CN110068876B - 基于载体自振动航空重力梯度仪运动误差补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于载体自振动航空重力梯度仪运动误差补偿方法，其技术特点在于：包括以下步骤：步骤1、对加速度计组合信号在飞机螺旋桨旋转频率上进行正余弦解调；步骤2、对垂向加速度计输出信号在飞机螺旋桨旋转频率上进行正余弦解调；步骤3、求得两组加速度计敏感轴垂向安装误差实时信号；步骤4、对垂向加速度计输出信号在二倍频频点上进行正余弦解调；步骤5、得到重力梯度信号中加速度计敏感轴俯仰角安装误差予以补偿。本发明合理补偿航空重力梯度仪的垂向加速度误差，提高了系统的测量精度。

Description

基于载体自振动航空重力梯度仪运动误差补偿方法

技术领域

本发明属于旋转加速度计式航空重力梯度仪技术领域，涉及旋转加速度计式航空重力梯度仪垂向运动误差补偿方法，尤其是一种基于载体自振动航空重力梯度仪运动误差补偿方法。

背景技术

目前，旋转加速度计式重力梯度仪是对地球表面微小重力梯度变化进行连续测量的仪器。如图2所示，作为核心敏感器的重力梯度测量组件基于加速度计位置差分测量原理，通过机械旋转的方式将重力梯度张量分量调制到系统旋转频率的二倍频处，加速度计输出与重力梯度张量分量之间的关系可表示为：

(a₁+a₃)-(a₂+a₄)＝2R(Γ_xx-Γ_yy)sin2ωt+4RΓ_xycos2ωt (1)

式中a1、a2、a3、a4是四个加速度计的输出，R是加速度计检测质心到旋转中心的距离，Γ_xx、Γ_yy、Γ_xy是重力梯度张量分量，ω是旋转装置的旋转角速度。将系统输出的加速度计组合信号进行2ω频率上的同步解调得到最终的重力梯度张量信号Γ_xx-Γ_yy和Γ_xy。同时定义Γ_uv＝Γ_xx-Γ_yy。进行航空测量时，由惯性稳定平台承载重力梯度敏感器，隔离载体角运动对重力梯度测量的影响，同时为敏感器提供基准坐标系。

利用飞机等机动平台开展重力梯度勘查具有效率高、成本低、环境适应性强的优点，可在人员难以到达的复杂地理环境中部署使用。但在机载测量条件下，飞机在飞行过程中垂向振动的二倍频分量与四只加速度计的敏感轴垂向安装误差角相耦合，进入加速度计组合信号的二倍频分量上，对重力梯度测量信号造成干扰。经测量，机载垂向运动加速度的二倍频分量约为2×10^-3g量级，在每只加速度计敏感轴垂向安装误差精度优于5″的条件下，对重力梯度信号的干扰为5000E。因此，机载条件下对载体垂向加速度误差的补偿是影响仪器测量性能的重要环节，需通过特定的方法予以补偿。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于载体自振动航空重力梯度仪运动误差补偿方法，能够合理补偿旋转加速度计式重力梯度仪在机载测量时，输出的重力梯度信号中存在由载体垂向加速度与加速度计敏感轴垂向安装误差相耦合引起的测量误差。

本发明解决其现实问题是采取以下技术方案实现的：

一种旋转加速度计式航空重力梯度仪垂向线运动测量误差的补偿方法，包括以下步骤：

步骤1、对加速度计组合信号在飞机螺旋桨旋转频率上进行正余弦解调，得到两路信号

和

其中

为加速度计组合信号在飞机螺旋桨旋转频率上的正弦分量，

为加速度计组合信号在飞机螺旋桨旋转频率上的余弦分量；

步骤2、对垂向加速度计输出信号在飞机螺旋桨旋转频率上上进行正余弦解调，得到两路信号

和

其中

为垂向加速度在飞机螺旋桨旋转频率上的正弦分量，

为垂向加速度在飞机螺旋桨旋转频率上的余弦分量；

步骤3、将由从步骤1的加速度计组合信号得到的

和

信号与从步骤2的垂向加速度计输出信号得到的

和

信号进行相除处理，得到两组加速度计敏感轴垂向安装误差实时信号Δβ_s和Δβ_c，将两组信号Δβ_s和Δβ_c求平均得到更加真实的Δβ实时信号。其中Δβ_s是由飞机螺旋桨旋转频率正弦分量求得的加速度计敏感轴垂向安装误差实时信号，Δβ_c是由飞机螺旋桨旋转频率余弦分量求得的加速度计敏感轴垂向安装误差实时信号，Δβ是两个安装误差实时信号的平均值；

