三轴惯性平台式航空重力仪机载重力测量试验研究

胡平华，周锡华，姜作喜，赵 明，罗 锋，王冠鑫，闫 方，刘东斌，陈晓华

(1.北京自动化控制设备研究所，北京 100074；2.中国国土资源航空物探遥感中心，北京 100083)

0 引言

地球重力场数据是国家的重要战略资源，对于现代国防、资源勘探、空间科学、海洋科学、大地测量学、地球物理学和地球动力学等领域均具有重要意义[1-3]，在国民经济、社会发展以及国家安全中发挥着极为重要的作用[4-5]。

航空重力测量是利用航空重力仪、差分全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System, GNSS)等进行空中连续、均匀、中高频动态重力测量，是陆地、海洋和卫星重力测量的重要拓展和补充[1]，具有可实现对人员难于达到的沙漠、沼泽、山川、原始森林、河湖、海洋等地区进行重力测量的优势，此外还具有测量速度快、覆盖范围广、效率高、成本低等特点，可用于大范围重力普查、无人区重力测量和远程武器发射区快速重力测量等[6-8]。

随着我国“一带一路”、海洋强国、深地资源勘查开采等发展战略的推出，国内航空重力测量技术研究得到前所未有的快速发展，航空重力仪的研制也取得了突破性的进展[9-12]。北京自动化控制设备研究所联合中国自然资源航空物探遥感中心，利用自身在小型高精度惯性器件和平台惯导系统方面的技术基础，采用与加拿大SGL公司的AIRGrav重力仪相同的三轴惯性平台+石英挠性加速度计式重力敏感器技术方案，在已装备的航空惯性导航系统的基础上进行改进，研制出了GIPS-1A三轴惯性平台式航空重力仪[7，13]，经机载航空重力测量试验验证，达到了国际上先进仪器的精度水平，并具有良好的实用性。

1 重力仪介绍

1.1 组成及功能

GIPS-1A三轴惯性平台式航空重力仪由重力仪主机、供电显控装置、差分GNSS基准站和移动站，以及相关软件组成，其硬件组成如图1所示。各部分的功能主要为：

1)重力仪主机：用于测量载体的垂向比力(重力加速度和运动加速度的合成)，是重力仪的核心部分，主要包括三轴惯性平台、重力敏感器、二次电源、控制电路和导航计算机等。其中三轴惯性平台主要由2个动力调谐陀螺、2个导航级石英挠性加速度计、3个角度传感器、3个力矩电机和3个框架等组成。

2)供电显控装置：用于为重力仪主机供电，控制其工作状态，并将其测量的重要数据和状态进行存储和显示。

3)差分GNSS基准站和移动站：用于获取高精度的差分GNSS测量信息，包括高精度的位置、速度和加速度信息，实现重力数据处理过程中各项改正的高精度计算，例如：厄缶改正、正常重力改正、运动加速度改正等。

4)软件：包括系统软件、自标定软件、监控软件以及后处理软件等。

(a)重力仪主机

1.2 工作流程

GIPS-1A重力仪的工作流程包含准备阶段、测量阶段、热待机和数据后处理阶段(如图2所示)。最具特点的是，在其准备阶段可包含参数自标定的过程，可以利用其三轴框架系统对重力仪中的陀螺和加速度计等关键分部件的参数进行测前自标定并补偿，以消除这些关键参数重复性误差的影响，从而提高重力测量精度。

图2 GIPS-1A三轴惯性平台式航空重力仪工作流程图

1.3 技术指标

GIPS-1A三轴惯性平台式航空重力仪的主要性能指标为：

1)测量范围：±1000Gal；

2)重复线测量内符合精度(RMS)：≤0.6mGal@0.01Hz；

3)俯仰和滚动工作范围：-60°～+60°，方位工作范围：-360°～+360°；

4)工作温度范围：-10℃～+45℃；

5)整机质量小于50kg；

6)稳态功耗小于250W。

2 航空重力测量试验系统集成

2.1 飞机选型及改装

航空重力测量试验对载机的要求主要为：具有低空飞行性能，飞行速度在250km/h以下，续航能力不少于4h；飞机操纵性能好，自振小，带有自动驾驶仪；满足仪器的载重和空间要求，重力仪可安装在重心位置附近，移动站天线可安装在重力仪周围2m之内的机舱顶部；飞机机载设备的电磁干扰不会对航空重力测量仪器产生明显影响。

根据以上要求，选用美亚旅游航空有限公司的水陆两用Cessna 208型飞机(机号：B-9466，如图3所示)，开展本次GIPS-1A重力仪的重复线精度测试与试生产测试。

