NO310896B1 - Innretning og fremgangsmåte for gravitasjonsmåling omfattende en akselerasjonsföler og en satellitt-navigasjonsmottager - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører en innretning og en fremgangsmåte for gravitasjonsmåling som angitt i innledningene til de uselvstendige patentkrav, henholdsvis 6.

Den såkalte gravimetri eller tyngdekraftmåling tilhører et spesielt måleteknikk-område som er av betydning for bestemmelse av jordens tyngdekraft-felt, og er dermed av betydning for land- og jordmåling, geologi/geofysikk med eksplorasjon, satelittbane-bestemmelse, høynøyaktig navigasjon særlig med treghetsnavigasjonsapparater etc.

Apparater for tyngdekraftmåling bygget tidligere på pendelmåleprinsippet, i dag enten på prinsippet med nøyaktig måling av en kast/fallbane (en strekning på få desimeter i et vakuum-kammer) eller på fjærvekt-prinsippet (konstant masse, kraftbestemmelse). De lar seg også tilordne den mer generelle gruppe av akselerasjonsmålere, slik at omvendt gravimeterne kan sees på som spesielt for tyngdekraftmålinger egnede akselerasjonsmålere. Gravimetre skiller seg generelt fra akselerasjonsmålere som følge av den vesentlig større egenperiode. Det overveiende antall akselerasjonsmålere henholdsvis gravimetre baserer seg på prinsippet med fjærvekt med konstant masse, idet ofte (og også ved den her anvendte akselerasjonsmåler) massen holdes i en null-stilling også når akselerasjonen endrer seg, ved hjelp av et tilbakekoblingssystem med (eksempelvis kapasitiv) måling og (eksempelvis induktiv) tilbakestillingskraft. Den hertil nødvendige strøm vil da være et mål for akselerasjonen.

Den gjeldende teknikkens stand finner man særlig i Torge W. Gravimetry, De Gruyter Forlag New York, 1989, samt i en konferanse-publikasjon Colombo, 0. (ed ): From Mars to Greenland; Charting Gravity with Space and Airborne Instruments, Symposium nr. 110, Springer Forlag New York etc. 1991.

Noen benyttede begreper skal forklares nærmere:

Nøyaktighet/oppløsing: Begrepet nøyaktighet begrenses til beskrivelsen av instrumentell ytelsesevne med hensyn til en midlere feil ved en vanlig modellering. For beskrivelsen av kvaliteten til en funnet løsning for det søkte jord-gravitasjonsfelt er nøyaktighetsbegrepet farlig. En kvantitativ beskrivelse av jordens gravitasjonsfelt vil alltid være et resultat av mange enkeltmålinger og en etterordnet vurdering, som på en eller annen måte gir en flatefunksjon. Karakteriseringen av denne flatefunksjon med en nøyaktighetsangivelse vil ikke ta hensyn til hvilken flate denne angivelse vedrører. Da det for middelverdien til et større område vanligvis står til rådighet flere verdier, vil dette for en gitt oppgave nominelt gi en bedre nøyaktighetsangivelse - det vil si en mindre midlere feil - noe som motsies av den plausible betraktning. Derfor er begrepet oppløsning bedre egnet. Selv om det ikke foreligger noen skarp definisjon, kan man forestille seg omtrent som følger: Flatefunksjonen kan tilnærmes ved hjelp av eksempelvis en todimensjonalt trigonometrisk rekke, det vil si ved hjelp av en rekke bølger med avtrappet bølgelengde, i begge retninger. Bølgen med den korteste bølgelengde, hvis amplitude fremdeles er signifikant forskjellig fra 0, tilsvarer oppløsningen. Denne tolkning er imidlertid heller ikke helt skarp, da man eksempelvis kan spørre etter signifikans-nivået og etter av-trappingen av den antatte bølgelengde. For vårt formål er imidlertid en slik dypere diskusjon ikke nødvendig.

