CN116224468B - 一种陆地重力仪标定方法及标定系数 - Google Patents

一种陆地重力仪标定方法及标定系数 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种陆地重力仪标定方法及标定系统，首先构建虚拟椭球坐标系，生成满足出厂标定参数状态的虚拟椭球数据；然后，利用内嵌单轴转位机构，设置相应转位策略，生成单轴转位调制数据。最终，融合单轴转位调制数据和虚拟椭球数据，构建评价准则，结合粒子群优化技术完成核心重力敏感器误差系数的快速标定。

Description

一种陆地重力仪标定方法及标定系数
技术领域
本发明涉及测绘领域，更具体地，涉及一种陆地重力仪标定方法及标定系统。
背景技术
重力测量技术已发展多年，现已形成针对海洋、航空、卫星、陆地等应用场景的系列化重力仪产品，其中陆地重力仪面向高精度、高分辨率短波重力信息，主要采用驻点静态测量方式。目前，国外陆地重力仪进入工程实用阶段，CG-5、CG-6陆地重力仪产品测量精度达到微伽级，为资源勘探、地震预报、高程基准建立、远程武器打击等领域提供重力信息保障。
陆地重力仪一般采用加速度计或零长弹簧作为核心重力敏感器，基于哥式定理测量重力加速度。但受机械制造、装配工艺瓶颈限制，核心重力敏感器存在安装误差、标度因数误差，导致陆地重力仪测量性能下降问题。针对此问题，目前主要依赖大型高精度标定转台对陆地重力仪进行出厂标定，补偿核心重力敏感器误差。但随着陆地重力仪工作时间的延长，伴随应用环境不断改变，核心重力敏感器误差存在漂移问题，甚至需重新进行返厂标定，降低了设备可维护性，不利于发挥设备作战效能。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的核心重力敏感器误差漂移问题，提供一种陆地重力仪标定方法及标定系统。
根据本发明的第一方面，提供了一种陆地重力仪标定方法，包括：
基于陆地重力仪出厂时的椭球等效参数，构建虚拟椭球模型，且基于所述虚拟椭球模型，生成初始虚拟椭球数据；
根据设置的转位策略，控制内嵌单轴转位机构旋转改变核心重力敏感器三轴加速度计测量方向，获取核心重力敏感器在不同位置的三轴加速度计数据，作为单轴转位调制数据；
根据所述初始虚拟椭球数据和所述单轴转位调制数据，基于粒子群优化方法迭代更新，通过不断调整椭球等效参数，直到其输出满足评价准则，获取最优椭球等效参数。
根据本发明的第二方面，提供一种陆地重力仪标定系统，包括：
生成模块，用于基于陆地重力仪出厂时的椭球等效参数，构建虚拟椭球模型，且基于所述虚拟椭球模型，生成初始虚拟椭球数据；
获取模块，用于根据设置的转位策略，控制内嵌单轴转位机构旋转改变核心重力敏感器三轴加速度计测量方向，获取核心重力敏感器在不同位置的三轴加速度计数据，作为单轴转位调制数据；
迭代更新模块，用于根据所述初始虚拟椭球数据和所述单轴转位调制数据，基于粒子群优化方法迭代更新，通过不断调整椭球等效参数，直到其输出满足评价准则，获取最优椭球等效参数。
根据本发明的第三方面，提供了一种电子设备，包括存储器、处理器，所述处理器用于执行存储器中存储的计算机管理类程序时实现陆地重力仪标定方法的步骤。
根据本发明的第四方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机管理类程序，所述计算机管理类程序被处理器执行时实现陆地重力仪标定方法的步骤。
