面朝大海,春暖花开

作者:xiaokcehui2021-4-25 6:45分类: gravity&mag

之前写过国产海洋重力仪SAG-2M的简单使用介绍,它的稳定性明显优于DGS。本篇将系统介绍SAG-2M的参数、性能、原理、应用以及与其它同类设备的比较分析等。此篇得到了李东明博士和修睿老师的大力支持,在此表示感谢。

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1、先看SAG-2M捷联式重力仪研发团队的3篇文章

捷联式移动平台重力仪地面测试结果_李东明

目前各类航空重力测量系统都普遍采用GPS进行定位和测量载体的加速度。国际上航空重力仪主要有三种类型:一种是二轴阻尼惯性稳定平台型航空重力仪,以LaCoste&Romberg公司的II、III型海-空重力仪,ZLS重力仪以及Bell BGM-5重力仪为代表;第二种是三轴惯性稳定平台型航空重力仪,如INS-GPS组合系统,以俄罗斯的GT-1A重力仪和Sander公司的AIRGrav重力仪为代表;第三种是捷联式航空重力仪,如加拿大的SINS-DGPS系统和德国的SAGS系统,俄罗斯也在研制名为GT-X的捷联式航空重力仪。

移动平台重力仪采用一体式设计,惯性测量部分及电子线路部分均置于同一箱体内。惯性测量部分包含三只石英挠性加速度计和三只激光陀螺仪。

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移动平台重力仪用于测量地球重力矢量的垂直分量,原始测量信息经后处理,输出信息可以是重力矢量的垂向分量值,或者是垂向重力异常值。在后处理提取重力矢量的垂向分量值或者是垂向重力异常值的过程中,需要定位、速度和运动加速度信息进行计算,且用户使用重力信息时,需要空间坐标和时间坐标。因此,移动平台重力仪的后处理信息输出还应包含位置、高度、速度和时间信息。

移动平台重力仪基本工作原理为:首先,集成于移动平台重力仪中的重力测量加速度计测得沿其输入轴比力,该测量比力通过激光捷联贯导数学平台分解,获得垂向比力分量(含重力和垂向运动加速度);其次,载体GPS接收机与基站GPS接收机组成差分GPS系统,获得载体垂向运动加速度;最后,比力分量与垂向运动加速度求差,再经滤波及各项改正处理,最终提取出重力矢量的垂向分量值,或者是垂向重力异常值。

自由空间重力异常估计通过后处理软件完成,处理流程如下图。将捷联贯导计算结果与差分GPS处理结果进行组合滤波,获得转换到当地地理坐标系的比力,以及修正后的载体位置、速度。由载体位置信息作两次差分获得载体运动加速度。对比力信息进行滤波后,扣除各项改正以及载体运动加速度,得到原始自由空间重力异常。再通过特定的低通滤波器,滤除掉由载体不规则运动及振动等因素带来的扰动加速度,最终获得自由空间重力异常估计值。

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捷联式重力仪在海洋测量中的应用与数据处理_罗骋

利用卫星测高数据计算海洋重力异常已成为了目前获取全球海洋地区重力场信息的主要手段,研究结果表明,采用测高资料反求重力异常,在30′×30′范围内,平均重力异常精度可达3.5mGal,已达到较好的精度水平。但受限于卫星高度,只能测定地球重力场的中长波分量,对于海洋重力场的中低频信息,虽然能通过测高信息反演,但仍与船载重力测量和航空重力测量方式有一定的差距,近水区域尤为明显。因此,在现有技术条件下,获取高精度、高频的海洋重力场测量信息的主要方式仍是海洋重力测量和航空重力测量。

目前,我国只有不到一半的陆地国土完成了1∶20万的重力测量,另有不到一半的国土面积完成了1∶50万和1∶100万的重力测量。在海洋区域,仅初步完成了覆盖第一岛链海区的海洋重力场精密测量。