Gravitasjon: I forbindelse med gravimetri på jorden er det for det meste tale om jordens tyngdefelt. Nedenfor foretrekkes begrepet gravitasjon, da det i overveiende grad virkelig først og fremst dreier seg om gravitasjon. Med "gravitasjon" menes her den spesifikke kraft med dimensjonen m/s<2>, som i dimensjon tilsvarer en akselerasjon. Det skal imidlertid minnes om at den såkalte jord-tyngdekraft setter setter seg sammen av gravitasjon og sentrifugal-akselerasjon som følge av jordrotasjonen. Sistnevnte utgjør maksimalt 5 promille av gravitasjonen.

Inertialrom: Hver bevegelsesendring av en masse vil som følge av tregheten kreve en kraft henholdsvis energi, selv når man tenker seg de nærliggende graviterende masser fjernet. Et (i nærområdet som punkt tenkt) rom med et referansesystem, relatert hvilket man kan observere en slik bevegelsesendring, er inertialrommet.

Romstilling: For den geometriske innordning av et ikke-punktformet legeme i et referanse-system er det i tillegg til kjennskap om posisjonen også nødvendig å kjenne legemets egne innretting. Denne kan også betegnes som orientering. Den beskrives ved hjelp av vinkelen relativt aksene i en referanseramme.

En prinsippiell vanskelighet ved gravimetri ut fra bevegede bærere er det faktum at akselerasjonsmåleren ut i fra ekvivalensprinsippet angir summen av gravitativ akselerasjon g og kinematisk aksellerasjon b som en måleverdi a = b+g. Er man bare interessert i den gravitative akselerasjon g, så må man eliminere den kinematiske akselerasjon b (fra bærerens bevegelse). I den klassiske gjennomføring benytter man seg av to metoder som kompletterer hverandre: 1. Gravimeteret isoleres relativt bærerens rotasjonsbevegelser ved hjelp av en gyrostabilisert plattform, slik at følerens inngangsakse holdes vertikal. 2. Translasjonsbevegelsene, særlig de vertikale, holdes så små som mulig, eksempelvis ved å anvende store fly og skip og/eller treffe spesielle tiltak i forbindelse med stabilisering henholdsvis styring. De resterende kinematiske vertikal-akselerasjoner b filtreres ut med lange midlingstider for måleverdien a, slik at g blir igjen. Delvis blir b også registrert ved hjelp av posisjonsobservasjoner eller barometer-observasjoner; dette gjelder imidlertid bare for vertikalkomponentene og uten hensyntagen til flyets romstilling og dets endringer.

Da gravitasjonen i utgangspunktet er en vektorstørrelse, vil en bestemmelse i tre komponenter være interessant. Vektor-gravimetri er imidlertid ennå ikke realisert, man begrenser seg hittil til den vertikale komponent.

Den konvensjonelle fly-/skipsgravimetri har flere ulemper. Således er den relativt komplisert som følge av de girostabiliserte plattformer, de større farkoster og det store styreoppbud.

De anvendte gravimetre egner seg bare for bestemmelse av vertikal-komponentene, og en vektor-gravimetri er umulig. Når overhodet horisontal-komponenten til bærerens aksellerasjon måles, så skjer dette bare for korreksjon av vertikal-komponenten med C-Cross-Coupling-effekten. Den lange egenperioden til de anvendte gravimetre muliggjør ingen fasenøyaktig kombinasjon med andre måleverdier med en avfølingshastighet på 1 Hertz eller raskere.

De kinematiske aksellerasjoner b blir enten ikke registrert og i så tilfelle eliminert rent tilfeldig i et lavpass-filter, slik at det filtrede signal a kan settes lik gravitasjonen g. Registreres de kinematiske aksellerasjoner, eksempelvis ved en bestemmelse av endringer i den vertikale posisjon ved hjelp av satelitt-navigasjon eller barometer, så gjelder dette bare den vertikale komponent, og også denne blir vanligvis lavpass-ifltrert.