本发明提供的一种陆地重力仪标定方法及标定系统，首先构建虚拟椭球坐标系，生成满足出厂标定参数状态的虚拟椭球数据；然后，利用内嵌单轴转位机构，设置相应转位策略，生成单轴转位调制数据。最终，融合单轴转位调制数据和虚拟椭球数据，构建评价准则，结合粒子群优化技术完成核心重力敏感器误差系数的快速标定。
附图说明
图1为本发明提供的一种陆地重力仪标定方法流程图；
图2为陆地重力仪标定的整体流程示意图；
图3为本发明提供的一种陆地重力仪标定系统的结构示意图；
图4为本发明提供的一种可能的电子设备的硬件结构示意图；
图5为本发明提供的一种可能的计算机可读存储介质的硬件结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。另外，本发明提供的各个实施例或单个实施例中的技术特征可以相互任意结合，以形成可行的技术方案，这种结合不受步骤先后次序和/或结构组成模式的约束，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时，应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明针对核心重力敏感器误差漂移问题，提出了一种基于内嵌单轴旋转调制机构的陆地重力仪快速标定技术。通过单轴旋转调制机构保证核心重力敏感器进行多位置旋转，完成对核心重力敏感器安装误差、标度因数误差、零偏的激励。同时，基于陆地重力仪出厂标定参数，构建虚拟椭球坐标系，生成满足出厂标定参数状态的虚拟椭球数据。利用内嵌单轴旋转调制机构改变重力仪内部三轴加速度计空间指向，产生实测三轴加速度计数据。融合虚拟椭球数据和实测三轴加速度计数据，迭代更新虚拟椭球坐标系空间指向。在不依赖大型标定转台等重型设备的前提下，无需返厂完成核心重力敏感器误差在系统标定，提升陆地重力仪测量性能。
图1为本发明提供的一种陆地重力仪标定方法流程图，如图1所示，该方法主要包括：
S1，基于陆地重力仪出厂时的椭球等效参数，构建虚拟椭球模型，且基于所述虚拟椭球模型，生成初始虚拟椭球数据。
可以理解的是，本步骤主要是构建虚拟椭球坐标系模型以及生成虚拟椭球数据，具体的，以内嵌于陆地重力仪的核心重力敏感器内的小型单轴转位机构转轴轴向作为X轴，以核心重力敏感器敏感轴作为Z轴，Y轴遵循右手定责，构建虚拟椭球坐标系模型。核心重力敏感器内部三轴加速度计敏感轴与X轴、Y轴、Z轴平行。根据陆地重力仪核心重力敏感器三轴加速度计数据输出规律，对核心重力敏感器三轴加速度计零偏、标度因数误差、安装误差进行联合建模，形成虚拟椭球模型：
；
其中为椭球等效参数，由核心重力敏感器三轴加速度计零偏、标度因数误差、安装误差构成，/>为核心重力敏感器三轴加速度计输出的比力数据。
作为实施例，基于所述虚拟椭球模型，生成初始虚拟椭球数据，包括：采用控制变量方法解方程，在设定取值范围内，设置已知的X、Y，根据所述虚拟椭球模型计算Z；设置已知的X、Z，根据所述虚拟椭球模型计算Y；设置已知的Y、Z，根据所述虚拟椭球模型计算X；获取多组（X，Y，Z），为初始虚拟椭球数据。
可理解的是，基于陆地重力仪出厂椭球等效参数构成的虚拟椭球模型，采用控制变量方法解方程，在[-1,1]范围内，设置已知的X、Y计算Z、设置已知的X、Z计算Y、设置已知的Y、Z计算X。仿真产生核心重力敏感器三轴加速度计输出的多组比力数据，为初始虚拟椭球数据，确保初始虚拟椭球数据满足出厂椭球等效参数构成的虚拟椭球模型等式。另外，在初始虚拟椭球数据上叠加30e-5m/s2量级的随机噪声。
S2，根据设置的转位策略，控制内嵌单轴转位机构旋转改变核心重力敏感器三轴加速度计测量方向，获取核心重力敏感器在不同位置的三轴加速度计数据，作为单轴转位调制数据。
