Descripción general del desarrollo de sistemas de medición de la gravedad de la aviación con correas
1. Descripción general del desarrollo del sistema
Este tipo de sistema tiene buen rendimiento, peso ligero, bajo consumo de energía y es fácil de usar. Dado que el acelerómetro ortogonal de tres ejes está fijado al cuerpo de la aeronave, se puede utilizar para medir el vector de aceleración de la gravedad (fuerza específica) el DGPS mide la aceleración del movimiento de la aeronave y se utiliza para corregir el efecto de interferencia de la aceleración del movimiento de la aeronave en la aeronave; Medición de la gravedad. Por lo tanto, este tipo de sistemas no sólo pueden realizar mediciones escalares de gravedad, sino también mediciones vectoriales de gravedad.
Bajo el liderazgo del profesor Schwarz K P, la Universidad de Calgary en Canadá tomó la iniciativa en el desarrollo del sistema de medición de gravedad escalar aerotransportado (SISG) basado en el sistema de navegación inercial con correa a principios de la década de 1990 (Figura 4- 2-10) (Gravimetría Escalar Inercial Strapdown) (Wei M, et al., 1996; Schwarz KP, et al., 1991, 1994, 1996, 1997). El sistema utiliza un sistema de navegación inercial con correa giroscópica láser Honeywell LASEREF III de nivel inercial. Se realizaron tres pruebas de vuelo en junio de 1995, septiembre de 1996 y junio de 1998 (Glennie C, et al., 1999, 2000; Glennie C L, et al., 1999; Schwarz K-P, 2006; Glennie C L, 1999).
En junio de 1995, voló 4 veces en una ruta de vuelo de 250 km en las Montañas Rocosas canadienses, con una altitud de vuelo de 5500 m y una velocidad de 430 km/h. La prueba muestra que la precisión de repetibilidad es de 2×10-5m·s-2 y la resolución es de 7 km, o la precisión de repetibilidad es de 3×10-5m·s-21 y la resolución es de 5 km. En comparación con los datos obtenidos después de la extensión hacia arriba del punto de gravedad del suelo, la precisión es de 3 × 10-5 m·s-2 y la resolución es de 5 km (Guo Zhihong et al., 2007). El propósito de esta prueba fue evaluar si el sistema podría usarse para mediciones de geoides.
En septiembre de 1996, se realizaron tres pruebas de vuelo dentro de un rango de 100 km × 100 km en las Montañas Rocosas canadienses, dos de las cuales se realizaron a una altitud de vuelo de 4350 m y la otra a una altitud de vuelo de 7300 m. El espacio entre líneas de vuelo fue de 10 km. El propósito de esta prueba de vuelo es probar la estabilidad a largo plazo y la repetibilidad del sistema. A través del procesamiento de ajuste, la precisión de la repetibilidad alcanza 1,6×10-5m·s-2, alcanzando el nivel de error integral de GPS y SINS. Al mismo tiempo, se ha demostrado que para mejorar aún más la precisión de las mediciones del sistema, es necesario utilizar acelerómetros de mayor precisión y mejorar la precisión del GPS para determinar la aceleración del movimiento del portador (Salychev O S, et al., 1995). .
En junio de 1998 se realizaron tres pruebas de vuelo en la bahía de Disko, en la costa occidental de Groenlandia, con una altitud media de vuelo de 300 m y una velocidad de casi 70 m/s. El propósito de esta prueba es comparar la precisión del SISG con la de un sistema de medición de la gravedad en el aire utilizando un gravímetro LCR. Los experimentos muestran que después de eliminar el error de deriva lineal, la diferencia entre los dos sistemas es (2~3) × 10-5m·s-2, que está cerca del nivel de ruido total de los dos sistemas (Salychev O S, et al. , 1999). Esta comparación directa en el mismo entorno muestra que SISG ha logrado la precisión de un sistema de medición de la gravedad en el aire utilizando un gravímetro LCR, y la resolución es relativamente alta.
Como parte del proyecto canadiense AGEM (Airborne Gravity for Exploration and Mapping), varias instituciones de investigación llevaron a cabo conjuntamente experimentos de vuelo para medir la gravedad en el aire en el área de Alejandría en abril y mayo de 2000 (Sinkiewicz J S, et al. ., 1997), con una altitud media de vuelo de 575 m y una velocidad de 45 m/s. El propósito de este experimento es evaluar exhaustivamente el rendimiento de tres sistemas de medición de la gravedad en el aire utilizando el gravímetro LCR, Air Grav y SISG, respectivamente.
En este experimento, la precisión del SISG fue de 1,5×10-5m·s-2 y la resolución fue de 2 km (o la precisión fue de 2,5×10-5m·s-2 y la resolución fue de 1,4 km. Esta precisión es la misma). como Air Grav La precisión es aproximadamente equivalente a la de un sistema de medición de gravedad en el aire que utiliza un gravímetro LCR. Estos experimentos muestran que un sistema de medición de la gravedad aerotransportado que utiliza navegación inercial con correas (SISG) se puede utilizar para mediciones de la gravedad de resolución media y alta (Sinkiewicz J S, et al., 1997).
Cabe señalar que, aunque el sistema SISG ha logrado algunos resultados experimentales significativos, dado que el sistema utiliza directamente un sistema de navegación inercial con correa de nivel inercial sin modificaciones de hardware como el control de temperatura, el sistema está lejos Desde el Todavía queda un largo camino por recorrer antes de que la ingeniería práctica sea posible. Lamentablemente, después de 2001, el sistema no logró desarrollarse más.