Mulighetene for posisjonering under utnyttelse av satelitt-navigasjon (fortrinnsvis GPS-systemet, "Global Positioning System") for gravimetrien har hittil bare vært benyttet for posisjoneringen eller for vertikal-akselerasjonen. Man har ikke benyttet muligheten også å bestemme bærerens romstilling henholdsvis dens endring, som leverer et bidrag til den kinematiske akselerasjon.

På denne måten har på forhånd en høyere frekvent (1 Hz eller raskere) bestemmelse av signaler fra gravitasjonsfeltet vært umuliggjort og den oppnådde oppløsning eksempelvis i flygravimetrien har vært begrenset til ca. 10 km eller mer, noe som har hindret den i og for seg ønskelig bredere anvendelse.

Også den hittil nødvendige anvendelse av større farkoster har begrenset operasjonen til lave flyvehøyder henholdsvis til grunne farvann, og dette har på sin side begrenset opp-dagelsen av finere strukturer av gravitasjonsfeltet.

Likeledes har man hittil ikke benyttet muligheten til å bringe inn kunnskap om den stokastiske oppførsel til jordens gravitasjonsfelt ved filtrering av måleverdiene. Hensikten med foreliggende oppfinnelse er derfor å tilveiebringe en innretning henholdsvis en fremgangsmåte som nevnt innledningsvis, hvorved det muliggjøres en større oppløsning, altså en oppdagelse av mindre strukturer i jordens gravitasjonsfelt, særlig fra et fly eller et skip. Dessuten skal anvendelsen av enklere apparat-komponenter mulig-gjøres. En bestemmelse av samtlige tre komponenter i jordens gravitasjonsfelt ved hjelp av vektorgravimetri skal muliggjøres med tilstrekkelig nøyaktighet.

Ifølge oppfinnelsen oppnås dette med de trekk som er angitt i patentkrav 1 henholdsvis 6.

Oppfinnelsen reduserer de nødvendige konstruktive tiltak og dermed også målings-omkostningene og øker den romlige oppløsning og dermed yteevnen i betydelig grad.

Oppfinnelsen bygger på den erkjennelse at man ved hjelp av satelitt-navigasjon også kan bestemme romstillingen til den med gravitasjonsføleren forsynte bærer. Endringen til

posisjon og romstilling over tid, som ved hjelp av satelitt-navigasjonen kan transformeres direkte til inertialrommet, muliggjør, som forklart nærmere nedenfor, beregningen av den kinematiske akselerasjon b under hensyntagen til andelen fra bærerens rotasjon og mulig-gjør derved en reduksjon av akselerasjonsmålesignalet a ifølge ligningen g=a-b, altså en beregning av gravitasjonen. Bidraget til b fra bærerens rotasjon vil blant annet være avhengig av akselerasjonsmålerens anordning på bæreren, og vil vanligvis være så stort at man ikke kan se bort fra det. Dette bekrefter nødvendigheten av en bestemmelse av romstillingen.

I samsvar med de i dag oppnådde instrumentelle nøyaktigheter kan b beregnes med satelittnavigasjon til omtrent 1(H<>>av jordens gravitasjon og kan dermed beregnes med omtrent samme nøyaktighet som a og nøyaktighetsmålet for g fra fly/skipsgravimetrien. Disse tallangivelser refererer seg til sekund-gjennomsnittsverdier.

Den ifølge oppfinnelsen foreslåtte konsekvente utnyttelse av satelitt-navigasjon muliggjør ikke bare en bestemmelse av den kinematiske akselerasjon b i en retning, men muliggjør en bestemmelse som full vektor b (nedenfor vil en understreking, eksempelvis b, ekspli-sitt vise til vektor-egenskapen).

En fordel med satellitt-navigasjon er den korte faseforsinkelse mellom signalinngang (posisjonsendring) og signalutgang (posisjonsangivelse) og justerbarheten. Denne egenskap blir her, for beregning av høyfrekvente akselerasjoner, enda mer konsekvent benyttet enn eksempelvis ved posisjonering og romstillingsbestemmelse for aerofoto-grametrien. Dette muliggjør den faseriktige kombinasjon av b med andre observasjoner.

