高精度海洋重力仪系统误差建模研究

　　1　引言

　　水下运载体,如水下测量船、水下游览船、水下自主作业机器人和潜艇等,广泛地应用于海洋油气源勘探、海洋地热资源勘察、水下电缆铺设和国防等领域,要实现水下运载体长时间的水下作业,必须依赖于自主水下导航定位系统。通常采用惯导系统作为水下运载体的主要导航定位设备,但是,惯性仪表的随机误差以及不规则变化重力场的不确定性都会导致惯导系统的误差不断增加,仅采用惯性导航系统降低了水下运载体导航系统的可靠性。由于利用惯性/重力组合的导航系统是严格意义上的无源导航系统[2],因此受到了格外关注。为实现惯性/重力组合导航,需要利用高精度海洋重力仪实时获取高精度的重力异常信息,因而对高精度海洋重力仪测量系统的实时性和测量精度都有严格的要求,过大的延时和测量误差都将导致惯性/　重力组合导航系统的精度降低。目前国内外重力仪无论在测量精度还是在测量范围上都有了很大的发展,但其应用对象和测量方法决定了高精度海洋重力仪与国内外现有重力仪有本质性的差别,例如,美国LaCoste& Romberg公司研制的S型重力仪、德国波登斯威克公司研制了KSS-30型重力仪、美国Bell公司研制了BGM-3型重力仪和中国科学院测量与地球物理研究所研制了CHZ型海洋重力仪等都不能直接用于水下运载体重力辅助导航系统,必须改进或重新设计,才能应用于水下运载体重力辅助导航系统。因此,本课题组开展了高精度海洋重力仪关键技术的研究,根据我国重力传感器的研究现状,提出采用石英振梁式加速度计作为重力传感器,并将石英振梁式重力传感器安装在两轴陀螺稳定平台上进行重力测量的高精度海洋重力仪的设　　计方案。由于高精度海洋重力仪系统误差模型是方案设计及器件选择的理论依据,因此,本文开展了高精度海洋重力仪系统误差建模及仿真研究。

　　2　高精度海洋重力仪控制方程[1, 2]

　　本课题组研制的高精度海洋重力仪主要由陀螺稳定平台、石英振梁式重力传感器和高速同步数据采集及数据处理系统三个部分组成。陀螺稳定平台是一种两轴平台,平台台板上安装两个单自由度液浮陀螺仪和两个加速度计,石英振梁式重力传感器以稳定平台作为测量基准面进行高精度重力测量,重力传感器输出数据由高速同步数据采集及数据处理系统采集并处理。

　　2·1　速度控制方程

　　高精度海洋重力仪控制方程的输入量是安装在陀螺稳定平台支承轴上的东向加速度计输出量Apx和北向加速度计输出量Apy,而输出量是陀螺控制信息量ωcx、ωcy、纬度φc及计算速度Vc。平台坐标系轴向加速度Apx、Apy和重力传感器敏感轴方向加速度Apz是地理坐标系轴向加速度Ax、Ay和Az在平台坐标系轴上的分量A′x、A′y、A′z与加速度计零位误差、ΔAy、ΔAz之和,即