图3 试验选用的Cessna 208型水陆两用飞机

飞机的改装主要是机载供电系统增加为仪器提供飞行中的直流28.5V供电，并在飞机底舱后部加装一个连接器，以便在飞机发动机关机后为仪器提供地面直流28.5V供电。

2.2 航空重力测量试验系统组成及安装

试验系统包括机上设备和地面设备两部分。机上设备主要包括重力仪主机、重力仪主机减振器、供电显控装置、差分GNSS移动站(含接收机及天线)、无人值守装置和电源自动切换装置等;地面设备主要包括地面直流28.5V电源、市电电源监控装置、地面不间断电源(Uninterrupted Power Supply，UPS)、差分GNSS基准站(含接收机及天线)和远程无人值守客户端等。

重力仪主机减振器采用双层减振方案，选用闭孔海绵作为减振材料，使减振器的谐振频率降低到6Hz左右，有利于降低外界载体振动对航空重力测量结果的影响。

无人值守装置通过串口与重力仪通信，并将重力仪的运行数据通过无线传输方式发送到远程客户端，便于地面远程监测重力仪的工作状态；同时，接收远程客户端发送的控制指令，并发送给重力仪，以实现对重力仪的远程操控。

电源自动切换装置根据地面电源和机上电源的供电情况自动地进行机上/地面电源的无缝切换，可避免人工切换的瞬时掉电，有利于保护重力仪主机免受瞬时掉电损坏。

市电电源监控装置用于监测交流220V市电状态，在市电出现断电时可利用全球移动通信系统(Global System for Mobile Communications, GSM)手机网通过短信/拨打电话的方式通知相关人员，以便在地面UPS维持供电期间采取相应的措施解决供电问题。

根据飞机舱室空间、飞机重心和载荷限制等因素，对机上设备进行了合理布局和安装。航空重力仪主机通过减振器固定在飞机重心附近1m范围内(如图4所示)。移动站天线安装在飞行员驾驶舱后的机舱顶部，该处干扰小、视线开阔，且受发动机振动影响小。仪器柜(含供电显控装置、移动站接收机、无人值守装置、电源自动切换装置等)固定在重力仪后侧(如图5所示)，方便操作和使用。

图4 航空重力仪主机及其减振器在飞机上的安装

图5 试验标准仪器柜在飞机上的安装

地面直流28.5V电源、市电电源监控装置和地面不间断供电电源放置在飞机旁。差分GNSS基准站天线固定在机场集装箱房的房顶，接收机放置在集装箱房内。远程无人值守客户端可放置于宾馆房间内或其他有移动通信信号的地方，便于随时监控。

2.3 飞机适航性检验

设备安装好后，启动飞机发动机，机上各种设备通电工作，经检查机载设备与航空重力测量设备均工作正常，无相互干扰现象。

在地面通电检查正常后，进行了视察飞行，确认了测区附近不存在对测量有明显影响的干扰源，同时评估了改装后飞机起飞、着陆和低速飞行的性能，并检验了飞机的适航性。

3 数据处理方法

3.1 航空重力测量数据后处理方法

根据三轴惯性平台式航空重力仪的具体特点，研究了其重力测量数据后处理方法。研究中重点解决了重力敏感器信号与差分GNSS信号之间的采样率统一及时间同步问题、载体运动加速度求解中的相位延迟问题以及高阶低通滤波处理中的相位滞后问题；完成了数据处理流程及软件的设计，实现了对实际航空重力测量数据的处理。具体航空重力数据后处理[13-15]流程图如图6所示[16-18]。

图6 航空重力数据后处理流程图

3.2 航空重力测量精度评价方法

航空重力测量精度评价采用惯常使用的重复线内符合精度和交叉点总精度评价方法。

1)重复线内符合精度计算公式

重复线内符合精度是利用重复线测试数据来评价航空重力重复测量的动态精度，反映的是各重复线测试数据相对于它们的平均场数据的符合程度[19-21]。

每条重复线内符合精度的计算公式为

(1)

所有重复线测试数据的内符合精度的计算公式为

(2)

重复线多次往返测试飞行时，尤其是不同架次的重复线，由于仪器工作状态及飞行条件的变化等因素，导致每条重复线数据的平均值略有漂移，所以需对重复线进行水平调整，调整后式(1)中δij的的计算公式变为

(3)

式中

2)交叉点总精度计算公式

交叉点总精度评价采用测线与控制线交点残差值的均方差进行评价。其计算公式为

(4)

式中：p为统计的交叉点个数；Δxi为第i个交叉点差值。

4 重复线精度测试

2020年11月，在海南岛东南部的海面上利用Cessna 208型水陆两用飞机开展了GIPS-1A重力仪的重复线飞行测试，包括南北向和东西向2条重复测线(此2条测线有用俄罗斯进口的GT-2A重力仪测试的数据)，每条测线长度约为60km。选用接收机为Ashtech ProFlex800，其采样频率设为2Hz，重力仪主机的数据输出频率为100Hz。飞行高度为GPS高度600m平飞，飞行地速约为60m/s。共获得5个有效架次，19条往返测线数据，测线里程1153km。其中，1～3架次使用了主机减振器，4～5架次无主机减振器。