Oppfinnelsen muliggjør anvendelsen av høyverdige handelstilgjengelige akselerasjonsmålere isteden for spesialiserte gravimetre. En fordel er den lave pris.

Disse aksellerasjonsmålere kan i motsetning til spesialiserte gravimetre innbygges i enhver stilling, kan altså monteres fast på bæreren - riktignok med mellomliggende dempe-elementer. Derved spares omkostningene for en gyrostabilisert plattform.

Vibrasjoner i bæreren - eksempelvis fra motoren - vil vanligvis via den såkalte rektifika-sjon føre til en konstant feilanvisning i en aksellerasjonsmåler. Som følge av den konstante geometri mellom vibrasjonskilden og akselerasjonsmåleren vil man, til forskjell fra hva som er tilfellet ved bruk av en gyrostabilisert plattform, unngå feil som skyldes endring i en innbyrdes stilling.

En ytterligere fordel relativt de spesielle gravimetre er den kortere egenperiode, altså en kortere faseforsinkelse mellom signalinngang (akselerasjon) og -utgang (elektrisk signal) i det interessante frekvensbånd. Dette muliggjør den fase-riktige kombinasjon av a med andre observasjoner.

Derved muliggjøres, med en på bæreren fast montert ('strap down') akselerasjonsmålertrippel, som leverer den målte aksellerasjonsvektor a , beregningen av gravitasjonsvektoren g i samsvar med g = a - b, altså vektorgravimetrien.

Kombinasjonene av de to nevnte signaler a og b med bibehold av faseforholdet krever et samtidig trigger-signal for utlesing av begge verdier. Derfor benyttes det ved de fleste profesjonelle GPS-mottakere tilgjengelige 1 pps (1 puls pr. sekund) - signal, hvilket signal styres av atomurene ombord i satelittene og derfor har den høyeste presisjon. Dette gir mulighet for en kombinasjon ved en høy målefrekvens (større eller lik 1 Hz) og realisering av den nevnte ligning g = a - b (skalart eller vektorielt) for hver enkelt måling. Den høye målefrekvens muliggjør i den bevegede bærer en høy romlig oppløsning av tyngdekratf-feltet. Eksempelvis vil det ved en målefrekvens på 1 Hz i en liten propell-maskin skje en måling for hver ca. 50 m flyvestrekning. Dette er en bedre utgangsbasis for en høy romlig oppløsning enn i den konvensjonelle flygravimetri, uten hensyn til den i alle tilfeller nødvendige filtrering.

En videre utføring av oppfinnelsen benytter satelitt-navigasjonssystemets nøyaktige tid for styring av den etter aksellerasjonsmåleren koblede utlese-elektronikk. Realiserings-nøyaktigheten til integrasjonsintervallet må derfor tilsvare den for signalet a ønskede nøyaktighet. Denne vil på sin side orientere seg etter den ønskede sluttnøyaktighet på

10*<6>(eller bedre) av jordens gravitasjon. Ved eksempelvis en målefrekvens på 1 Hz må således porttiden til den anvendte teller styres nøyaktig mot 10" 6 s (eller bedre). Istedenfor en ellers også mulig løsning med et tilsvarende høyverdig ur, blir her det foran nevnte lpps-tidssignal fra satelittnavigasjonssystemet benyttet, slik at totaloppbudet reduseres ytterligere.

