GIPS-1AM高精度慣性穩(wěn)定平臺式?？罩亓x的設計與試驗

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

(北京自動化控制設備研究所，北京 100074)

針對國內對于高精度?？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。突破了高精度重力敏感器設計、高精密溫度控制、總體設計和自標定等關鍵技術問題，完成了樣機的設計、調試和試驗測試。試驗測試結果表明，樣機溫控精度優(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、地球物理學、地球動力學、海洋科學、資源勘探、空間科學以及現(xiàn)代軍事等基礎前沿領域的重力測量需求。

?？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, 它反映地球內部物質分布、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、地質災害和地震等科學問題的重要前提，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、地球動力學等基礎和前沿科學研究具有重要意義，在國家經(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。

?？罩亓x是海洋重力儀和航空重力儀的總稱，是一種相對式重力儀，可安裝于飛機艦船等移動平臺上對地球重力進行動態(tài)測量，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、測量效率高等特點。

目前，國內1mGal精度的海空重力儀僅能夠少量整機引進，而且價格昂貴，使用維護困難，與我國的需求相比，缺口很大。國內自主研制的海空重力儀仍處于樣機研制階段，在工程或商業(yè)應用方面仍屬空白狀態(tài)。此種現(xiàn)狀，嚴重限制了國家實力的增強和深遠海戰(zhàn)略的進一步實施。

北京自動化控制設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、慣性導航及組合導航等方面的技術基礎，自主研制了GIPS-1AM高精度慣性穩(wěn)定平臺式海空重力儀樣機，以期加快我國小型高精度?？罩亓x的工程化應用，盡快滿足我國相關應用領域的迫切需求。本文對該重力儀的技術指標和系統(tǒng)方案、關鍵技術及解決效果、試驗測試等情況進行介紹。

1 技術指標及系統(tǒng)方案

1.1 技術指標

GIPS-1AM高精度慣性穩(wěn)定平臺式?？罩亓x主要性能指標為：

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)重力儀主機重量小于20kg；

6)重力儀主機外形尺寸：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”技術方案，并且是在已裝備的航空慣性導航系統(tǒng)的基礎上改進研制而成。加拿大SGL公司的AIRGrav重力儀是目前國際上實際應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：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、計算機等。其中慣性穩(wěn)定平臺主要由2個動力調諧陀螺、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)標定提供基準信息，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，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，為重力儀主機提供一個相對較好的力學環(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數(shù)據(jù)、DGPS數(shù)據(jù)等進行對齊、濾波、改正、質量檢驗、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?？罩亓x的工作流程包含準備階段、測量階段和熱待機階段，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)準備階段

在準備階段主要是使慣性器件精度達到要求，完成重力儀的初始對準。具體完成的任務有：

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

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

3)抗擾動對準。調整穩(wěn)定平臺坐標系精確進入測量工作狀態(tài)。對準完成后，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。完成準備后，在載體不移動的情況下進行一段靜態(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，重新進行一段靜態(tài)測試，自動記錄重力儀和衛(wèi)星數(shù)據(jù)，結合前校測量確定重力測量階段重力儀零偏漂移量，以進一步提高測量精度。

(3)熱待機和數(shù)據(jù)后處理

此階段，重力儀工作在導航狀態(tài)，等待下航次測量或關機指令。為了減少重力儀準備階段的時間，在每航次測量結束后，重力儀轉入熱待機狀態(tài)，如果需要繼續(xù)測量，則可省去通電預熱的時間。

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

2 關鍵技術及解決效果

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鍵技術問題。

2.1 高精度石英撓性加速度計重力敏感器技術

重力儀測量精度指標為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，遠高于目前導航系統(tǒng)中使用的加速度計指標要求。針對小量程高精度高穩(wěn)定性的應用需求，通過對石英撓性加速度計進行設計和工藝改進研制，并采用加強穩(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)定性測試結果(1σ)分別為1#：0.46μg,2#:0.82μg,3#:0.90μg,基本可滿足重力儀樣機的精度指標要求。

2.2 高精度加速度計轉換電路技術

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

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

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

2.3 高精密溫度控制技術

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。測試結果為，室溫條件下垂向加速度計8小時溫控穩(wěn)定性達到0.0006℃(1σ)，垂直陀螺8小時溫控穩(wěn)定性達到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 總體設計技術

鑒于航空重力儀，特別是小型無人機載重力儀對于體積、重量和功耗等有較為嚴苛的要求，為此，在已裝備部隊的小型高精度航空慣導系統(tǒng)的基礎上，采用小型高精度石英撓性加速度計和轉換電路，對慣性穩(wěn)定平臺的臺體和環(huán)架等結構進行改進設計，對電源、溫控電路、伺服電路、導航計算機等進行優(yōu)化設計，以改進系統(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。重力儀主機的外形照片如圖6所示。

圖6 GIPS-1AM海空重力儀主機Fig.6 Photo of GIPS-1AM airborne/marine gravimeter mainframe

2.5 自標定技術

利用慣性穩(wěn)定平臺的特點，采用開環(huán)自標定技術，可在外場靜止工作臺或飛機上對陀螺和兩水平加速度計的誤差參數(shù)及安裝誤差等進行高精度自標定，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)自標定，可標定出陀螺常值漂移、與g有關項漂移，加速度計的零偏、標度因數(shù)、安裝誤差等參數(shù)。標定結果如表2所示。

自標定結果與轉臺標定結果對比表明，陀螺常值漂移相差均小于0.015(°)/h，與g有關項漂移系數(shù)相差均小于0.015(°)/(h·g)，加速度計零偏相差均小于0.03mg，標度因數(shù)相差均小于25ppm，安裝誤差相差均小于10″。可滿足重力儀導航和保持重力敏感器垂直的相關要求，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，可不依賴于自標定的精度。

表2 重力儀自標定結果及與轉臺標定結果對比Tab.2 Compare of self-calibration and table-calibration results about a gravimeter

3 試驗測試結果

3.1 靜基座長時間工作精度測試

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

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

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

3.2 不同樓層重復性及精度測試

對重力儀樣機在五層辦公樓進行了不同樓層7次重復性測試。1#和2#樣機的測試結果分別如表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。測試結果表明，1#樣機同一樓層重復性的最大值為0.33mGal(1σ)，最小值為0.17mGal，測量誤差均方根為0.24mGal；2#樣機同一樓層重復性的最大值為0.19mGal(1σ)，最小值為0.07mGal，測量誤差均方根為0.33mGal。

表3 1#重力儀樣機不同樓層重復性及精度測試結果Tab.3 Testing results of 1# gravimeter repeatability and accuracy at different floor

表4 2#重力儀樣機不同樓層重復性及精度測試結果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標準偏差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 結論

重力儀樣機和關鍵分部件的試驗測試結果表明，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)?？裳b載于固定翼飛機、直升飛機、無人飛機、大地測量車、測量船等移動平臺，具備滿足大地測量學、地球物理學、地球動力學、海洋科學、資源勘探、空間科學以及現(xiàn)代軍事等基礎前沿領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，主要從事慣性技術方面的研究。

U666.1

A

2095-8110(2015)03-0016-07