CN109001829A - 一种捷联式水下动态重力测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种捷联式水下动态重力测量仪，属于重力测量领域，该系统主要由惯性测量单元、数据系统、多普勒测速仪、深度计、超短基线水声定位设备、水下承压舱组成；水下承压舱底部具有安装孔，可采用螺栓与水下动态载体固联；多普勒测速仪测量对海底或对海流的速度，深度计测量重力仪深度，超短基线水声定位设备测量重力仪的位置，它们的测量结果作为外部观测量，与惯性测量单元的捷联惯导解算结果进行联邦滤波，得到各导航参数和比力测量值后进行重力异常解算。本发明满足了水下动态重力测量的需求，具有制造成本低、测量效率高、覆盖面积大、适应动态测量环境、接近海底重力信号源等优点。

Description

一种捷联式水下动态重力测量仪

技术领域：

本发明涉及一种重力测量装置，特别是涉及一种捷联式水下动态重力测量仪，属于重力测量领域。

背景技术：

地球重力场是重要的地球基本物理特征之一，它制约着地球本身及其附近空间的一切物理事件。地球重力场的测定对大地测量学、空间科学、地球物理学、地球动力学、海洋科学、资源勘探以及现代军事等学科具有重要意义。当前，主要的地球重力场测量方式有地面重力测量、航空重力测量、海洋重力测量和卫星重力测量。海洋占据了地球表面71％的面积，是地球重力测量的主要对象。目前，普遍采用的海洋重力测量方式为水下静态重力测量和船载动态重力测量。但是，这两种测量方式仍存在一定的局限性。

水下静态重力测量靠近信号源、信号强度大、测量精度高，但其单点测量操作时间长、效率低，无法进行大面积覆盖测量。

船载重力测量中，水层类似于一个巨大的低通滤波器，海底重力信号的高频信息会随着观测距离的增加而迅速衰减甚至消失。因此，船载重力测量可能无法探测到重力信号中有用的高频部分，不适合深海重力测量。

船载重力测量中目前采用的海洋重力仪包括基于双轴稳定平台的海洋重力仪和基于三轴平台惯导的海洋重力仪。基于双轴稳定平台的海洋重力仪通常采用弹簧型重力传感器，这种重力传感器需要非常高的制造工艺，且成本高、难以量产，因此，相应的重力仪的抗恶劣环境能力差、维护成本高。文献《直线型海洋重力仪负漂移原因分析及处理》(王劲松,叶宇星,徐行等.地质学刊,2016,40(2):326-330.)中提到的采用零长弹簧的L&R S系列摆杆型海洋重力仪和采用直立弹簧的KSS31M直线型海洋重力仪就是基于双轴稳定平台的海洋重力仪。基于三轴平台惯导的海洋重力仪实质上是一台完整的高精度平台惯导系统，相较于基于双轴稳定平台的海洋重力仪，其多出了一个稳定轴，使得其制造成本更高，且不能在动态性大的环境中工作。文献《航空/海洋重力测量仪器发展综述》(胡平华,赵明,黄鹤等.导航定位与授时,2017,4(4).)提到的GT-2M平台式海洋重力仪就是基于三轴平台惯导系统的海洋重力仪。

因此，设计一种制造成本低、测量效率高、覆盖面积大、适应动态测量环境、可接近海底重力信号源的海洋重力仪对于海洋重力测量具有重要意义。

发明内容：

针对上述问题，本发明提供了一种捷联式水下动态重力测量仪，它可以适应动态测量环境、接近海底重力信号源，且制造成本低、测量效率高、覆盖面积大。本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种捷联式水下动态重力测量仪，主要由惯性测量单元、数据系统、多普勒测速仪、深度计、超短基线水声定位设备、水下承压舱组成，数据系统包括时间同步的数据采集系统和数据处理计算机；惯性测量单元和数据系统位于水下承压舱内部，多普勒测速仪、深度计、超短基线水声定位设备位于水下承压舱外部，分别通过连接线缆c、连接线缆b和连接线缆a与水下承压舱内的数据系统相连接，惯性测量单元、多普勒测速仪、深度计、超短基线水声定位设备所测数据通过连接线缆传输给数据系统；重力仪的外壳为水下承压舱，可以保护水下承压舱内的精密设备和元器件免受海水侵蚀和压力破坏，使重力仪具备水下测量能力，能够接近海底重力信号源，水下承压舱底部具有安装孔，采用螺栓将水下承压舱固联在搭载重力仪的水下动态载体上，实现重力仪的动态测量；惯性测量单元作为主体处于核心部分，由重力传感器和姿态传感器组成，重力传感器为重力仪提供比力测量数据，姿态传感器为重力仪提供角增量测量数据，惯性测量单元采用的捷联式数学平台具有高动态性的优点，可以适应水下动态测量环境；多普勒测速仪测量对海底或对海流的速度，深度计测量重力仪深度，超短基线水声定位设备测量重力仪在大地坐标系下的位置坐标；重力传感器、姿态传感器、多普勒测速仪、深度计和超短基线水声定位设备的数据传输给数据系统后，由时间同步的数据采集系统实现数据记录和时间标准的统一；数据处理计算机利用重力传感器的比力测量数据和姿态传感器的角增量测量数据进行捷联惯导解算得到重力仪当前的姿态、速度和位置，然后利用重力仪的姿态信息将多普勒测速仪测得的载体坐标系下的速度转换到导航坐标系下，数据处理计算机以多普勒测速仪测得的速度、深度计测得的深度和超短基线水声定位设备测得的位置作为外部观测量，与捷联惯导解算的速度、深度和位置比较，通过联邦滤波计算各项误差改正值，对捷联惯导的解算结果进行反馈校正得到各导航参数和比力测量值，然后进行重力异常解算，初步计算的重力异常结果中包含着大量的高频噪声，需采用低通滤波将具有低频特性的重力信号提取出来，得到最后的重力异常解算结果。

