CN114415261A - 一种便携式相对重力仪的快速标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种便携式相对重力仪的快速标定方法，调节重力仪中的单轴转位机构旋转至0°，并保持重力仪预热状态；将单轴转位机构旋转至90°，多次调节重力仪相对单轴转位机构转轴所在垂面的倾角，在每个倾斜角度上保持重力仪静止超过预设时间，记录90°时三轴加速度计输出的原始比力数据；将单轴转位机构旋转至‑90°并重复上述操作得到‑90°时三轴加速度计输出的原始比力数据；基于椭球面公式，利用最小二乘法，将±90°时三轴加速度计输出的原始比力数据代入所述椭球面公式进行椭球拟合，求解椭球参数；根据所述椭球参数计算三轴加速度计的补偿矩阵，并根据所述补偿矩阵完成对重力仪的标定。
Description
技术领域
本发明涉及测绘技术领域，具体涉及一种便携式相对重力仪的快速标定方法。
背景技术
综合世界最新军事变革的发展方向可以看出，未来军事作战将依托于多维立体的测绘信息优势来获取强大的战斗力优势。环境重力信息作为多维立体信息源中至关重要的组成部分，是测绘领域的目标物理信息之一，其因能够直接影响战场战术制定以及战术执行效率，已成为作战能力提升的重要因素。便携式相对重力仪作为一种能够直接敏感环境重力信息的测量仪器，通过重力敏感器及相关重力滤波算法，能够抑制载体振动干扰，实现相对重力信息的高精度、高效率逐点静态测量，具有较高的工程实现度和应用价值。
目前，国外便携式相对重力仪进入工程实用阶段，已具有CG-5、CG-6等产品，其测量精度达到微伽级，仪器技术体制基本定型，但相关优化工作一直稳步进行。我国在便携式相对重力仪领域起步较晚，一直处于被动的落后地位。因此，为满足重力测绘需求，需要围绕便携式相对重力仪开展深入研究，这对完善我国环境重力测绘信息体系、提升我军的战斗能力等方面具有重大而深远的意义。
便携式相对重力仪主要以弹簧或加速度计作为核心重力敏感器，而重力敏感器因加工工艺限制存在标度因数误差、安装误差等，将引起重力测量误差。所以，针对重力敏感器实现高精度、高效率标定对便携式相对重力仪具有重要价值。现阶段，传统的便携式相对重力仪标定手段依靠精密三轴转台或离心机等大型设备，不满足外场快速标定需求，降低了设备的可维护性。为此，有必要提出一种新的便携式相对重力仪快速标定技术。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种便携式相对重力仪的快速标定方法，利用重力仪内嵌的小型单轴转位机构，支撑设备达到标定所需的转位；最终，结合传统椭球拟合方法，完成三轴加速度计重力敏感器的快速标定。
该方法包括：调节重力仪中的单轴转位机构旋转至0°，并保持重力仪预热状态；
将单轴转位机构旋转至90°，多次调节重力仪相对单轴转位机构转轴所在垂面的倾角，在每个倾斜角度上保持重力仪静止超过预设时间，记录90°时三轴加速度计输出的原始比力数据；将单轴转位机构旋转至-90°并重复上述操作得到-90°时三轴加速度计输出的原始比力数据；
基于椭球面公式，利用最小二乘法，将±90°时三轴加速度计输出的原始比力数据代入所述椭球面公式进行椭球拟合，求解椭球参数；
根据所述椭球参数计算三轴加速度计的补偿矩阵，并根据所述补偿矩阵完成对重力仪的标定。
进一步的，所述重力仪相对单轴转位机构转轴所在垂面的倾角在调节时需位于-7°至+7°之间，且至少取5个不同的角度位置。
进一步的，所述重力仪相对单轴转位机构转轴所在垂面的倾角的调节方法包括在重力仪基座下方铺设高度不同的垫片或直接将重力仪安装于三轴高精度转台上。
进一步的，所述预设时间不小于2分钟。
进一步的，所述椭球面公式为：
ax2+by2+cz2+2dxy+2exz+2fyz+2px+2qy+2rz+g＝0
式中，a,b,c,d,e,f,p,q,r,g为待求椭球参数，x,y,z为三轴加速度计的输出数据。
进一步的，根据所述补偿矩阵完成对重力仪的标定，包括：
三轴加速度计的数据补偿形式为G0＝K-1(G-g)，其中，G0为待求的真实的三轴加速度计比力数据，G＝[x y z]T为三轴加速度计输出的带误差比力数据，K和g为与待求椭球参数相关的补偿矩阵，取决于椭球参数a,b,c,d,e,f,p,q,r,g；
Gb为外部基准重力信息。
进一步的，所述三轴加速度计包括石英挠性加速度计、微纳光学加速度计。
本发明的有益效果是：1)可在不依赖大型标定设备的条件下，利用外部基准重力信息，在野外完成三轴加速度计重力敏感器的快速标定，提升便携式相对重力仪标定效率。
2)小型内嵌式单轴转位机构为三轴加速度计的翻转提供了便利条件，使设备在与实际测量状态接近的条件下完成标定，提高标定精度。
附图说明
图1为本发明实施例提供的快速标定方法流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
本发明提供一种便携式相对重力仪快速标定技术，该技术利用设备内嵌的小型单轴转位机构，引入适配设备测量状态的专用标定转位方案，再结合传统椭球拟合算法，在无需专用大型设备的基础之上，能够完成三轴加速度计重力敏感器误差的快速标定，最终全方位提高仪器的整体测量精度。该技术可以解决以三轴加速度计为敏感核心的便携式相对重力仪快速标定问题。
