三轴稳定平台型航空重力测量系统发展概况

1.系统发展概况

俄罗斯莫斯科国立技术大学的LIGS（Laboratory of Inertial Geodetic Systems）、加拿大的SGL（Sander Geophysics Ltd.）公司以及俄罗斯莫斯科重力测量技术公司（Gravimetric Technologies Ltd）等研究单位分别对基于三轴平台惯导系统的航空重力测量系统进行了研究。

从1992年到1998年，LIGS与加拿大Calgary大学合作，对采用三轴平台惯导系统的航空重力测量系统进行了研究和试验（Sinkiewicz J S，等，1997;Ferguson S T，等，2000）。该系统采用俄罗斯生产的航空惯导系统I-21，为了满足重力测量的要求，还专门设计了一个高灵敏度的加速度计。从1993年至1997年共进行了约5×10⁴km测线的飞行实验。这些实验在不同地区、不同气象条件以及采用不同飞机的条件下进行，实验表明该系统精度可达1×10^-5m·s^-2、分辨率为3km（Salychev O S等，1999）。

1992年，加拿大SGL开始了航空重力测量系统Air Grav的研制（Sinkiewicz J S，等，1997;Ferguson S T，等，2000;Argyle M，等，2000;Sander S，等，2004;Gabell A,2004）（如图4-2-5），该系统的三轴平台惯导系统包括三个惯性级的加速度计和两个二自由度挠性陀螺，并将惯导系统安装在温控箱里。平台水平姿态可控制在10″以内，这使得飞机的机动对系统的精度影响很小，并且可以进行起伏飞行（Drape flying）。该惯导平台的常平架结构可将每一个加速度计置于垂向的朝上或朝下两个方向，因而可经常对加速度计进行标定，同样也可以标定陀螺漂移。1999年夏天，利用该系统在加拿大渥太华地区进行了首次飞行试验，试验表明重复性精度达到0.5×10^-5m·s^-2，异常半波长分辨率为2.0km（Ferguson S T，等，2000）。目前该系统已经投入商业运营，已进行的测量主要用于石油勘探，也有部分用于探矿。由于出于保密，无法获得更多的关于Air Grav的软硬件资料。

俄罗斯莫斯科重力测量技术公司从20世纪60年代起就开始制造海洋重力仪，1995年俄罗斯总统叶利钦曾授予该公司总工程师Yuri Smoller和首席科学家Sam Jurist俄罗斯科学工程技术领域最高奖，以表彰他们为重力测量技术所作出的杰出贡献。

图4-2-5 AirGrav航空重力仪

图4-2-6 安装在机舱中的GT-1A型重力仪

2001年9月，命名为GT-1A的航空重力测量系统（如图4-2-6）在俄罗斯北部进行了首次试验飞行，之后又在澳大利亚、南非等地进行了多次飞行试验。与地面重力测量值相比较，该系统精度可达到0.5×10^-5m·s^-2、异常半波长分辨率1.5～2.75km（Olesen A V，等，2000,2000,2002;Gabell A,2004）。该系统的原理与Air Grav类似，也是采用三轴平台惯导系统结构，同样对重力传感器和相关电子设备采取了温控措施（Berzhitsky V N，等，2002;Wooldridge A，等2004）。

图4-2-7GT-1A型重力仪系统No.1号和No.2号于2004年3月和5月获得的重复线测试飞行结果，其内符合精度分别达到0.54×10^-5m·s^-2、0.47×10^-5m·s^-2。

2.系统硬件特点

GT-1A重力仪稳定平台由两个陀螺仪和两个水平加速度计组成。另一个陀螺仪进行方位控制，利用专用的重力传感器获取垂向加速度的变化。三轴陀螺稳定平台坐标系与GPS坐标系一致，因此可使用GPS数据对平台（如图4-2-8）进行辅助对准和误差消减，使平台保持在更稳定的水平状态，其技术比二轴稳定平台重力仪先进。该系统有采用数字式阻尼，通过GPS的位置和速度与机内加速度计测到的位置和速度进行对比，通过Kalman滤波产生阻尼，控制平台的稳定。允许工作于较恶劣的天气条件，但工作范围为中、低纬度地区（75°S～75°N）。

