海洋重力辅助导航的研究现状与发展_徐遵义
重力加速度量值溯源体系介绍及重力仪的研制现状
重力加速度量值溯源体系介绍及重力仪的研制现状张 博（黑龙江省计量检定测试研究院，黑龙江哈尔滨 150036）摘 要：重力测量在地质研究、国防军事、地球物理、资源勘探、地震预报及计量科学等领域有着广泛的应用。
目前，提高惯性导航精度普遍采用的方法是将重力加速度和惯性加速度分离，重力加速度测量的准确性需要通过量值溯源来保证，绝对重力仪是重力测量值传递和溯源的主要载体和工具。
以此为背景，介绍了绝对重力仪的主要技术和发展现状，从而引出绝对重力测量和重力计量体系是整个重力测量溯源到SI国际单位制，确保其测量量值准确可靠的唯一途径。
关键词：绝对重力仪；关键比对；惯性仪表；自由落体；原子干涉中图分类号：P631.1+23 文献标志码：A DOI：10.16443/ki.31-1420.2019.04.016 Introduction of Gravity Accelerometer Value Tracing System andDevelopment of Gravity MeterZHANG Bo(Heilongjiang Provincial Metrological Verification and Testing Institute, Harbin 150036, Heilongjiang, China) Abstract: Gravity measurement has been wildly used in national defense and military,geological research, resource exploration, geophysics, earthquake prediction and metrology etc. At present, the commonly used method to improve the inertial navigation accuracy is to separate the gravity acceleration from the inertial acceleration. The accuracy of the gravity acceleration measurement needs to be ensured by the value traceability. The absolute gravimeter is the main carrier and tool for gravity measurement value transmission and traceability. Based on this background, the main techniques and development status of the absolute gravimeter are introduced, which leads to the fact that the absolute gravity measurement and gravity measurement system is the only way to trace the entire gravity measurement to the SI and to ensure accurate and reliable measurement.Key words: absolute gravimeter; key comparison；inertial instrument；free fall；atomic interfere0 引言重力测量在国民经济建设中发挥着重要作用，广泛应用于国防、军事、地球物理、地质研究、地震预报、资源勘查、和计量等领域。
水下探测技术的应用现状与前景研究
水下探测技术的应用现状与前景研究在人类对未知世界的探索征程中，水下领域一直充满着神秘和挑战。
水下探测技术作为打开这一神秘领域大门的关键钥匙，其重要性日益凸显。
从深海资源的开发到水下考古的推进，从海洋生态的监测到军事领域的应用，水下探测技术正以惊人的速度发展，并展现出广阔的应用前景。