Innenfor rammen av oppfinnelsen benyttes det en avansert nummerisk filtermetode. Denne beror på den erkjennelse at kjerneproblemet i gravimetri ut fra bevegede bærere, nemlig skillingen av kinematiske aksellerasjoner og gravitative aksellerasjoner fra målinger med en aksellerasjonsmåler, også kan baseres på det faktum at gravitasjonsfeltet kan betraktes som en stokastisk prosess (altså en tilfeldighetsprosess) hvor visse para-metre er kjent. Forenklet sagt vet man av erfaring hvor sterkt tyndgekraft-feltet i snitt endrer seg over bestemte avstander. Når man kjenner strekningen til, henholdsvis hastigheten til målefarkosten kan denne stedsfunksjon (mer nøyaktig: avstandsfunksjon) overføres til en tidsfunksjon. Endringene av den gravitative signalandel over tid sammen-lignes lavfrekvent med bærerens (eksempelvis fly/skip) bevegelser. Vanligvis utvikler man i denne forbindelse et lavpassfilter for målesignaler a, for således å kunne beregne g som lavfrekvent andel. De hittil for denne oppgave anvendte numeriske filtre benytter vilkårlige filtermetoder, som det forefinnes programvare for. Koeffisientene tilpasses heuristisk, for å oppnå et optimalt resultat, det vil si at den kjente informasjon om gravitasjonsfeltets stokastiske oppførsel blir ikke benyttet. Innenfor rammen av foreliggende oppfinnelse blir ved hjelp av tilsvarende programmer den såkalte dynamiske matrise Fn til et formfilter innenfor et Kalman-filter utformet slik at den stokastiske oppførsel til gravitasjonens g tilstandsparameter tilsvarer den stokastiske oppførselen til det virkelige gravitasjonsfelt. Bidraget til totaloppifnnelsen består i at man på grunnlag av den kjente Kalman-ifltrering og form-filtrering har utviklet en fremgangsmåte for nummerisk approksimering av den dynamiske matrise Fn ut i fra kjennskapet til gravitasjonsfeltets numerisk gitte ko-variant (se P.S. Maybeck: Stochastic Models, Estimation and Control, vol. 1 og 2, Academic Press, Inc., Boston, etc. 1979/72, særlig vol. 1, side 8, 180 ff, 186 ff, 316, 321, 345; vol. 2 side 54) (H.K. Neumayer: Modellierung stochastic korrelierter Signalanteile in geodåtischen Beobachtungen, angewendet insbesondere auf die Bestimmung des Schwerefeldes aus der Kombination von kinematischen und dynamischen Messungen; Dr. Dissertation TU Miinchen, 1995). Det på dette grunnlaget utførte lavpassfilter grunner seg altså fysikalisk på gravitasjonsfeltets stukastiske oppførsel og har derfor større ytelsesevne enn et "fysikalisk blindt" lavpassfilter.

På tegningene viser

fig. 1 et skjematisk filterdiagram av innretningen ifølge oppfinnelsen,

fig. 2 viser et vektordiagram for belysning av de grunnleggende fysikalske prinsipper, fig. 3 viser et blokkskjema for innretningen, og

fig. 4 viser grafer med målresultalter tatt med innretningen.

Rollen til Fn i den totale filtermodell forklares med det i fig. 1 viste filterdiagram, hvor formfilteret er vist i den venstre del som et undersystem i totalsystemet og de variable er som følger: wn= hvit støy som aktivering for formfilteret, Fn = formfilterets dynamiske matrise, n = formfilterets utgang, F = den dynamiske matrise for de øvrige (determin-istiske) tilstandsstørrelser, w = hvit støy som aktivering for hovedsystemet, x = tilstandsstørrelser, H = observasjonsmatrise, v = residuer, z = observasjoner.

Grunnlaget for den matematisk-fysikalske modell kan forklares på basis av den følgende formel og fig. 2:

rim=Ri8( rgl+ KRlb( rba+ Rb" ram))

hvor r er respektive vektorer og R er rotasjonsmatriser.

I denne formel beskrives posisjonen til en prøvemasse m i en akselerasjonsmåler i inertialrommet med posisjonen med hensyn på akselerasjonsmåleren selv, og en transformeirngsfølge.

