CN115291289A - 绝对重力值动态测量解算系统和方法及介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种绝对重力值动态测量解算系统，它包括重力测量装置和上位机，其中，重力测量装置包括加速度计和原子重力仪，所述加速度计固定在原子重力仪上，所述重力测量装置用于安装在待测载体上。本发明综合了原子重力仪和加速度计的优点，能够高精度地输出绝对重力值且具有较高的数据率。本发明将加速度计测得的信息与原子重力仪灵敏度函数进行卷积得到参考重力信息，在原子重力仪单次测量周期内，根据布居数反解公式得到多个可能的高精度重力数据，依据该参考重力信息可确定出有效重力数据，有效解决了多值性问题。
Description
技术领域
本发明涉及重力测量技术领域，具体地指一种绝对重力值动态测量解算系统和方法及介质。
背景技术
随着无源导航技术及导航器件性能的提升，为了确保载体在远洋、深海等复杂环境下仍能安全有效的航行，实时获取高分辨率、高精度的重力信息，成为提升导航精度的关键。
动态重力仪目前大多为相对重力仪，测量的是载体所在位置相对于基准点的重力变化。受机械结构影响，相对重力仪存在弹性疲劳与蠕变、机械磨损、零点漂移、长期稳定性不足等缺陷，需要定期参照绝对重力仪测定的重力基准进行校准，不适用于大范围、长航时的重力测量。相比之下，原子重力仪基于物质波干涉原理，利用冷原子团作为下落载体测量重力，本质上不存在机械磨损，且拥有高精度、低漂移、长期稳定等优良性能，为获取长航时、高精度深远海重力信息提供了可能。
然而，常规的原子重力仪测量方式不能满足高精度动态测量的需要。当前，原子重力仪测量方式主要有两种。方法一，通过测定干涉后原子的布居数得到干涉条纹，进而获取测量点重力信息。为了获得精确的重力数据，该方法在每个测量点需要进行多次重复测量，因此数据率极低，而动态环境下，重力值会随着载体位置的转移发生变化，对重力测量的数据率提出了很高的要求，因此不能采取该方法。方法二，不拟合干涉条纹，利用单次测量的布居数确定该时段内的重力信息。该方法从原理上提高了数据率，但反解布居数步骤得到的结果存在多值性问题，不能明确哪一个数据为有效重力数据，所以该方法也不能直接应用于动态测量过程中。
因此，有必要研究一种具有高数据率、高精度特性的海洋绝对重力动态测量方法。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种绝对重力值动态测量解算系统和方法及介质，本发明综合了原子重力仪和加速度计的优点，能够高精度地输出绝对重力值且具有较高的数据率。本发明将加速度计测得的信息与原子重力仪灵敏度函数进行卷积得到参考重力信息，在原子重力仪单次测量周期内，根据布居数反解公式得到多个可能的高精度重力数据，依据该参考重力信息可确定出有效重力数据，有效解决了多值性问题。
为实现此目的，本发明所设计的一种绝对重力值动态测量解算系统，它包括重力测量装置和上位机，其中，重力测量装置包括加速度计和原子重力仪，所述加速度计固定在原子重力仪上，所述重力测量装置用于安装在待测载体上；
重力测量装置中的原子重力仪用于对待测载体进行重力测量，并输出测量周期内的布居数pa；
重力测量装置中的加速度计用于对待测载体进行重力测量，并输出测量周期内的重力加速度值gacc(t)；
上位机用于根据布居数pa得到可能的重力值gn；
上位机用于将重力加速度值gacc(t)与原子重力仪灵敏度函数H(t)进行卷积得到卷积重力值gconv；
上位机用于在可能的重力值gn中选取出与卷积重力值gconv最接近的数据，作为重力精确值gexazt；
上位机用于将卷积重力值gconv减去重力精确值gexazt得到加速度计漂移adrift，并将加速度计漂移adrift补偿到加速度计中；