步骤4、对垂向加速度计输出信号在二倍频频点上进行正余弦解调，得到两路信号

和

是垂向加速度在旋转二倍频上的正弦分量，

是垂向加速度在旋转二倍频上的余弦分量；

步骤5、将由从垂向加速度计输出信号得到的

和

信号与Δβ信号进行相乘处理，得到重力梯度信号中加速度计敏感轴俯仰角安装误差ΔΓ_uv(a_z)和ΔΓ_xy(a_z)，予以补偿。

本发明的优点和有益效果：

1、本发明能够依据固定翼飞机飞行测量时的运动特点和重力梯度测量的误差机理，利用本是误差源的飞机螺旋桨振动作为加速度计敏感轴垂向安装误差的观测激励项，对其进行实时监测，并依据该项安装误差实时监测值对重力梯度测量信号中的垂向加速度误差进行补偿。

2、本发明针对动态飞行测量的特点和误差原理，提出利用本是误差源的飞机自振动作为观测激励项，合理补偿航空重力梯度仪的垂向加速度误差，提高了系统的测量精度；

3、本发明在不依靠外界信息、不增加系统的复杂程度的基础上，仅使用系统稳定平台的惯性导航数据对重力梯度信号中的垂向加速度误差进行补偿，提高了航空重力梯度仪系统的可靠性。

附图说明

图1为本发明的机载试验中飞机平飞过程中的垂向振动谱示意图；

图2为本发明的旋转加速度计式重力梯度敏感器测量原理示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：

一种基于载体自振动航空重力梯度仪运动误差补偿方法，可以用于补偿机载测量时由固定翼飞机垂向运动引起的重力梯度测量误差。

在本实施例中，机载条件下重力梯度仪由加速度计敏感轴垂向安装误差带来的重力梯度敏感器输出信号误差为：

ΔA_out(Δβ_i)＝a_0z[(Δβ₁+Δβ₃)-(Δβ₂+Δβ₄)]

+[Γ_xz(Δβ₂-Δβ₄)-Γ_yz(Δβ₁-Δβ₃)]sinωt

+[Γ_xz(Δβ₁-Δβ₃)+Γ_yz(Δβ₂-Δβ₄)]cosωt (2)

式中，ΔA_out(Δβ_i)是由加速度计敏感轴垂向安装误差引起的重力梯度敏感器输出加速度计组合信号的误差，β_i(i＝1,2,3,4)是第i个加速度计敏感轴的垂向角度安装误差，Γ_xz、Γ_yz是对应方向的重力梯度张量，a_0z是载体的垂向加速度。

从中可以看出，误差第二项、第三项其载波频率为一倍频，可由同步解调技术除去，误差第一项表示载体垂向加速度的二倍频分量与敏感轴垂向安装误差角相耦合，进入重力梯度测量通道。因此，重力梯度测量信号中由载体垂向加速度引起的误差可表示为：

式中：

为垂向加速度的正弦二倍频分量，

为垂向加速度的余弦二倍频分量。经测量，机载垂向运动加速度的二倍频分量约为2×10^-3g量级，在安装精度|Δβ_i|＜5″的条件下对解调后重力梯度信号造成的影响量级为5000E，在系统动态使用时需对该项误差进行补偿。

考虑在测量过程中重力梯度仪处于高动态的飞行条件下，重力梯度敏感器中加速度计敏感轴垂向安装误差(Δβ＝(Δβ₁+Δβ₃)-(Δβ₂+Δβ₄))在机载高机动过程中变化0.1″，对重力梯度信号的影响为20E量级，不可忽略，因此需对加速度计敏感轴垂向安装误差进行实时监测并采取后处理方式进行补偿。