Vektorene rv er forklart i skissen i fig. 2, Rj J er rotasjonsmatriser mellom referanse-rammene. I denne forbindelse er de med "am" og "ba" henholdsvis "ab" indiserte størrelser gitt av akselerasjonsmålerens apparatkonstanter og av systemet til GPS-antennene, som kan bestemmes ved konvensjonell måling. De med "lb", "lg" henholdsvis "gl" indiserte størrelser utledes av GPS-posisjons- og -romstillingsobservasjonene. Den andre avledningen av rmover tid gir akselerasjonen i inertialrommet, som ovenfor allerede er betegnet som b. Subtraherer man den således beregnede kinematiske b fra den målte akselerasjon a, så står man igjen med den søkte gravitativet g. Denne størrelse er sterkt forstyrret som følge av ulike feilinnflytelser. Den numeriske filtrering er beskrevet ovenfor.

Konsepsjonelt er den beskrevne løsning særlig egnet for vektorgravimetri, og i utførelseseksempelet er det benyttet en akselerasjonsmåler. Antall akselerasjonsmålere som kan benyttes er imidlertid ikke fastlagt. Det som er sagt gjelder like godt for en som for flere målere.

En for gravimetrien ut fra bevegede bærere interessant nøyaktighet er omtrent lO^gQ, hvor go betyr jordens totale gravitasjon. De kinematiske akselerasjoner er likeledes av størrelsesordenen til grj. Konstruksjonen rettes inn etter disse størrelser henholdsvis denne nøyaktighet.

For den her beskrevne nye metode behøver man istedenfor et kostbart fly/skips-gravimeter (noen 100.000 DM) bare en relativt billig (ca. 10.000 DM) akselerasjonsmåler med tilstrekkelig oppløsning, en intelligent elektronikk for signalbearbeidelse og en spesiell GPS-mottager, som ikke bare som de vanlige geometriske GPS-mottagere muliggjør en bestemmelse av posisjonen (relativ med mm/cm-nøyaktighet), men også muliggjør en bestemmelse av bærerens romstilling (med noen 0,01°). Hertil kommer det foran beskrevne numeriske filter.

Med hensyn til samvirket mellom byggekomponentene og signalstrømmen består konfigurasjonen av de i fig. 3 viste komponenter: 1 betegner en eller flere høyømfintlige akselerasjonsmålere. Utgangen er en strøm I som er proporsjonal med akselerasjonen (i en definert retning). Den råe akselerasjonsmåler 1 ble montert i den runde boringen i en terning av støpestål. Denne ble varmeisolert utad. Terningen ble montert på en plate med libelle og med tre fotskruer, som på sin side ble montert på en andre plate, forbundet med bæreren (fly/skip) ved hjelp av dempe-elementer. Monteringen var rettet mot følgende mål: Akselerasjonsmåleren som sylinder med tre flenser og totaldimensjoner på ca. 3 cm ble med monteringen i terningen entydig orientert, slik at den i forbindelse med eksempelvis akselerasjonsnavigasjonsantennene kan innmåles med hensyn på retning og posisjon. Støpestålet (helst austernittisk stål) sørger med kombinasjonen av varmekapasitet, varmeledning og lav varmeutvidelses-koeffisient i forbindelse med den omgivende isolering for at brå ytre temperaturendringer bare gir små og langsomme temperaturendringer i selve akselerasjonsmåleren 1. Disse små og langsomme temperaturendringer måles internt og utnyttes for korreksjoner. Denne anordning overflødiggjør en aktiv termostatisering. Stålterningens masse i forbindelse med de mekaniske dempeelementer gir en demping av høyfrekvente vibrasjoner i flyet. Fotskruene i forbindelse med libellene muliggjør en loddrett stilling av akselerasjonsmåleren.

Den varierende strøm I blir i en strøm-spenningsomformer 2 omformet til en varierende spenning U.