上位机用于对重力精确值gexazt进行滤波，得到去除振动噪声的重力信息gfilt；
上位机用于对去除振动噪声的重力信息gfilt进行厄特弗斯修正，得到补偿厄特弗斯效应后的重力信息gmeas。
本发明的有益效果：
(1)本方法不改变原子重力仪及加速度计硬件结构，将原有输出参数导入到本发明的解算模块，即可解算出测量结果，方便在测量载体中直接应用，且该方法输出的重力信息既具有较高的数据率，又具有较高的测量精度。
(2)本方法的重力测量数据率较原子重力仪传统测量方法有较大的提升，能够获得具有更高测量分辨率的重力场模型。
(3)本方法的重力测量精度受限于原子重力仪的测量精度，当原子重力仪的测量精度满足要求时，能够实现连续高精度重力测量。
(4)本方法能对加速度计漂移进行实时修正，避免了长期漂移给测量值带来较大的误差，能够更加适应长航时导航的需要。
附图说明
图1为本发明的重力测量装置安装示意图；
图2为本发明的海洋动态绝对重力值解算框图；
图3为本发明的湖试绝对重力值测量误差分布图。
图2中gtrue(t)为待测点真实重力信息，avib(t)为测量过程中的振动噪声。
其中，1—加速度计、2—原子重力仪、3—双轴稳定平台、4—上位机。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
本发明建立在原子重力仪及加速度计能正确测量重力信息的基础上，仪器安装示意图如附图1所示。双轴稳定平台3用于消除船体倾斜的影响，使原子重力仪2和加速度计1只敏感垂线方向的加速度变化。上位机4主要用于进行时序控制、信号采集和算法运行。
如图1所示绝对重力值动态测量解算系统，它包括重力测量装置和上位机4，其中，重力测量装置包括加速度计1和原子重力仪2，所述加速度计1固定在原子重力仪2真空腔的上部(反射镜附近)，所述重力测量装置用于安装在待测载体上；
重力测量装置中的原子重力仪2用于对待测载体进行重力测量，并输出测量周期内的布居数pa；
重力测量装置中的加速度计1用于对待测载体进行重力测量，并输出测量周期内的重力加速度值gacc(t)；
上位机4用于根据布居数pa得到可能的重力值gn；
上位机4用于将重力加速度值gacc(t)与原子重力仪灵敏度函数H(t)进行卷积得到卷积重力值gconv；
上位机4用于在可能的重力值gn中选取出与卷积重力值gconv最接近的数据，作为重力精确值gexazt；
上位机4用于将卷积重力值gconv减去重力精确值gexazt得到加速度计漂移adrift，并将加速度计漂移adrift补偿到加速度计1中；
上位机4用于对重力精确值gexazt进行滤波，得到去除振动噪声的重力信息gfilt；
上位机4用于对去除振动噪声的重力信息gfilt进行厄特弗斯修正，得到补偿厄特弗斯效应后的重力信息gmeas。该补偿厄特弗斯效应后的重力信息gmeas即为绝对重力值。
基于上述测量方法，在原子重力仪单次测量周期内即可获得一个重力数据，极大地提升了数据率。另外，测量过程中可利用原子重力仪测量结果估计加速度计的漂移，并及时进行补偿。
上述技术方案中，它还包括双轴稳定平台3，原子重力仪2固定在双轴稳定平台3上，所述重力测量装置通过双轴稳定平台3安装在待测载体上。
上述技术方案中，所述上位机4用于利用布居数Pa进行三角函数反解得到可能的重力值gn。
上述技术方案中，所述上位机4用于采用IIR滤波器、FIR滤波器或小波降噪对重力精确值gexazt进行滤波。
上述技术方案中，所述上位机4根据布居数pa得到可能的重力值gn的具体公式为：
其中，p0为条纹偏置，c为对比度，假设原子重力仪的相位是随机分布的，可通过测量输出信号的平均值和标准差来连续估计这两项参数，a为拉曼光啁啾率、keff为拉曼光有效波矢、T为拉曼光时间间隔，为试验参数，属于已知量，s＝±1，n为整数，这两个参数，决定了可能的重力值gn包含的数据个数，s和n的具体数值在步骤5中得到重力精确值时确定。