Desde 2001, con la financiación del proyecto "BMBF-Geotechnologien-Programm", tres instituciones de investigación científica alemanas han llevado a cabo investigaciones sobre un nuevo sistema de medición de la gravedad en el aire. Medición de la gravedad aérea Para cumplir con los requisitos de exploración de recursos, es necesario alcanzar el nivel de 1×10-5m·s-2/1km. Entre las unidades participantes se encuentran el grupo BEK (Bayerische Kommission fur die Internationale Erdmessung) de la Academia Bávara de Ciencias y Humanidades y el Instituto de Geodesia y Navegación de la Universidad de las Fuerzas Armadas Federales de Munich (Institut für Erdmessung und Navigation, If EN). , Instituto de Navegación y Control de Vuelo (IFF) de la Universidad Técnica de Braunschweig.
Las tres unidades han adoptado diferentes planes de investigación. Entre ellos, IFF se basa en el gravímetro de plataforma de doble eje CHEKEN-A producido en Rusia y lo transforma en una plataforma de inercia añadiendo un giroscopio láser para mantenerla. estabilidad del azimut (Stelkens T H, et al., 2004). Si EN adopta un esquema similar al de la Universidad de Calgary en Canadá, utilizando el sistema de giro láser SAGEM Sigma 30 producido en Francia, e intenta realizar mediciones de gravedad vectorial (Kreye C, et al., 2003, 2004).
BEK ha estado investigando el sistema de gravimetría aérea Strapdown (SAGS) desde mediados de la década de 1990 (Figura 4-2-11) (Sistema de gravimetría aérea Strapdown en el prototipo de última generación SAGS 4 incluye 3 fibras ópticas). giroscopios y 4 acelerómetros flexibles de cuarzo QA3000 (30) de alta precisión Para cumplir con los requisitos de la gravimetría aérea, se han tomado algunas medidas especiales del hardware, como control de temperatura, absorción de impactos y blindaje electromagnético (Boedecker et al. G, 2004; Kreye C, et al., 2004; Boedecker G, et al., 2006). Este sistema ha sido sometido a muchas pruebas de vuelo, pero debido a que el control de temperatura no cumplió con los requisitos de diseño (Li Qingmei, 2005), no se han logrado avances prácticos.
Figura 4-2-10 Gravímetro de aviación con correa SISG
Figura 4-2-11 Gravímetro de aviación con correa SAGS4
Características del sistema
El principio básico de utilizar el sistema de navegación inercial para medir la fuerza específica es estabilizar el sensor de gravedad (acelerómetro) en el sistema de coordenadas geográficas local. El sensor de gravedad puede medir los tres componentes de la fuerza específica. Para el sistema de navegación inercial de la plataforma, se utiliza una plataforma física y la plataforma se estabiliza directamente en el sistema de coordenadas geográficas local mediante control de retroalimentación.
Para el sistema de navegación inercial con correa, se utiliza una plataforma matemática y el sensor de gravedad está conectado fijamente al portaaviones. Por lo tanto, es necesario utilizar la actitud del portaaviones medida por el sistema para proyectar el valor de fuerza específico medido por el sensor de gravedad. el sistema de coordenadas geográficas local. Del principio de medición de la fuerza específica se puede ver que el error de medición de la fuerza específica proviene del error de medición del sensor de gravedad y del error de actitud de la plataforma.
Dado que los errores del sistema de navegación inercial se acumulan con el tiempo, se necesitan observaciones externas para mejorar la estabilidad de la plataforma. Para los sistemas de navegación inercial de plataforma, la posición externa y la amortiguación de la velocidad se suelen utilizar para mejorar la estabilidad de la plataforma (Forsberg R, 1999). Para los sistemas de navegación inercial con correa, los filtros de Kalman se usan generalmente para la combinación SINS/DGPS, y la posición y velocidad de alta precisión medidas por DGPS se usan como cantidades de observación para estimar la posición, velocidad, actitud y errores del dispositivo inercial del sistema de navegación inercial. (Bruton AM, 2000).
Las tecnologías clave que necesitan más avances incluyen principalmente (Salychev O S, et al., 1999): ① En el sistema de navegación inercial con correa, dado que el sensor inercial está conectado directamente al portaaviones, el entorno dinámico soporta es aún peor, por lo tanto, se requiere que los sensores inerciales tengan un mejor rendimiento, como un gran rango dinámico, estabilidad del factor de escala, etc. ② Mejorar la precisión de la medición de la aceleración del movimiento de la portadora utilizando DGPS de fase portadora sigue siendo clave para mejorar la precisión de las mediciones de la gravedad aeronáutica. ③Diseño de filtro. La aceleración perturbadora causada por factores como el movimiento irregular y la vibración de la aeronave puede alcanzar los 10 m·s-2, mientras que el valor de la anomalía de gravedad suele ser sólo de unos 100×10-5 m·s-2. La relación señal/ruido es extremadamente baja. La relación permite extraer señales débiles de anomalías gravitacionales es muy difícil, por lo que el diseño del filtro es una de las tareas clave del sistema.
3. Indicadores de rendimiento del sistema
La precisión del sistema de medición de la gravedad aérea con correa es: bajo la condición de una resolución anormal de media longitud de onda de 3 km, la precisión de coincidencia interna puede alcanzar 1,5 × 10-5m ·s-2, lo que indica que este sistema también se puede utilizar en mediciones de alta resolución.
Las ventajas del sistema de medición de la gravedad aérea basado en el sistema de navegación inercial con correa (Bruton A M, 2000; Glennie C L, 1999) incluyen principalmente: ① Tamaño pequeño, peso ligero, bajo costo, alta confiabilidad y bajo consumo de energía. Puede instalarse en una aeronave pequeña o en un helicóptero, o instalarse en una aeronave simultáneamente con el sistema de medición para una exploración geofísica integral. ②Fácil de operar. ③ Puede realizar mediciones de gravedad escalar y mediciones de gravedad vectorial.