作为实施例，所述根据设置的转位策略，控制内嵌单轴转位机构旋转改变核心重力敏感器三轴加速度计测量方向，获取核心重力敏感器在不同位置的三轴加速度计数据，作为单轴转位调制数据，包括：控制单轴转位机构以固定间隔角度步长正向旋转到多个第一位置，获取单轴转位机构旋转至每个第一位置时核心重力敏感器的三轴加速度计数据；控制单轴转位机构以固定间隔角度步长反向旋转到多个第二位置，获取单轴转位机构旋转至每个第二位置时核心重力敏感器的三轴加速度计数据；其中，所有的三轴加速度计数据为单轴转向调制数据。
可以理解的是，内嵌式单轴转位机构与核心重力敏感器固定连接，内嵌式单轴转位机构转轴可在角度-360~360°旋转，从而改变核心重力敏感器三轴加速度计测量方向。单轴转位机构分别旋转至0°、5°、10°，以此类推直到360°，每个位置持续时长需超过50秒，记录核心重力敏感器三轴加速度计数据。具体为，单轴转位机构持续正向旋转，转速约5°/s，记录核心重力敏感器三轴加速度计数据。单轴转位机构持续反向旋转，转速约5°/s，记录核心重力敏感器三轴加速度计数据。综合单轴转位机构转停、持续旋转过程的核心重力敏感器三轴加速度计数据，产生单轴转位调制数据。
S3，根据所述初始虚拟椭球数据和所述单轴转位调制数据，基于粒子群优化方法迭代更新，通过不断调整椭球等效参数，直到其输出满足评价准则，获取最优椭球等效参数。
作为实施例，根据所述初始虚拟椭球数据和所述单轴转位调制数据，基于粒子群优化方法迭代更新，通过不断调整椭球等效参数，直到其输出满足评价准则，获取最优椭球等效参数，包括：将所述初始虚拟椭球数据作为初始粒子，并在初始粒子上叠加所述单轴转向调制数据，产生第二次迭代更新后的数据；调整椭球等效参数，实现下一次的迭代更新，产生下一次迭代更新后的数据，其中，在上一次迭代更新后的数据上叠加所述单轴转向调制数据，产生下一次迭代更新后的数据；计算每次迭代更新后的评价因子，直到评价因子逐渐减小并趋于稳定，停止迭代，获取当前的椭球等效参数。
可理解的是，本步骤基于粒子群优化理念，迭代更新陆地重力仪核心重力敏感器误差系数。
将初始虚拟椭球数据作为作为初始粒子，并在初始粒子上叠加单轴转位调制数据，产生迭代更新数据。对于每一次迭代更新，改变陆地重力仪的椭球等效参数，并在上一次迭代更新后的数据的基础上，叠加单轴转位调制数据，得到下一次迭代更新后的数据。每次迭代更新后，计算评价因子：
；
其中，Gm为迭代更新数据，G0为外部重力基准信息，Gt为评价因子；n、K取决于虚拟椭球等效参数；/>。
进行粒子群更新、粒子群移动迭代，每次迭代过程中改变椭球等效参数。经多次迭代后，评价因子Gt逐渐减小并趋于稳定，将当前的椭球等效参数作为参数结果。
参见图2，为陆地重力仪标定方法的整体流程图，该标定方法主要包括虚拟椭球坐标系设计、单轴转位调制数据生成、误差系数迭代更新方法设计。虚拟椭球坐标系设计：以小型内嵌式单轴转位机构转轴轴向作为X轴，以核心重力敏感器敏感轴作为Z轴，Y轴遵循右手定责，生成满足出厂标定参数状态的虚拟椭球数据。单轴转位调制数据生成：利用内嵌单轴旋转调制机构转动核心重力敏感器敏感轴方向，设置相应转位策略，生成单轴转位调制数据。误差系数迭代更新方法设计：利用粒子群优化方法，构造包含虚拟椭球数据、单轴转位调制数据在内的评价准则，迭代更新核心重力敏感器误差系数。不依赖转台、离心机等大型标定设备，不限场、在系统快速标定陆地重力仪核心重力敏感器误差。解决陆地重力仪核心重力敏感器误差快速标定问题。
参见图3，为本发明提供的一种陆地重力仪标定系统，该标定系统包括生成模块301、获取模块302和迭代更新模块303，其中：