对于本发明所述的一种捷联式水下动态重力测量仪，姿态传感器优选采用高精度光学陀螺，重力传感器优选采用高精度石英挠性加速度计，这种加速度计具有成本低、便于量产等优点。

对于本发明所述的一种捷联式水下动态重力测量仪，可以通过温控系统使重力传感器和姿态传感器工作环境温度维持恒定，从而提高重力传感器和姿态传感器的测量精度，以获得更高的重力测量精度。

本发明的有益效果是：本发明可以实现重力的水下、近海底、动态测量。由于采用了捷联式数学平台，本发明具有成本低、便于量产、便于维护的优点；在相同测量精度水平下，具有动态性高的特点，可在恶劣环境下工作；不仅具有水下静态重力测量靠近信号源、信号强度大、测量精度高的优点，而且可以高效地进行大面积海洋重力场测绘工作。

附图说明：

图1为本发明的组成、连接和布局方框示意图；

图2为本发明测量原理示意图；

图3为本发明的安装和工作方式示意图；

图4为本发明的水下承压舱立体示意图。

图中所示：1-惯性测量单元，2-温控系统，3-数据系统，4-多普勒测速仪，5-深度计，6-超短基线水声定位设备，7-连接线缆，8-水下承压舱，9-水下动态载体，10-安装孔，11-螺栓，71-连接线缆a，72-连接线缆b，73-连接线缆c，74-连接线缆d，101-重力传感器，102-姿态传感器，301-时间同步的数据采集系统，302-数据处理计算机。

具体实施方式：

下面将通过实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。

图1为本发明的组成、连接和布局方框示意图。本发明主要由惯性测量单元1、数据系统3、多普勒测速仪4、深度计5、超短基线水声定位设备6、水下承压舱8组成，另外还可包括温控系统2，其中，数据系统3包括时间同步的数据采集系统301和数据处理计算机302，惯性测量单元1和数据系统3位于水下承压舱8内部，多普勒测速仪4、深度计5、超短基线水声定位设备6位于水下承压舱8外部，分别通过连接线缆c 73、连接线缆b 72和连接线缆a 71与水下承压舱8内的数据系统3相连接，惯性测量单元1、多普勒测速仪4、深度计5、超短基线水声定位设备6所测数据通过连接线缆7传输给数据系统3；重力仪的外壳为水下承压舱8，可以保护水下承压舱8内的精密设备和元器件免受海水侵蚀和压力破坏，使重力仪具备水下测量能力，能够接近海底重力信号源，水下承压舱8可以选择钛合金等高强度金属材料制作，可以根据不同深度的工作需求定制承压能力不同的水下承压舱8；惯性测量单元1作为主体处于核心部分，由重力传感器101和姿态传感器102组成，重力传感器101为重力仪提供比力测量数据，姿态传感器102为重力仪提供角增量测量数据，惯性测量单元1采用捷联数学平台解算，该平台具有高动态性的优点，可以适应水下动态测量环境；多普勒测速仪4测量对海底或对海流的速度，深度计5测量重力仪深度，超短基线水声定位设备6测量重力仪在大地坐标系下的位置坐标，重力传感器101、姿态传感器102、多普勒测速仪4、深度计5和超短基线水声定位设备6的数据传输给数据系统3后，由时间同步的数据采集系统301实现数据记录和时间标准的统一。

此外，如图1中所示，本发明中惯性测量单元1还可以采用温控系统2密封保护，这样可以将惯性测量单元1中的重力传感器101和姿态传感器102的工作环境温度维持在恒定值，有利于提高重力传感器101和姿态传感器102的测量精度，从而获得高精度的重力测量结果。

本发明中的重力传感器101优选为高精度石英挠性加速度计，相比于需要特殊制作工艺的重力传感器，如零长弹簧，高精度石英挠性加速度计成本低、可以实现量产、抗恶劣环境能力强、维修维护方便。本发明中的姿态传感器102优选为高精度光学陀螺，如高精度激光陀螺、高精度光纤陀螺。