一、水下探测技术的应用现状（一）海洋科学研究海洋占据了地球表面的大部分面积，蕴藏着丰富的资源和未知的奥秘。
水下探测技术为海洋科学研究提供了强有力的支持。
例如，通过使用声学探测设备，如多波束测深仪和侧扫声呐，科学家能够绘制出海底地形地貌图，了解海床的结构和特征。
此外，温盐深仪（CTD）可以测量海水的温度、盐度和深度，为研究海洋环流和水团运动提供基础数据。
海洋生物学家则利用水下摄像和声学监测系统来观察海洋生物的行为和分布，研究生物多样性和生态系统的动态变化。
（二）资源勘探与开发水下探测技术在石油、天然气和矿产资源的勘探与开发中发挥着关键作用。
地震勘探技术可以帮助确定海底地层中的油气储层位置和规模。
随着技术的不断进步，高精度的三维地震勘探能够提供更详细的地质结构信息，提高勘探的准确性和成功率。
在矿产资源方面，磁力探测和电磁探测技术有助于发现海底的金属矿床，为深海采矿提供前期的地质依据。
（三）水下考古水下考古是一门新兴的交叉学科，水下探测技术为其提供了重要的手段。
考古学家使用声呐、磁力仪和水下机器人等设备，对水下遗址进行定位、测量和勘查。
例如，在对古代沉船的研究中，通过声呐成像可以清晰地看到沉船的轮廓和分布情况，水下机器人则能够近距离拍摄和采集文物样本，为了解古代航海、贸易和文化交流提供珍贵的实物资料。
（四）军事领域在军事方面，水下探测技术对于潜艇的作战、反潜作战以及水雷战等具有重要意义。
声呐系统是潜艇和水面舰艇探测敌方潜艇和水下目标的主要手段。
主动声呐通过发射声波并接收回波来探测目标，而被动声呐则依靠接收目标自身发出的噪声来进行监测。
潜艇重力辅助惯性导航系统研究与仿真
重 力 辅 助 惯 性 导 航 系 统 （ｒｖｙａ ｅ ｎｒａ ｎｖ ａ ｏ ｇａｉ ｉ ｄｉｅ ｉ ａｉ ｔ ｎ ｔ ｄ ｔｌ ｇｉ
摘要： 从工 程 应 用 出 发 ， 过分 析 水 下 重 力测 量 的 各 种 误 差 源 ， 立 精 确 的 重 力 异 常 数 据 误 差 模 型 。 改 进 了匹 配 算 通 建
法， 并设计 了不同精度的一组惯性导航系统以验证重力辅助导航的可行性。结果 表明， 海洋 固体潮 、 海潮 、 海面地形
精度还有待提高， 运载体受海浪 、 洋流 、 潮汐 以及 导航误 差等 扰动因素影响 ， 有害重力扰 动往往 大于实际重力 变化幅度 ，
重 力辅 助 导航 手段 也 就 失 去 了意 义 。 目前 ， 者 较 多研 究 匹 学
配 算法 和理 论 ， 重 力 场 数 据 获 取 和 处 理 缺 少 系 统 的 分 析 。 对
式中 ： 日是大 地 纬 度 ； ， 别 是 赤 道 和 两 极 的 正 常 重 力 ， ｙ分
ｓｓ ｍ， Ａ Ｎ ） ｙｔ Ｇ Ｉ Ｓ 是一种利用地球 固有特 征信息 ， ｅ 通过 一定 的 数据匹配方法实现校正惯性导航系统 （ 导） 惯 累积误差 ， 从而 获取高精度位置信息 的 自主导航技术 。Ｇ ＩＳ主要 应用 于 ＡＮ
量 变 化 ， 种偏 差 就 是 重 力 异 常 。 显 然 ， 这 比力 矢 量 的 变 化 会 引 起 惯 导 中加 速 度计 输 出误 差 ， 而 引起 定 位 误 差 。 从 １ １ 纬 度误 差 补 偿 ．
基于多地球物理信息的水下地图匹配辅助惯导系统研究
并 分别介 绍 了海底 重力 辅助 导航 、海底 重力 辅助 导航 和地 磁辅 助 导航 的研 究现状 ， 建 立 基 于 多地
球 物理 信息 的水 下地 图匹配 辅助 惯性 导航 系统模 型 ，并分析 了多地 图匹配 的关键技 术 。
关 键词 ：水下 导航 ； 数 据 融合 ； 地 形 导航 ；地磁 导航 ；重力场 导航 中图分 类号 ： Ｐ ２ ２ ８ ． ４ 文 献标识 码 ：Ａ 文章 编号 ：（ ２ ０ １ ３ ） ０ ３ － ０ ５ ０ － ６