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(1)根据惯性器件测量的载体当前时刻的角速度和加速度计算载体当前时刻姿态、速度和位置信息;
(2)利用GPS提供的载体速度和位置信息,估计惯导姿态角误差,得到载体姿态误差角;
(3)修正姿态阵,重新将比力投影至地理坐标系得到修正后的比力;
(4)根据GPS信息提供的速度及位置信息,计算载体的厄特弗斯改正以及正常重力值;
(5)根据噪声特性,设计低通滤波器消除测量噪声,得到高精度的重力异常信号。
捷联式航空重力测量系统的数据处理方法比较与分析_修睿

重力数据处理对获取高精度重力异常值有着重要作用,是重力测量的核心技术。重力仪在搭载运动载体进行重力测量时,载体的高频振动对重力测量数据和GPS数据均会产生不可避免的干扰,导致提取的重力异常粗值含有大量高频噪声。围绕重力数据的处理方法这一核心技术,介绍了FIR低通滤波、零相移滤波、标准Kalman滤波、正反Kalman滤波4中滤波方法的基本原理,运用着4种方法处理了SAG捷联式重力仪的某次实际飞行测量数据,比对了基于SINS/GPS组合导航和SINS/DGPS组合导航的重力测量数据处理结果。

重复测线的内符合精度统计结果表明,正反Kalman滤波与零相移滤波的结果精度相对较高,分别到达了0.98mGal和1.07mGal,正反Kalman滤波略优于零相移滤波;标准Kalman滤波的精度相对较差,精度与正反kalman滤波相差近0.4mGal;FIR低通滤波的精度适中,与零相移滤波相比略有差距。

关于正反Kalman滤波,想起来一件事情,就是我们买的惯导处理软件TerraPos就是采用正反Kalman滤波,顺时和逆时,计算两次,精度提高明显。

2、技术参数

SAG-2A/SAG-2M的技术参数(A代表航空,M代表海洋)

量程范围:-2000Gal—2000Gal(伽)

静态精度(RMS):0.2mGal

动态精度(RMS):1mGal

与其它重力仪的对比表如下:

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3、试验情况

搭载向阳红系列、海大号、邓稼先号等十余型舰船,搭载雪龙号第33次南极科考,累计无故障工作时间8万余小时,累计测量航行里程70余万海里;
搭载运-12、塞斯纳208-B固定翼飞机,累计完成飞行测量任务二十余架次,累计飞行里程2万公里。
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SAG-2M的采集界面如下:

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4、某工程海上试验
试验船向阳红06号于2018年5月28日从青岛出发,先到厦门,再去南海进行重力测量,最后6月25日返回厦门。

参加比对测量的国外重力仪有GT、MGS、S2、DGS等,国内重力仪有13所、707所、国防科大、测地所等,总共有8型13套重力仪参加测试。
13所SAG-2M型重力仪全程工作正常,试验完成后立即进行数据处理并交付试验组织单位。

通过对比试验测试数据,13所SAG-2M型重力仪精度国内领先,国际一流的水平,与本次国外重力仪中表现最好的GT的精度处于几乎同等的水平。可靠性方面优势明显( GT出现2次故障)。

SAG-2M与GT-2M对比结果,GT重力仪是世界顶级的

SAG-2M重复线内符合:最小达0.1782mGal

SAG-2M与GT-2M符合性:最小达0.1398mGal

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南北测线航迹

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南北测线的中误差:0.369mGal

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东西测线航迹

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东西测线中误差:0.257mGal

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海洋重力测量比对实验:SAG-2M大大优于L&R S-129

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海洋重力测量比对实验:SAG-2M与KSS-31相当

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海洋重力测量比对实验:SAG-2M大大优于MGS-6

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5、小结

SAG-2M重力仪与GT、KSS-31等顶级海洋重力仪性能相当,大大优于DGS、L&R S-129、MGS-6等重力仪,处于第一梯队。最近几年,国内的装备制造水平大幅提升,取得了巨大的进步。本文的SAG-2M重力仪是海洋重力仪细分领域的优秀代表,是科研、技术和工艺的飞速发展的产物。想当初刚进入海洋测绘行业,见到唯一的国产设备就是海鹰的单波束HY1600和声速剖面仪HY1200,万万没有想到,经过十几年的发展,浅水海洋测绘设备基本都有替代产品,有些比国外的产品还好。


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