Spenningen U styrer en frekvens F i en VCO (voltage controlled oscillator) = spennings-frekvens-ornformer) 3. Komponentene 2,3 er i tilpassing til strømmen I fra akselerasjonsmåleren 1 utlagt slik at det ved akselerasjonen gø oppstår en frekvens på ca. 2 MHz.

GPS-mottageren 4 vil hvert sekund gi flyets posisjon (3D, relativt i mm), hastighet og romstillingsvinkel, altså rullevinkel, hodevinkel og retning, i et globalt system. Dessuten kan det benyttes en sekundimpuls. Da GPS-mottagerens interne ur styres av atomurene i GPS-satelittene, vil tidsimpulsen ("lpps") være bedre enn 1 x 10~6 Istedenfor en mottager i GPS-systemet kan det benyttes en lignende utformet mottager i et annet satelittposisjoneringssystem, eksempelvis i GLONASS. GPS er for tiden det mest utbredte system.

Tellerelektronikken 5 har følgende karakteristika: Den teller i sekundtakt de ca. 10^ svinginger F fra VCO 3. Med lpps-signalet fra GPS-mottageren 4 sikres at akselerasjonsverdiene fra akselerasjonsmåleren og fra GPS-mottageren 4 er strengt simultane. Dessuten sikrer den høye nøyaktighet for 1 pps på mer enn 1 x 1(H<>>som følge av nøyaktig realisering av teller-porttiden, at antall svingninger kan telles fullstendig korrekt. Tellerelektronikken 5 sørger videre for oppberedningen av lpps-impulsen. To enkelttellere i tellerelektronikken teller vekselvis og uten dødtid. I den teller som i øyeblikket ikke teller blir den digitale verdi ført videre til en registrerende PC 6 med 21 bit-ordlengde.

Utførelseseksempel

Den foran nevnte konfigurasjon ble, som angitt i teksten, realisert med følgende apprater/byggekomponenter:

Akselerasjonsmåler 1 fra firma Sundstrand, QA 3000-20

Strøm-spenningsomformer 2 som standardkomponent med lav drift og lav temperatur-innflytelse

Spenningsstyrt oscillator 3 som standardkomponent med lav drift og lav temperatur-ømfintlighet

GPS-mottager 4 Ashtech3DF fra firma Ashtech

Tellerelektronikk 5

PC6: Notebook

I forbindelse med utførelseseksempelet forutsettes at et GPS-system benyttes. Man kan imidlertid også benytte et annet egnet satelittnavigasjonssystem, for tiden eksempelvis også GLONASS.

Fig. 4 viser grafisk foreløpige resultater fra en testflyvning over en del av de bayerske alper med det nevnte utstyr i et en-motors propellfly av typen Cessna 206. GPS-antennene var montert på flyets overside. Det meget lite og kompakte apparatutstyr var anordnet inne i maskinen, og akselerasjonsmåleren var fast forbundet med flyet via seteskinnene. De digitale sekund-gjennomsnittsverdier fra akselerasjonsmåleren ble lagret i en Notebook, og de simultant gjennomførte GPS-observasjoner ble lagret i selve mottageren. Synkroniseringen skjedde ved hjelp av lpps-signalet. Som normalt ved geodetiske GPS-observasjoner ble det benyttet en referansemottager på flyplassen, da bare de differensielle observasjoner sikrer en tilstrekkelig nøyaktighet. Dataene ble

behandlet, dvs. den foran angitte ligning ble benyttet. Den andre tidsavledning ble dannet for utledning av de inertiale akselerasjoner. Disse ble subtrahert fra akselerasjonsfølerens målinger, og resultatet ble filtrert i samsvar med den foran beskrevne filtermodell. Dette resultat for gravitasjonens vertikale komponent er angitt i den øvre del av fig. 4. Det skal nevnes at profilen var ca. 38 km lang og at det ble fløyet tilbake i en parallellprofil som var ca. 5 km forskjøvet. Man vil se det numeriske filters stabiliseringsfase ved begynnelsen (til venstre oventil) henholdsvis etter snuingen for tilbakeflyvingen (høyre). I