生成模块301，用于基于陆地重力仪出厂时的椭球等效参数，构建虚拟椭球模型，且基于所述虚拟椭球模型，生成初始虚拟椭球数据；
获取模块302，用于根据设置的转位策略，控制内嵌单轴转位机构旋转改变核心重力敏感器三轴加速度计测量方向，获取核心重力敏感器在不同位置的三轴加速度计数据，作为单轴转位调制数据；
迭代更新模块303，用于根据所述初始虚拟椭球数据和所述单轴转位调制数据，基于粒子群优化方法迭代更新，通过不断调整椭球等效参数，直到其输出满足评价准则，获取最优椭球等效参数。
可以理解的是，本发明提供的一种陆地重力仪标定系统与前述各实施例提供的陆地重力仪标定方法相对应，陆地重力仪标定系统的相关技术特征可参考陆地重力仪标定方法的相关技术特征，在此不再赘述。
请参阅图4，图4为本发明实施例提供的电子设备的实施例示意图。如图4所示，本发明实施例提了一种电子设备400，包括存储器410、处理器420及存储在存储器410上并可在处理器420上运行的计算机程序411，处理器420执行计算机程序411时实现陆地重力仪标定方法的步骤。
请参阅图5，图5为本发明提供的一种计算机可读存储介质的实施例示意图。如图5所示，本实施例提供了一种计算机可读存储介质500，其上存储有计算机程序511，该计算机程序511被处理器执行时实现陆地重力仪标定方法的步骤。
本发明实施例提供的一种陆地重力仪标定方法及标定系统，该技术利用重力仪内嵌的小型单轴转位机构，完成核心重力敏感器的多位置测量；再基于虚拟椭球坐标系，迭代计算核心重力敏感器误差，在无需专用大型设备的基础之上，能够完成陆地重力仪核心重力敏感器误差的快速标定，全方位提高仪器的整体测量精度；该技术不依赖转台、离心机等大型标定设备，不限场、在系统快速标定陆地重力仪核心重力敏感器误差。解决陆地重力仪核心重力敏感器误差快速标定问题，且具有如下优点：
（1）可在不依赖大型标定设备的条件下，在野外完陆地重力仪核心重力敏感器的快速标定，提升陆地重力仪标定效率。
（2）小型内嵌式单轴转位机构为重力敏感器转动提供了便利条件，提高标定精度。
需要说明的是，在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式计算机或者其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种陆地重力仪标定方法，其特征在于，包括：
基于陆地重力仪出厂时的椭球等效参数，构建虚拟椭球模型，且基于所述虚拟椭球模型，生成初始虚拟椭球数据；
根据设置的转位策略，控制内嵌单轴转位机构旋转改变核心重力敏感器三轴加速度计测量方向，获取核心重力敏感器在不同位置的三轴加速度计数据，作为单轴转位调制数据；
根据所述初始虚拟椭球数据和所述单轴转位调制数据，基于粒子群优化方法迭代更新，通过不断调整椭球等效参数，直到其输出满足评价准则，获取最优椭球等效参数；
所述根据设置的转位策略，控制内嵌单轴转位机构旋转改变核心重力敏感器三轴加速度计测量方向，获取核心重力敏感器在不同位置的三轴加速度计数据，作为单轴转位调制数据，包括：
控制单轴转位机构以固定间隔角度步长正向旋转到多个第一位置，获取单轴转位机构旋转至每个第一位置时核心重力敏感器的三轴加速度计数据；
控制单轴转位机构以固定间隔角度步长反向旋转到多个第二位置，获取单轴转位机构旋转至每个第二位置时核心重力敏感器的三轴加速度计数据；
其中，所有的三轴加速度计数据为单轴转向调制数据。
2.根据权利要求1所述的陆地重力仪标定方法，其特征在于，所述基于陆地重力仪出厂时的椭球等效参数，构建虚拟椭球模型，包括：
