[发明专利]重力梯度仪加速度计标度因数不一致性动态实时估计方法

说明书

本发明涉及一种重力梯度仪加速度计标度因数不一致性动态实时估计方法，包括以下步骤：步骤1、在动态条件下，对重力梯度仪输出信号在旋转频率ω上进行解调，得到重力梯度仪输出信号的一倍频分量D₁和D₂；步骤2、基于步骤1获得的重力梯度仪输出信号的一倍频分量，在不一致信息提取中引入Kalman滤波环节，对两路信息实现最优估计；步骤3、在步骤2中引入自适应滤波的方法，得到两路对称安装的加速度计标度因数不一致信号的实时最优估计。本发明能够提高加速度计标度因数动态调整精度，进而提高旋转加速度计式重力梯度仪动态测量精度。

技术领域

本发明属于重力梯度仪技术领域，尤其是一种重力梯度仪加速度计标度因数不一致性动态实时估计方法。

背景技术

重力梯度是重力矢量的空间变化率，在矿产资源勘探、地球科学研究以及惯性导航等方面具有重要意义。重力梯度仪是用于测量重力梯度的精密设备，基于BellAerospace公司提出的旋转加速度计测量原理的重力梯度仪是迄今唯一实用的近地表动态重力梯度仪。如图1所示，作为核心敏感器的重力梯度测量组件基于加速度计位置差分测量原理，通过机械旋转的方式将重力梯度张量分量调制到系统旋转频率的二倍频处，重力梯度敏感器输出与重力梯度张量分量之间的关系可表示为：

(a₁+a₃)-(a₂+a₄)＝4R(Γ_uvsin2ωt+Γ_xycos2ωt) (1)式中a₁、a₂、a₃和a₄是四只加速度计的测量输出信号，R是加速度计检测质心到旋转中心的距离，Γ_uv和Γ_xy是对应方向上重力梯度张量分量(其中ω是旋转机构的旋转角速度。将敏感器输出的加速度计组合信号进行2ω频率上的同步解调得到最终的重力梯度张量信号Γ_uv和Γ_xy。为便于书写，记a_sum＝(a₁+a₃)-(a₂+a₄)，即用a_sum表示重力梯度敏感器测量输出信号。

根据旋转加速度计式重力梯度测量原理，该原理的重力梯度仪通过对称反向安装的加速度计抵御近地表水平线运动对重力梯度测量的影响，但近地表测量载体运动加速度通常比重力梯度引起的运动对重力梯度测量的影响，但近地表测量载体运动加速度通常比重力梯度引起的加速度差值信号大6个数量级，加速度计间标度因数的微小差异会使得载体残余水平加速度进入重力梯度敏感器输出信号，形成测量误差。为实现高精度重力梯度动态测量，需要加速度计间标度因数不一致性优于10^-7量级，对实时调整精度提出了严苛的要求。

在工程实现中，旋转加速度计式重力梯度仪通过设置加速度计标度因数一致性调整回路实现以实现对称安装的加速度计标度因数高度一致性。具体实现步骤为：(1)在加速度计表体磁路中设置调整机构，通过控制调整电流实现标度因数在线调整功能；(2)由技术设计和工艺控制保证配对的加速度计标度因数初始差异不大于1‰；(3)倾斜敏感器承受重力分量形成常值分量，激励两组加速度计标度因数不一致信息调制在旋转频率ω的正余弦分量上，再通过同步解调提取；(4)对标度因数不一致信息进行PID校正，控制加速度计表体调整电流，实现加速度计标度因数实时调整功能。加速度计标度因数一致性调整回路原理如图2所示，步骤3的原理公式为：