【摘要】：航空重力測量是以飛機為載體確定區(qū)域和局部重力場的方法，較之經(jīng)典的測量方法，其測量速度快、范圍廣、成本低，且它能夠在一些難以開展地面重力測量的特殊區(qū)域如沙漠、冰川、沼澤和原始森林等交通不便和無人居住區(qū)進行作業(yè)，可以快速經(jīng)濟地獲取分布均勻、精度良好、大面積的重力場高頻信息。捷聯(lián)式航空重力儀具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高和功耗小等優(yōu)點，將在航空重力測量中發(fā)揮巨大作用。 本文在完成863重大項目“航空重力勘查系統(tǒng)開發(fā)集成”之時，結(jié)合國防科學技術(shù)大學研制的捷聯(lián)式航空重力儀SGA-WZ，在捷聯(lián)式航空重力儀誤差分析、器件誤差估計、桿臂估計以及精度評估等四個方面進行了較為深入的研究，主要研究工作和研究成果歸納如下： 1、對捷聯(lián)式航空重力儀的原理進行了深入研究，分析了捷聯(lián)式航空重力儀的數(shù)學模型及其各項主要誤差源，并分析了各個主要誤差源對高精度捷聯(lián)式航空重力儀的影響機理和影響程度。分析的主要誤差源包括傳感器誤差、GPS的水平位置誤差、GPS的速度和載體加速度誤差、時間同步誤差、桿臂誤差、溫度控制誤差和減振系統(tǒng)誤差等。重點研究了傳感器誤差，并在傳感器分析中詳細地區(qū)分了水平和天向加速度計、水平和方位陀螺，同時對天向加速度計的標度因數(shù)溫度系數(shù)誤差、量化誤差和二階非線性誤差等分別進行了分析。分析表明，以實現(xiàn)精度為1mGal/1km的航空重力測量為例，天向加速度計的分辨率應優(yōu)于1mGal，標度因子優(yōu)于1ppm，零偏穩(wěn)定性優(yōu)于1.0×106g，標度因子穩(wěn)定性優(yōu)于1ppm/天；水平加速度計和水平陀螺的精度可以適當放寬，，其中水平加速度計要求零偏穩(wěn)定性優(yōu)于1.0×104g，標定因數(shù)穩(wěn)定性為30ppm/天，水平陀螺則要求0.01/h，標度因數(shù)穩(wěn)定性優(yōu)于30ppm；相對于水平陀螺，天向陀螺零偏穩(wěn)定性可放寬至0.05/h。討論和分析了偏心改正誤差，通過分析姿態(tài)運動引起的速度誤差和加速度誤差，指出捷聯(lián)式航空重力儀的桿臂誤差應小于10cm。 2、針對航空重力測量時載機勻速直線航行使得通用的15狀態(tài)濾波器不滿足器件零偏可觀性條件這一特點，分析了天向陀螺漂移與水平加速度計零偏之間的影響關(guān)系，提出了逐步參數(shù)固化算法，并給出了算法的詳細流程，通過迭代的方式分離了陀螺漂移和加速度計零偏引起的姿態(tài)誤差，進而更精確地估計出捷聯(lián)式航空重力儀的陀螺漂移和加速度計零偏。仿真表明，逐步參數(shù)固化算法的重復線精度為0.56mGal/2km，而通用的方法為0.77mGal/2km，逐步參數(shù)固化算法精度提高了約27%。實測數(shù)據(jù)處理結(jié)果顯示，逐步參數(shù)固化算法的重復線精度為1.10mGal/6km，而通用的方法為1.34mGal/6km，逐步參數(shù)固化算法比通用算法提高了約17.9%。仿真和實驗均表明，通過逐步參數(shù)固化算法可以有效的估計出天向陀螺漂移，進而提高水平加速度計零偏估計的精度，最終提高了航空重力測量的精度。 3、針對捷聯(lián)式航空重力儀區(qū)別于傳統(tǒng)海/空重力儀和三軸平臺式重力儀的不同特點，對桿臂誤差的機理進行分析。通過擴展Kalman濾波器的方式，對桿臂矢量進行建模和估計，對擴展Kalman濾波的觀測方程進行了詳細的推導，分析了擴展Kalman濾波的桿臂狀態(tài)可觀性�？捎^性分析表明同時具有兩個或者兩個以上不同方向的角運動可以使得桿臂完全可觀。仿真表明，同時具有兩個以上不同方向的角運動才能使得桿臂矢量完全可觀，單一方向的角運動激勵不能保證桿臂矢量的全局可觀，即不能保持已經(jīng)收斂的桿臂矢量分量。實驗結(jié)果證明了桿臂矢量的可觀性分析結(jié)論，同時表明采用擴展Kalman濾波估計桿臂矢量是一種可行的方法。 4、針對傳統(tǒng)的航空重力測量內(nèi)符合精度評估方法，即測線網(wǎng)交叉點不符值或重復測線不符值，無法有效評估單條測線的精度的問題，對捷聯(lián)式航空重力儀的單條測線精度評估方法進行了研究。結(jié)合航空重力飛行任務的特點，提出了基于DoHab的捷聯(lián)式航空重力儀單條測線精度評估方法，采用了兩組實際的航空重力飛行數(shù)據(jù)對基于DoHab的方法進行驗證，比較結(jié)果表明DoHab方法對單條測線的平穩(wěn)度具有較好的區(qū)分度，且可以有效地區(qū)分兩條精度差異較大的單獨測線。論文探索和總結(jié)了在保證精度的前提下提高捷聯(lián)式航空重力儀生產(chǎn)效率的質(zhì)量控制方法。
【學位授予單位】：國防科學技術(shù)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：P223.4

【參考文獻】

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本文編號：2562657