图2为本发明测量原理示意图，数据处理计算机302利用重力传感器101的比力测量数据和姿态传感器102的角增量测量数据进行捷联惯导解算得到当前重力仪的姿态、速度和位置，然后利用重力仪的姿态信息将多普勒测速仪4测得的载体坐标系下的速度转换到导航坐标系下，数据处理计算机302以多普勒测速仪4测得的速度、深度计5测得的深度和超短基线水声定位设备6测得的位置作为外部观测量，与捷联惯导解算的速度、深度和位置比较，通过联邦滤波计算各项误差改正值，对捷联惯导的解算结果进行反馈校正得到各导航参数和比力测量值。然后进行重力异常解算，初步计算的重力异常结果中包含着大量的高频噪声，需采用低通滤波器将具有低频特性的重力信号提取出来，得到最后的重力异常解算结果。

在图3和图4中可以看出，水下承压舱8底部具有安装孔10，采用螺栓11将水下承压舱8固联在搭载重力仪的水下动态载体9上，水下动态载体9搭载重力仪在水下沿规划航线航行，实现水下动态重力测量。

在图3中，多普勒测速仪4、深度计5、超短基线水声定位设备6安装在水下承压舱8外，多普勒测速仪4、深度计5、超短基线水声定位设备6可以安装在水下动态载体9上的合适位置，其中多普勒测速仪4必须安装在水下动态载体9的底部，因为多普勒测速仪4工作时需要利用声波打底。水下动态载体9通过连接线缆d 74为重力仪供电、实现状态监测和数据传输，水下动态载体9可以是自主水下航行器或水下遥控航行器等。在进行重力解算时，需要对多普勒测速仪4、深度计5、超短基线水声定位设备6的测量数据以惯性测量单元1为中心进行杆臂修正。

在实际测量过程中，可以通过标定各传感器的误差和标度因数来提高重力仪的测量精度。

采用本发明的重力测量装置可以进行水下、近海底、动态重力测量，高效地获得大面积、高精度的重力数据，能够达到降低生产成本、规模量产的目的，具有便于维护、节省测量成本的优点。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种捷联式水下动态重力测量仪，其特征在于：主要由惯性测量单元(1)、数据系统(3)、多普勒测速仪(4)、深度计(5)、超短基线水声定位设备(6)、水下承压舱(8)组成，数据系统(3)包括时间同步的数据采集系统(301)和数据处理计算机(302)；惯性测量单元(1)和数据系统(3)位于水下承压舱(8)内部，多普勒测速仪(4)、深度计(5)、超短基线水声定位设备(6)位于水下承压舱(8)外部，分别通过连接线缆c(73)、连接线缆b(72)和连接线缆a(71)与水下承压舱(8)内的数据系统(3)相连接，惯性测量单元(1)、多普勒测速仪(4)、深度计(5)、超短基线水声定位设备(6)所测数据通过连接线缆(7)传输给数据系统(3)；重力仪的外壳为水下承压舱(8)，水下承压舱(8)底部具有安装孔(10)，采用螺栓(11)将水下承压舱(8)固联在搭载重力仪的水下动态载体(9)上；惯性测量单元(1)作为主体处于核心部分，采用捷联式数学平台，惯性测量单元(1)由重力传感器(101)和姿态传感器(102)组成，重力传感器(101)为重力仪提供比力测量数据，姿态传感器(102)为重力仪提供角增量测量数据，多普勒测速仪(4)测量对海底或对海流的速度，深度计(5)测量重力仪深度，超短基线水声定位设备(6)测量重力仪在大地坐标系下的位置坐标；重力传感器(101)、姿态传感器(102)、多普勒测速仪(4)、深度计(5)和超短基线水声定位设备(6)的数据传输给数据系统(3)后，由时间同步的数据采集系统(301)实现数据记录和时间标准的统一；数据处理计算机(302)利用重力传感器(101)的比力测量数据和姿态传感器(102)的角增量测量数据进行捷联惯导解算得到重力仪当前的姿态、速度和位置，然后利用重力仪的姿态信息将多普勒测速仪(4)测得的载体坐标系下的速度转换到导航坐标系下，数据处理计算机(302)以多普勒测速仪(4)测得的速度、深度计(5)测得的深度和超短基线水声定位设备(6)测得的位置作为外部观测量，与捷联惯导解算的速度、深度和位置比较，通过联邦滤波计算各项误差改正值，对捷联惯导的解算结果进行反馈校正得到各导航参数和比力测量值，然后进行重力异常解算，初步计算的重力异常结果中包含着大量的高频噪声，需采用低通滤波将具有低频特性的重力信号提取出来，得到最后的重力异常解算结果。

2.根据权利要求1所述的一种捷联式水下动态重力测量仪，其特征在于：所述重力传感器(101)采用高精度石英挠性加速度计，所述姿态传感器(102)采用高精度光学陀螺。

3.根据权利要求1或2所述的一种捷联式水下动态重力测量仪，其特征在于：还可以包括温控系统，通过温控系统(2)使重力传感器(101)和姿态传感器(102)工作环境温度维持恒定。