上述技术方案中，上位机4将重力加速度值gacc(t)与原子重力仪灵敏度函数H(t)进行卷积得到卷积重力值gconv的具体公式为：
其中，tπ和T与原子重力仪的测量过程有关，为将测量点的重力信息转化为布居数，需要在原子团下落过程中对原子作用π/2、π、π/2三束拉曼脉冲，使原子团发生分束、反射、合束，其中tπ为π脉冲对应的时刻，T表示拉曼光时间间隔，dt表示对时间进行积分。
上述技术方案中，所述上位机4对重力信息gfilt进行厄特弗斯修正得到gmeas的具体公式为：
其中，V表示测量点载体航速，A表示测量点载体航向，
表示测量点纬度。
一种绝对重力值动态测量解算方法，它包括如下步骤：
步骤1：将加速度计1固定在原子重力仪2真空腔的上部，将原子重力仪2固定在双轴稳定平台3上形成重力测量装置，将重力测量装置安装在待测载体上；
步骤2：将重力测量装置中的原子重力仪2对待测载体进行重力测量，并输出测量周期内的布居数pa；
步骤3：将重力测量装置中的加速度计1对待测载体进行重力测量，并输出测量周期内的重力加速度值gacc(t)；
步骤4：上位机4根据布居数pa得到可能的重力值gn；
步骤5：上位机4将重力加速度值gacc(t)与原子重力仪灵敏度函数H(t)进行卷积得到卷积重力值gconv；
步骤6：上位机4在可能的重力值gn中选取出与卷积重力值gconv最接近的数据，作为重力精确值gexazt；
步骤7：上位机4将卷积重力值gconv减去重力精确值gexazt得到加速度计漂移adrift，并将加速度计漂移adrift补偿到加速度计(1)中；
步骤8：上位机4对重力精确值gexazt进行滤波，得到去除振动噪声的重力信息gfilt；
步骤9：上位机4对去除振动噪声的重力信息gfilt进行厄特弗斯修正，得到补偿厄特弗斯效应后的重力信息gmeas。
附图2所示的解算框图为本发明的核心内容。与通过条纹获得重力值的测量方法不同，直接通过布居数反解能够在一次测量周期就得到一个重力数据，大大缩短了测量所需的时间，因此该方法更适用于动态重力测量。不过，由于三角函数反解过程中存在无法直接确定的变量，因此原子重力仪测量结果存在多值性问题，利用gconv作为参考可以有效解决多值性问题。卷积重力与高精度绝对重力值的差值反映了加速度计的偏移，本发明所涉及的解算方法利用该偏差对加速度计测量结果进行修正，既形成闭环对加速度计进行实时校准，还能满足长航时高精度测量的需求。
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现步骤2～9所述绝对重力值动态测量解算的步骤。
实施实例
以湖上重力测量试验为例，利用本发明给定的测量解算方法测得航行过程中的部分重力数据，与其他器件测得的高精度重力基准作差如附图3所示，相邻的重力数据间的时间间隔为1.2s，测得的重力数据的标准差为2.6193mGal，均方误差为3.2845mGal，信噪比为252.1095dB。
从附图3中还可以看出，处理后的重力信息较原子重力仪测量结果拥有更高的数据率，有助于绘制高分辨率海洋重力场，与加速度计测量结果相比，重力测测量精度显著提升，同时拥有更好的长期稳定性。本发明的方法可有效融合原子重力仪和加速度计的优良性能。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (9)
1.一种绝对重力值动态测量解算系统，其特征在于：它包括重力测量装置和上位机(4)，其中，重力测量装置包括加速度计(1)和原子重力仪(2)，所述加速度计(1)固定在原子重力仪(2)上，所述重力测量装置用于安装在待测载体上；
重力测量装置中的原子重力仪(2)用于对待测载体进行重力测量，并输出测量周期内的布居数pa；
重力测量装置中的加速度计(1)用于对待测载体进行重力测量，并输出测量周期内的重力加速度值gacc(t)；