图1为机载试验中固定翼飞机平飞运动中的垂向振动谱，可以观察到在113.2Hz处有一个0.01g的分量，为固定翼飞机螺旋桨的工作频率。可以利用此频点上的振动激励对加速度计敏感轴垂向安装误差进行实时观测并在后处理的过程中予以补偿。

一种旋转加速度计式航空重力梯度仪垂向线运动测量误差的补偿方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1、对加速度计组合信号在飞机螺旋桨旋转频率上进行正余弦解调，得到两路信号

和

其中

为加速度计组合信号在飞机螺旋桨旋转频率上的正弦分量，

为加速度计组合信号在飞机螺旋桨旋转频率上的余弦分量；

步骤2、对垂向加速度计输出信号在飞机螺旋桨旋转频率上上进行正余弦解调，得到两路信号

和

其中

为垂向加速度在飞机螺旋桨旋转频率上的正弦分量，

为垂向加速度在飞机螺旋桨旋转频率上的余弦分量；

步骤3、将由从步骤1的加速度计组合信号得到的

和

信号与从步骤2的垂向加速度计输出信号得到的

和

信号进行相除处理，得到两组加速度计敏感轴垂向安装误差实时信号Δβ_s和Δβ_c，将两组信号Δβ_s和Δβ_c求平均得到更加真实的Δβ实时信号。其中Δβ_s是由飞机螺旋桨旋转频率正弦分量求得的加速度计敏感轴垂向安装误差实时信号，Δβ_c是由飞机螺旋桨旋转频率余弦分量求得的加速度计敏感轴垂向安装误差实时信号，Δβ是两个安装误差实时信号的平均值；

步骤4、对垂向加速度计输出信号在二倍频频点上进行正余弦解调，得到两路信号

和

是垂向加速度在旋转二倍频上的正弦分量，

是垂向加速度在旋转二倍频上的余弦分量；

步骤5、将由从垂向加速度计输出信号得到的

和

信号与Δβ信号进行相乘处理，得到重力梯度信号中加速度计敏感轴俯仰角安装误差ΔΓ_uv(a_z)和ΔΓ_xy(a_z)，予以补偿。

需要强调的是，本发明所述实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (1)

1.一种基于载体自振动航空重力梯度仪运动误差补偿方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、对加速度计组合信号在飞机螺旋桨旋转频率上进行正余弦解调，得到两路信号

和

其中

为加速度计组合信号在飞机螺旋桨旋转频率上的正弦分量，

为加速度计组合信号在飞机螺旋桨旋转频率上的余弦分量；

步骤2、对垂向加速度计输出信号在飞机螺旋桨旋转频率上上进行正余弦解调，得到两路信号

和

其中

为垂向加速度在飞机螺旋桨旋转频率上的正弦分量，

为垂向加速度在飞机螺旋桨旋转频率上的余弦分量；

步骤3、将由从步骤1的加速度计组合信号得到的

和

信号与从步骤2的垂向加速度计输出信号得到的

和

信号进行相除处理，得到两组加速度计敏感轴垂向安装误差实时信号Δβ_s和Δβ_c，将两组信号Δβ_s和Δβ_c求平均得到更加真实的Δβ实时信号；其中Δβ_s是由飞机螺旋桨旋转频率正弦分量求得的加速度计敏感轴垂向安装误差实时信号，Δβ_c是由飞机螺旋桨旋转频率余弦分量求得的加速度计敏感轴垂向安装误差实时信号，Δβ是两个安装误差实时信号的平均值；

步骤4、对垂向加速度计输出信号在二倍频频点上进行正余弦解调，得到两路信号

和

是垂向加速度在旋转二倍频上的正弦分量，

是垂向加速度在旋转二倍频上的余弦分量；

步骤5、将由从垂向加速度计输出信号得到的

和

信号与Δβ信号进行相乘处理，得到重力梯度信号中加速度计敏感轴俯仰角安装误差ΔΓ_uv(a_z)和ΔΓ_xy(a_z)，予以补偿。

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