单轴转位机构位于重力仪内部，能够使设备内部的加速度计组件绕轴旋转，单轴旋转调制转轴由测角传感器、力矩电机、轴系结构等组成。在重力测量过程中，通过翻转±90°，抵消器件零偏影响。
图1为本发明实施例提供的便携式相对重力仪快速标定方法流程示意图，如图1所示，该方法包括以下步骤：
S1，调节重力仪中的单轴转位机构旋转至0°，并保持重力仪预热状态。
S2，将单轴转位机构旋转至90°，多次调节重力仪相对单轴转位机构转轴所在垂面的倾角，在每个倾斜角度上保持重力仪静止超过预设时间，记录90°时三轴加速度计输出的原始比力数据；将单轴转位机构旋转至-90°并重复上述操作得到-90°时三轴加速度计输出的原始比力数据；
具体的，将单轴转位机构旋转至90°，在设备基座下方铺设高度不同的垫片或直接将设备安装于三轴高精度转台上，调节重力仪相对单轴转位机构转轴所在垂面的倾角，倾角应在-7°至+7°之间，取至少5个角度位置，旋转角度精度无严格要求，每个位置持续时长需超过2分钟，记录三轴加速度计输出的原始比力数据，用于作为运算下述椭球拟合算法的输入数据，实际操作中一般用计算机软件实现数据记录。然后将单轴转位机构旋转至-90°并重复上述操作。
S3，基于椭球面公式，利用最小二乘法，将±90°时三轴加速度计输出的原始比力数据代入所述椭球面公式进行椭球拟合，求解椭球参数。
理想状态下,三轴加速度计是正交的,静止放置时其加速度计测量所得的模值为定值，所以在三轴正交坐标系中可构成一个球体面。但在实际的应用中,由于安装误差和不同传感器性能参数的差异,使得标准的球体面变化为椭球面，椭球面通用公式为：
ax2+by2+cz2+2dxy+2exz+2fyz+2px+2qy+2rz+g＝0
式中，a,b,c,d,e,f,p,q,r,g为待求椭球参数，x,y,z为三轴加速度计的输出数据。
椭球拟合的核心在于求解全部待求椭球参数a,b,c,d,e,f,p,q,r,g，一般采用最小二乘法拟合，并根据待求椭球参数得到针对原始传感器数据的补偿矩阵。
S4，根据所述椭球参数计算三轴加速度计的补偿矩阵，并根据所述补偿矩阵完成对重力仪的标定。
三轴加速度计的数据补偿形式为G0＝K-1(G-g)，其中G0为待求的真实的三轴加速度计比力数据，G＝[x y z]T为三轴加速度计输出的带误差比力数据，K和g为与待求椭球参数相关的补偿矩阵，取决于椭球参数a,b,c,d,e,f,p,q,r,g，具体为：
Gb为外部基准重力信息。
本发明中无需依赖光纤陀螺仪、半球谐振陀螺仪、激光陀螺仪等陀螺设备，仅需三轴加速度计即可完成标定。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种便携式相对重力仪的快速标定方法，其特征在于，包括：
调节重力仪中的单轴转位机构旋转至0°，并保持重力仪预热状态；
将单轴转位机构旋转至90°，多次调节重力仪相对单轴转位机构转轴所在垂面的倾角，在每个倾斜角度上保持重力仪静止超过预设时间，记录90°时三轴加速度计输出的原始比力数据；将单轴转位机构旋转至-90°并重复上述操作得到-90°时三轴加速度计输出的原始比力数据；
基于椭球面公式，利用最小二乘法，将±90°时三轴加速度计输出的原始比力数据代入所述椭球面公式进行椭球拟合，求解椭球参数；
根据所述椭球参数计算三轴加速度计的补偿矩阵，并根据所述补偿矩阵完成对重力仪的标定。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述重力仪相对单轴转位机构转轴所在垂面的倾角在调节时需位于-7°至+7°之间，且至少取5个不同的角度位置。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述重力仪相对单轴转位机构转轴所在垂面的倾角的调节方法包括在重力仪基座下方铺设高度不同的垫片或直接将重力仪安装于三轴高精度转台上。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设时间不小于2分钟。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述椭球面公式为：
ax2+by2+cz2+2dxy+2exz+2fyz+2px+2qy+2rz+g＝0
式中，a,b,c,d,e,f,p,q,r,g为待求椭球参数，x,y,z为三轴加速度计的输出数据。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，根据所述补偿矩阵完成对重力仪的标定，包括：
三轴加速度计的数据补偿形式为G0＝K-1(G-g)，其中，G0为待求的真实的三轴加速度计比力数据，G＝[x y z]T为三轴加速度计输出的带误差比力数据，K和g为与待求椭球参数相关的补偿矩阵，取决于椭球参数a,b,c,d,e,f,p,q,r,g；
Gb为外部基准重力信息。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述三轴加速度计包括石英挠性加速度计、微纳光学加速度计。
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