上位机(4)用于根据布居数pa得到可能的重力值gn；
上位机(4)用于将重力加速度值gacc(t)与原子重力仪灵敏度函数H(t)进行卷积得到卷积重力值gconv；
上位机(4)用于在可能的重力值gn中选取出与卷积重力值gconv最接近的数据，作为重力精确值gexazt；
上位机(4)用于将卷积重力值gconv减去重力精确值gexazt得到加速度计漂移adrift，并将加速度计漂移adrift补偿到加速度计(1)中；
上位机(4)用于对重力精确值gexazt进行滤波，得到去除振动噪声的重力信息gfilt；
上位机(4)用于对去除振动噪声的重力信息gfilt进行厄特弗斯修正，得到补偿厄特弗斯效应后的重力信息gmeas。
2.根据权利要求1所述的绝对重力值动态测量解算系统，其特征在于：它还包括双轴稳定平台(3)，原子重力仪(2)固定在双轴稳定平台(3)上，所述重力测量装置通过双轴稳定平台(3)安装在待测载体上。
3.根据权利要求1所述的绝对重力值动态测量解算系统，其特征在于：所述上位机(4)用于利用布居数Pa进行三角函数反解得到可能的重力值gn。
4.根据权利要求1所述的绝对重力值动态测量解算系统，其特征在于：所述上位机(4)用于采用IIR滤波器、FIR滤波器或小波降噪对重力精确值gexazt进行滤波。
5.根据权利要求1或3所述的绝对重力值动态测量解算系统，其特征在于：所述上位机(4)根据布居数pa得到可能的重力值gn的具体公式为：
其中，p0为条纹偏置，c为对比度，a为拉曼光啁啾率、keff为拉曼光有效波矢、T为拉曼光时间间隔，s＝±1，n为整数。
6.根据权利要求1所述的绝对重力值动态测量解算系统，其特征在于：上位机(4)将重力加速度值gacc(t)与原子重力仪灵敏度函数H(t)进行卷积得到卷积重力值gconv的具体公式为：
其中，tπ为π脉冲对应的时刻，T表示前两束脉冲作用的时间间隔，dt表示对时间进行积分。
7.一种绝对重力值动态测量解算方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：将重力测量装置安装在待测载体上；
步骤2：将重力测量装置中的原子重力仪(2)对待测载体进行重力测量，并输出测量周期内的布居数pa；
步骤3：将重力测量装置中的加速度计(1)对待测载体进行重力测量，并输出测量周期内的重力加速度值gacc(t)；
步骤4：上位机(4)根据布居数pa得到可能的重力值gn；
步骤5：上位机(4)将重力加速度值gacc(t)与原子重力仪灵敏度函数H(t)进行卷积得到卷积重力值gconv；
步骤6：上位机(4)在可能的重力值gn中选取出与卷积重力值gconv最接近的数据，作为重力精确值gexazt；
步骤7：上位机(4)将卷积重力值gconv减去重力精确值gexazt得到加速度计漂移adrift，并将加速度计漂移adrift补偿到加速度计(1)中；
步骤8：上位机(4)对重力精确值gexazt进行滤波，得到去除振动噪声的重力信息gfilt；
步骤9：上位机(4)对去除振动噪声的重力信息gfilt进行厄特弗斯修正，得到补偿厄特弗斯效应后的重力信息gmeas。
8.根据权利要求7所述的绝对重力值动态测量解算方法，其特征在于：所述步骤1中，将加速度计(1)固定在原子重力仪(2)上，将原子重力仪(2)固定在双轴稳定平台(3)上形成重力测量装置。
9.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求7中步骤2～9所述绝对重力值动态测量解算的步骤。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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