figurens nedre del ser man de respektive langs flystrekningen ut fra topografiske data beregnede gravitasjonsverdier. Den vertikale utstrekning av en delfigur tilsvarer ca. 80 mGal = 80 x 10~<5>ms"<2>. Da topografien bare erklærer en del av gravitasjonsfeltets variasjon, er en gyldig feilvurdering ikke mulig på denne måte alene. Man oppnår imidlertid allerede en nøyaktighet på ca. 10 mGal med meget høy oppløsning. Det anses som meget sannsynlig at det med flymålinger kan oppnås en nøyaktighet på 1 mGal med en romlig oppløsning på 1 3 km. Med bibehold av konsepsjonen vil ytterligere detaljforbedringer kunne muliggjøre en øking til 0,5 0,1 mGal.

Claims (12)

1. Innretning for gravitasjonsmåling, bestående av en på en bærer anordnet akselerasjonsføler (1), en satelittnavigasjonsmottager (4) og en regneenhet (6),karakterisert vedat satelittnavigasjonsmottageren (4) i tillegg til posisjon også tillater beregning av romstillingsvinkelen, og at regneenheten (6) ut fra endringer av posisjon og romstilling over tid beregner den totale kinematikk i inertialrommet og beregner den ønskede gravitasjon ved å trekke den kinematiske akselerasjon fra den i akselerasjonsføleren (1) målte akselerasjon.

2. Innretning ifølge krav 1,karakterisert vedat akselerasjonsføleren (1) er fast forbundet med bæreren, hvorhos det dog forefinnes dempingselementer mellom akselerasjonsføleren og bæreren.

3. Innretning ifølge krav 1,karakterisert vedat akselerasjonsføleren (1) er en eneste eller en trippel av innbyrdes loddrett på hverandre stående akselerasjonsmålere.

4. Innretning ifølge krav 1,karakterisert vedat satelittnavigasjonsmottageren (4) er et eneste med tre eller flere antenner forsynt apparat eller en innretning av tre eller flere separate, med hverandre forbundne apparater, som muliggjør bestemmelsen av romstillingsvinkelen.

5. Innretning ifølge krav 1,karakterisert vedat regneenheten (6) står til rådighet på bæreren online eller - ved mellomlagring av dataene - står til rådighet offline etter målingen.

6. Fremgangsmåte for gravitasjonsmåling ved hjelp av en på en bærer anbragt akselerasjonsføler og en satelittnavigasjonsmottager,karakterisert vedat satelittnavigasjonsmottagerens signal benyttes for bestemmelse av posisjon og romstillingsvinkel, og at den totale kinematikk i inertialrommet beregnes ut fra endringer av posisjon og romstillingsvinkel over tid, for derved å redusere de målte akselerasjoner til den søkte gravitasjon.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 6,karakterisert vedat et tidssignal fra satelittnavigasjonsmottageren benyttes for akselerasjonsmålingen.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 7,karakterisert vedat satelittnavigasjonsmottagerens tidssignal benyttes for synkronisering av akselerasjonsmålingen.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 7 og 8,karakterisert vedat tidssignalet fra satelittnavigasjonsmottageren benyttes for styring av porttiden til en teller, som teller en for målevurderingen tilveiebragt akselerasjonsproposjonal frekvens.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 6,karakterisert vedat det i en akselerasjonsproporsonal frekvens omsatte signal fra akselerasjonsføleren vurderes slik i jevn takt vekselvist av to tellere at det ikke oppstår noen dødtid.

11. Fremgangsmåte ifølge krav 5,karakterisert vedat akselerasjonsverdiene fra akselerasjonsføleren såvel som fra satelittnavigasjonen underkastes en integrerende digial filtrering.

12. Fremgangsmåte ifølge krav 11,karakterisert vedat den digitale filtrering skjer ved hjelp av et formfilter, som er tilpasset tyngdekraftfeltets stokastiske oppførsel.