

（3）兩組力矩馬達(dá)；

（4）兩個(gè)方向具有自由度的常平架。

將穩(wěn)定平臺(tái)的平臺(tái)面，分為相互垂直的X軸與Y軸，橫搖與縱搖的影響無(wú)非是使穩(wěn)定平臺(tái)面傾斜，此時(shí)的傾斜可以分為X軸方向的傾斜與Y軸方向的傾斜。

2.2 平臺(tái)工作原理

當(dāng)出現(xiàn)傾斜情況時(shí)，陀螺穩(wěn)定平臺(tái)內(nèi)部就會(huì)開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，使平臺(tái)保持平衡狀態(tài)（如圖2）。

如果常平架傾向Y軸，該傾斜的角度，可以由水平加速度計(jì)X檢測(cè)出來(lái)，加速度計(jì)輸出的信息，通過(guò)陀螺轉(zhuǎn)矩放大器傳給速率陀螺儀Y的力矩馬達(dá)。常平架在Y軸上與陀螺儀的旋轉(zhuǎn)軸一起運(yùn)動(dòng)，該運(yùn)動(dòng)一直持續(xù)到常平架上的水平加速度計(jì)X的輸出變?yōu)榱銥橹?。以上與垂直陀螺儀的工作原理是類似的。

當(dāng)常平架由于軸的摩擦或力學(xué)平衡遭到破壞，導(dǎo)致Y軸上的運(yùn)動(dòng)受到阻礙時(shí)，其阻礙力可由安裝在速率陀螺儀輸出軸上的角度檢測(cè)器檢測(cè)出來(lái)，通過(guò)縱搖方向的跟蹤放大器將信息傳輸給縱搖力矩馬達(dá)來(lái)消除這種阻礙力。如果輸出檢測(cè)器和力矩馬達(dá)的性能均很強(qiáng)，則常平架將不受旋轉(zhuǎn)軸的摩擦或不平衡的影響，由水平加速度計(jì)來(lái)直接控制其平衡。

圖2 陀螺平臺(tái)工作原理圖

同理，常平架的X軸傾斜時(shí)，也以同樣方式獲得平衡。

3 結(jié)束語(yǔ)

SⅡ型海洋重力儀由于凈質(zhì)量小、精度高、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，已開(kāi)始應(yīng)用于海洋重力測(cè)量。如何減弱測(cè)量船的橫搖與縱搖對(duì)重力儀的影響，進(jìn)一步提高海洋重力測(cè)量的觀測(cè)精度，一直是海洋重力測(cè)量人員的努力方向。為了充分發(fā)揮AIRSEA SystemⅡ的性能優(yōu)勢(shì)，增加陀螺穩(wěn)定平臺(tái)減弱橫搖與縱搖對(duì)重力儀影響的方法，將會(huì)越來(lái)越多地應(yīng)用于海洋重力測(cè)量中。

[1]歐陽(yáng)永忠，孫 毅，黃謨濤.SⅡ型海洋重力儀的特點(diǎn)及使用問(wèn)題[J].海洋測(cè)繪，2006，（6）：12-15.

[2]盧景奇.提高淺海重力測(cè)量觀測(cè)精度的方法技術(shù)[J].物探化探計(jì)算技術(shù)，2007，(10)：21-23.

[3]王福民，葉宇星.S-Ⅱ型海洋重力儀介紹和使用方法[J].物探裝備，2007，(9)：31-33.

[4]吳秋平，高鐘毓.高精度重力測(cè)量技術(shù)進(jìn)展[J].導(dǎo)航，2003，（6）：15-17.

[5]吳太棋，黃謨濤，陸秀平，金跡航.重力場(chǎng)匹配導(dǎo)航的重力圖生成技術(shù)[J].中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)報(bào)，2007，15（4）：438-441.