图4-2-7 GT-1A型系统No.1号和No.2号重复线测试结果

内符合精度（a）0.54×10^-5m·s^-2;（b）0.47×10^-5m·s^-2

图4-2-8 GT-1A重力系统硬件信号流程示意图

3.系统软件特点

GT-1A是由航空重力数据处理软件（MSU）（如图4-2-9）和Geosoft软件完成重力数据的处理，MSU软件运行于MS Windows 98/2000/XP，提供了EXE和DLL模块软件包，MSU能够适用于Geosoft软件。

该软件分别进行仪器和原始数据的质量控制、导航解算和沿测线自由空气重力的估算。

在数据质量控制方面，该软件利用原始记录文件，对GT-1 A状态进行监视、对GPS同步进行控制、对文件或紧急退出产生的Err文件错误探测。

在导航解算方面，该软件利用GPS载波相位差分的V文件计算位置和速度，利用平台I文件对陀螺垂直偏差进行估算，利用Q文件进行GPS质量控制。

在测线上航空重力估算方面，该软件进行粗细挡的饱和控制、细挡的数据改正、参考测量G5文件的统计和重力数据的质量控制。在重力测量原始数据的基础上，分别完成了GPS加速度改正、平台偏移引起的重力误差改正、厄缶改正、重力仪漂移改正、正常重力值改正、自由空气高度改正，最终获得自由空间重力异常。然后利用Geosoft软件进行中间层改正和地形改正，将自由空间重力异常转换成布格重力异常。

图4-2-9 GT-1A数据处理软件

GT-1A数据处理软件各项改正能力强，特别是利用各种参数处理颠簸情况下的重力数据要好于TAGS系统数据处理软件；GT-1A数据质量统计方法比较完善，能够比较方便地评估测量质量；在GPS解算方面，GT-1A拥有自己的解算软件。

GT-1A的后处理软件使用相当方便，生产飞行结束后几小时之内就能得到完整的Δg数据；数据处理人员需要经过一定的技术培训，才能完成数据处理。

4.系统性能指标

GT-1 A航空重力测量系统性能指标：

测量范围： 　　　　　　　　（9.76～9.84）m·s^-2

动态范围：

a）细道 　　　　　　　　　　±250 000×10^-5m·s^-2

b）粗道 　　　　　　　　　　±500 000×10^-5m·s^-2

24 h漂移： 　　　　　　　　　＜5.0×10^-5m·s^-2

静态24 h漂移（改正后） 　　　　 ＜0.1×10^-5m·s^-2

静态12 h测量rms误差：

a）细道 　　　　　　　　　　（0.2～0.4）×10^-5m·s^-2

b）粗道 　　　　　　　　　　（0.4～0.6）×10^-5m·s^-2

最大角度：

a）滚动（roll） 　　　　　　　　±45°

b）俯仰（pitch） 　　　　　　　±45°

测量纬度范围： 　　　　　　　75°S—75°N

采样率： 　　　　　　　　　　2 Hz（固定）

工作温度： 　　　　　　　　　0～50℃

在5～35 Hz频率范围内允许的振动水平 0.2 g

在满足如下条件时：垂直加速度在0.5 g以内、可导航的卫星数6个以上、PDOP值不大于2.5、基线长度不大于100.0km，重力异常评价误差（rms）为：

a）0.01 Hz带宽 　　　　　　　0.6×10^-5m·s^-2

b）0.0125 Hz带宽 　　　　　　1.0×10^-5m·s^-2

该系统的优点为：①分辨率较高；②技术先进，对天气和驾驶技术要求较低；③全自动化，废品率较低；④水平加速度耦合效应小。

存在的主要问题：①系统漂移较大；②工作范围为中、低纬度地区；③飞行后的基点测量时间较长。

目前Air Grav和GT-1A这两个系统均已达到商业实用的水平，已经为多家客户进行了石油、天然气等资源勘探航空重力测量。与海空重力仪相比，采用三轴平台惯导系统的主要优点是姿态更加稳定，受水平加速度的影响更小（Argyle M，等，2000;Olesen A V，等，2000）。