构建虚拟椭球坐标系模型，根据陆地重力仪核心重力敏感器三轴加速度计数据输出规律，对核心重力敏感器三轴加速度计零偏、标度因数误差、安装误差进行联合建模，形成虚拟椭球模型：
；
其中为椭球等效参数，由核心重力敏感器三轴加速度计零偏、标度因数误差、安装误差构成，/>为核心重力敏感器三轴加速度计输出的比力数据。
3.根据权利要求2所述的陆地重力仪标定方法，其特征在于，所述构建虚拟椭球坐标系模型，包括：
以小型内嵌式单轴转位机构转轴轴向作为X轴，以核心重力敏感器敏感轴作为Z轴，Y轴遵循右手定责，构建虚拟椭球坐标系模型，核心重力敏感器内部三轴加速度计敏感轴与X轴、Y轴、Z轴平行。
4.根据权利要求1所述的陆地重力仪标定方法，其特征在于，基于所述虚拟椭球模型，生成初始虚拟椭球数据，包括：
采用控制变量方法解方程，在设定取值范围内，设置已知的X、Y，根据所述虚拟椭球模型计算Z；设置已知的X、Z，根据所述虚拟椭球模型计算Y；设置已知的Y、Z，根据所述虚拟椭球模型计算X；
获取多组（X，Y，Z），为初始虚拟椭球数据。
5.根据权利要求1所述的陆地重力仪标定方法，其特征在于，所述固定间隔角度步长为5°，当单轴转位机构转位到每一个位置时，在每一个位置持续时长需超过设定时长。
6.根据权利要求1所述的陆地重力仪标定方法，其特征在于，所述根据所述初始虚拟椭球数据和所述单轴转位调制数据，基于粒子群优化方法迭代更新，通过不断调整椭球等效参数，直到其输出满足评价准则，获取最优椭球等效参数，包括：
将所述初始虚拟椭球数据作为初始粒子，并在初始粒子上叠加所述单轴转向调制数据，产生第二次迭代更新后的数据；
调整椭球等效参数，实现下一次的迭代更新，产生下一次迭代更新后的数据，其中，在上一次迭代更新后的数据上叠加所述单轴转向调制数据，产生下一次迭代更新后的数据；
计算每次迭代更新后的评价因子，直到评价因子逐渐减小并趋于稳定，停止迭代，获取当前的椭球等效参数。
7.根据权利要求6所述的陆地重力仪标定方法，其特征在于，所述评价因子的表达式为：
；
其中，Gm为迭代更新后的数据；G0为外部重力基准信息；Gt为评价因子；n、K取决于椭球等效参数，；/>，为椭球等效参数。
8.一种陆地重力仪标定系统，其特征在于，包括：
生成模块，用于基于陆地重力仪出厂时的椭球等效参数，构建虚拟椭球模型，且基于所述虚拟椭球模型，生成初始虚拟椭球数据；
获取模块，用于根据设置的转位策略，控制内嵌单轴转位机构旋转改变核心重力敏感器三轴加速度计测量方向，获取核心重力敏感器在不同位置的三轴加速度计数据，作为单轴转位调制数据；
迭代更新模块，用于根据所述初始虚拟椭球数据和所述单轴转位调制数据，基于粒子群优化方法迭代更新，通过不断调整椭球等效参数，直到其输出满足评价准则，获取最优椭球等效参数；
所述根据设置的转位策略，控制内嵌单轴转位机构旋转改变核心重力敏感器三轴加速度计测量方向，获取核心重力敏感器在不同位置的三轴加速度计数据，作为单轴转位调制数据，包括：
控制单轴转位机构以固定间隔角度步长正向旋转到多个第一位置，获取单轴转位机构旋转至每个第一位置时核心重力敏感器的三轴加速度计数据；
控制单轴转位机构以固定间隔角度步长反向旋转到多个第二位置，获取单轴转位机构旋转至每个第二位置时核心重力敏感器的三轴加速度计数据；
其中，所有的三轴加速度计数据为单轴转向调制数据。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有计算机管理类程序，所述计算机管理类程序被处理器执行时实现如权利要求1-7任一项所述的陆地重力仪标定方法的步骤。
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