【摘要】：航空重力測(cè)量是以飛機(jī)為載體確定區(qū)域和局部重力場(chǎng)的方法，較之經(jīng)典的測(cè)量方法，其測(cè)量速度快、范圍廣、成本低，且它能夠在一些難以開(kāi)展地面重力測(cè)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(wú)人居住區(qū)進(jìn)行作業(yè)，可以快速經(jīng)濟(jì)地獲取分布均勻、精度良好、大面積的重力場(chǎng)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(diǎn)，將在航空重力測(cè)量中發(fā)揮巨大作用。 本文在完成863重大項(xiàng)目“航空重力勘查系統(tǒng)開(kāi)發(fā)集成”之時(shí)，結(jié)合國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)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(jì)、桿臂估計(jì)以及精度評(píng)估等四個(gè)方面進(jìn)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(duì)捷聯(lián)式航空重力儀的原理進(jìn)行了深入研究，分析了捷聯(lián)式航空重力儀的數(shù)學(xué)模型及其各項(xiàng)主要誤差源，并分析了各個(gè)主要誤差源對(duì)高精度捷聯(lián)式航空重力儀的影響機(jī)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(shí)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(diǎn)研究了傳感器誤差，并在傳感器分析中詳細(xì)地區(qū)分了水平和天向加速度計(jì)、水平和方位陀螺，同時(shí)對(duì)天向加速度計(jì)的標(biāo)度因數(shù)溫度系數(shù)誤差、量化誤差和二階非線(xiàn)性誤差等分別進(jìn)行了分析。分析表明，以實(shí)現(xiàn)精度為1mGal/1km的航空重力測(cè)量為例，天向加速度計(jì)的分辨率應(yīng)優(yōu)于1mGal，標(biāo)度因子優(yōu)于1ppm，零偏穩(wěn)定性?xún)?yōu)于1.0×106g，標(biāo)度因子穩(wěn)定性?xún)?yōu)于1ppm/天；水平加速度計(jì)和水平陀螺的精度可以適當(dāng)放寬，，其中水平加速度計(jì)要求零偏穩(wěn)定性?xún)?yōu)于1.0×104g，標(biāo)定因數(shù)穩(wěn)定性為30ppm/天，水平陀螺則要求0.01/h，標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性?xún)?yōu)于30ppm；相對(duì)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(guò)分析姿態(tài)運(yùn)動(dòng)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(yīng)小于10cm。 2、針對(duì)航空重力測(cè)量時(shí)載機(jī)勻速直線(xiàn)航行使得通用的15狀態(tài)濾波器不滿(mǎn)足器件零偏可觀(guān)性條件這一特點(diǎn)，分析了天向陀螺漂移與水平加速度計(jì)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(xì)流程，通過(guò)迭代的方式分離了陀螺漂移和加速度計(jì)零偏引起的姿態(tài)誤差，進(jìn)而更精確地估計(jì)出捷聯(lián)式航空重力儀的陀螺漂移和加速度計(jì)零偏。仿真表明，逐步參數(shù)固化算法的重復(fù)線(xiàn)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果顯示，逐步參數(shù)固化算法的重復(fù)線(xiàn)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(shí)驗(yàn)均表明，通過(guò)逐步參數(shù)固化算法可以有效的估計(jì)出天向陀螺漂移，進(jìn)而提高水平加速度計(jì)零偏估計(jì)的精度，最終提高了航空重力測(cè)量的精度。 3、針對(duì)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(tái)式重力儀的不同特點(diǎn)，對(duì)桿臂誤差的機(jī)理進(jìn)行分析。通過(guò)擴(kuò)展Kalman濾波器的方式，對(duì)桿臂矢量進(jìn)行建模和估計(jì)，對(duì)擴(kuò)展Kalman濾波的觀(guān)測(cè)方程進(jìn)行了詳細(xì)的推導(dǎo)，分析了擴(kuò)展Kalman濾波的桿臂狀態(tài)可觀(guān)性�？捎^(guān)性分析表明同時(shí)具有兩個(gè)或者兩個(gè)以上不同方向的角運(yùn)動(dòng)可以使得桿臂完全可觀(guān)。仿真表明，同時(shí)具有兩個(gè)以上不同方向的角運(yùn)動(dòng)才能使得桿臂矢量完全可觀(guān)，單一方向的角運(yùn)動(dòng)激勵(lì)不能保證桿臂矢量的全局可觀(guān)，即不能保持已經(jīng)收斂的桿臂矢量分量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了桿臂矢量的可觀(guān)性分析結(jié)論，同時(shí)表明采用擴(kuò)展Kalman濾波估計(jì)桿臂矢量是一種可行的方法。 4、針對(duì)傳統(tǒng)的航空重力測(cè)量?jī)?nèi)符合精度評(píng)估方法，即測(cè)線(xiàn)網(wǎng)交叉點(diǎn)不符值或重復(fù)測(cè)線(xiàn)不符值，無(wú)法有效評(píng)估單條測(cè)線(xiàn)的精度的問(wèn)題，對(duì)捷聯(lián)式航空重力儀的單條測(cè)線(xiàn)精度評(píng)估方法進(jìn)行了研究。結(jié)合航空重力飛行任務(wù)的特點(diǎn)，提出了基于DoHab的捷聯(lián)式航空重力儀單條測(cè)線(xiàn)精度評(píng)估方法，采用了兩組實(shí)際的航空重力飛行數(shù)據(jù)對(duì)基于DoHab的方法進(jìn)行驗(yàn)證，比較結(jié)果表明DoHab方法對(duì)單條測(cè)線(xiàn)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(dú)測(cè)線(xiàn)。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(xué)位授予單位】：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類(lèi)號(hào)】：P223.4

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2562657