4.1 内符合精度测试结果

按照3.1节的数据处理方法对测量数据进行处理与分析，其中有限冲激响应(Finite Impulse Response, FIR)低通滤波器的滤波周期统一为100s(与GT-2A重力仪的滤波周期一致)，得出航空空间重力异常，并计算其单架次和全部架次重复线水平调整后的内符合精度，结果如表1所示。全部架次东西向10条航空空间重力异常重复测线及其内符合结果如图7所示，全部架次南北向9条航空空间重力异常重复测线及其内符合结果如图8所示。

表1 单架次和全部架次重复线内符合精度计算结果

图7 全部架次东西向航空空间重力异常重复测线及其内符合结果

图8 全部架次南北向航空空间重力异常重复测线及其内符合结果

从表1、图7和图8可以看出，单架次和全部架次100s低通滤波后的航空空间重力异常重复线内符合精度均优于0.6mGal，表明GIPS-1A重力仪前后不同时间的测量结果一致性好，测量数据稳定可靠；去掉重力仪主机的减振器后，单架次的重复线内符合精度没有变差(4～5架次相对于1～3架次没有明显变差)，表明GIPS-1A重力仪主机对外界振动环境的适应性很强，基本可独立适应机载航空重力测量的振动环境。

4.2 与GT-2A符合精度测试结果

GT-2A重力仪是从俄罗斯GT公司引进的航空重力测量设备，目前仍然是世界上测量精度最高的系统之一。其主机(含底座)外形尺寸为400mm×400mm×900mm，质量为153kg，测量精度指标为重复线内符合0.6mGal@0.01Hz。

选取GT-2A重力仪在相同南北向重复测线上6条最好的重复测线(其内符合精度为0.613mGal)与GIPS-1A重力仪第四架次测试结果进行对比，对比结果如图9所示，两者综合在一起的内符合精度为0.622mGal。由于GT-2A在相同东西向重复测线上的重复测量结果不理想，选取其中一条较好的2001测线与GIPS-1A重力仪第二架次测试结果进行对比，对比结果如图10所示，两者综合在一起的内符合精度为0.592mGal。

图9 第四架次南北向航空空间重力异常重复线与GT-2A符合精度

图10 第二架次东西向航空空间重力异常重复线与GT-2A符合精度

以上与GT-2A重力仪测量结果对比的符合精度表明，GIPS-1A重力仪与GT-2A重力仪具有很高的符合度，两者测量精度相当。

5 试生产测试

2020年12月，在海南岛南部的海面上利用Cessna 208型水陆两用飞机开展了GIPS-1A重力仪的试生产飞行测试。测量区域约为50km×110km，包括50条南北测线和5条东西控制线，测线间距为2km，控制线垂直于测线，测量间距10km(此区域有用GT-2A重力仪测试的数据，所有测线与控制线的位置也相同)。平均飞行高度、平均飞行速度、接收机采样频率和重力仪主机的数据输出频率保持与重复线精度测试时一致。共完成了7个架次的测量，测线里程约为4644km。

选择试生产中的部分测线与同位置上的GT-2A重力仪的重力异常数据进行对比，如图11所示。图11中结果表明，GIPS-1A重力仪的测试结果与GT-2A重力仪同测线的测试结果符合度很好。

(a)1890测线

试生产共获得50条测线与5条切割线的交叉点共计250个，按式(4)计算得到GIPS-1A重力仪未调平的交叉点总精度为1.23mGal;同样统计该区域GT-2A重力仪未调平的交叉点总精度为1.03mGal。由于GT-2A重力仪航空重力飞行测量大多数是夜航，气流平稳，测量质量好;而GIPS-1A重力仪试生产时飞行时间在10:00～17:30之间，受冷空气影响大，且前4架次飞行测量时东北风最大达到35节，风扰对测试结果的影响也较大。因此，在风扰比GT-2A测量时大得多的条件下，GIPS-1A重力仪也能达到与GT-2A重力仪同等的精度水平。

图12所示为GIPS-1A重力仪低通滤波原始航空空间重力异常图，图13所示为同区域GT-2A重力仪原始航空空间重力异常图。

图12 GIPS-1A重力仪低通滤波原始航空空间重力异常图

图13 GT-2A重力仪原始航空空间重力异常图

从图12和图13 可以看出，GIPS-1A重力仪与GT-2A重力仪的原始航空空间重力异常分布及走向一致，异常形态非常吻合，充分说明了GIPS-1A重力仪试生产测量结果可靠，与GT-2A重力仪测量结果的一致性好。

6 结论

自主研制的GIPS-1A重力仪经机载航空重力重复线精度测试和试生产测试，重复线内符合精度优于0.6mGal@0.01Hz，与国际上广泛应用的GT-2A重力仪相比，两者符合度好；试生产交叉点总精度与GT-2A重力仪相当，且异常形态吻合度好。测试结果表明，GIPS-1A重力仪达到了国际上先进仪器的精度水平，并且在风扰适应性、体积、质量等方面表现优异，可满足实际工程应用需求。