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ｗｅ ａ ｎ ｌｙ ａ ｚ ｅ ｎ ｏ ｗ ａ ｖ ａ ｉ ｌ ａ ｂ ｌ ｅ ｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ｗ ａ ｔ ｅ ｒ ｎ ａ ｖ ｉ ｇ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｐ ａ ｔ ｔ ｅ ｒ ｎ ｓ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｉ ｒ ｄ ｉ ｓ ａ ｄ ｖ ａ ｎ ｔ ａ ｇ ｅ ｓ ．Ｗ ｅ ｉ ｎ ｔ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｅ ｇ ｅ ｏ ｐ ｈ ｙ ｓ ｉ ｃ ａ ｌ ｉ ｎ —
密 闭舱 内 ， 能够 在远程 指控命 令 的触 发下 快速 升 至 水面 ， 部署 传感 器或 非 致命 性 武器 ，遂 行 战场 态 势 感 知 和干扰 、 欺 骗 和救 援 等支 援保 障任 务 。美 军 控 制这些 载荷 ， 将 能迅 速 建立 庞 大 的海 上 网络 。深 海 有利 于 Ｕ Ｆ Ｐ载荷 的 隐蔽和 贮存 ， 但 由于需要 受控 移 动 ，同时避 免 浮 出水 面 校 正 位 置 ，并 受 到 洋 流 运 动、 躲避 攻击 等 因素 的影 响 ， 需 要 进行 精 确 的水 下
海洋工程装备发展现状
海洋工程装备发展现状海洋工程装备是指专门用于进行海洋勘测、海洋建设、海洋资源开发等工作所需的设备和技术。
海洋工程装备的发展对于海洋经济的发展具有重要意义。
目前，海洋工程装备发展的现状主要有以下几个方面：首先，海洋勘测装备的发展取得了一定突破。
随着地球资源的竞争日益加剧，海洋资源勘探成为重点发展的领域。
现代海洋勘测装备已经具备了高精度、多功能、快速、安全的特点，如多波束测深仪、多波段航空遥感传感器等，大大提高了海洋资源的核算和开发能力。
其次，海洋建设装备的应用也取得了显著进展。
海洋建设是指为了满足海洋经济发展需要而进行的海洋基础设施建设，如码头、海堤、海洋牧场等。
现代海洋建设装备已经具备了高效、自动化、智能化的特点，如水下作业机器人、钢筋混凝土浇注机等。
这些设备的使用，不仅提高了工作效率，还减少了人工劳动的风险。
再次，海洋资源开发装备的研发和应用也取得了一定的进展。
海洋资源开发是指利用海洋中各类资源进行经济利用，如油气资源、矿产资源等。
现代海洋资源开发装备已经具备了高效、环保、安全的特点，如深海钻井平台、无人潜水器等。
这些装备的引入，不仅提高了开发效率，还减少了对海洋环境的破坏，促进了可持续发展。
最后，海洋环境监测装备的发展也非常重要。
随着海洋环境污染问题的严重性日益凸显，海洋环境监测成为保护海洋生态系统的重要手段。
现代海洋环境监测装备已经具备了高精度、实时监测的特点，如水质监测设备、海洋生物监测器等。
这些装备的应用，为科学管理和保护海洋环境提供了有力支持。
综上所述，当前海洋工程装备的发展已经取得了显著进展，但仍面临着一些挑战，如装备技术的更新换代、装备管理和维修的难题以及装备标准的统一等。
随着科技的不断进步和海洋工程装备的不断创新，相信未来海洋工程装备将会得到进一步的改进和完善，为海洋经济的发展做出更大的贡献。
重力梯度仪辅助惯导导航的误差分析
摘要 ： 究了重力梯度仪辅助惯导 的导航误差方程 ， 算某 区域重力 异常 、 线偏差 和二 阶的扰动重 力张量 ， 研 计 垂 并 在此 基 础 上 对 扰 动 重 力 补 偿 惯 导 系 统 误 差 进 行 了 仿 真 计 算 ， 无 重 力 梯 度 仪 辅 助 惯 导 的误 差 进 行 数 值 比 较 ， 与 结 果 表 明 采 用 重 力 梯 度 仪 辅 助 导 航 之 后 ， 动 重 力 引 起 的惯 导 误 差 有 了 明显 的改 善 。 扰 关 键 词 ： 力 梯 度 仪 ； 动 重 力 ； 导 ； 差 重 扰 惯 误
惯 导 系统 陀 螺 和加 速 度 计 技 术 的逐 渐 完 善 ， 使 得地球 扰 动重力 成 为 限制 惯 导 系统 精 度 的误 差 源 。 特别是 垂 线偏 差 引起 的水 平 扰 动 重 力 分 量 ， 产 生 会 发散 的惯 导误 差 ¨ ， 精 度 惯 性 导 航 系统 必 须 考 高
差 。如果 重 力梯 度 仪 与 惯 导安 装 在 同一 个 平 台 上 ， 则 即为惯 导 的姿 态角 。
对 于单 轴 的舒拉 回路 ， 斜 角有 ： 倾
＝ ＝
度 计配 置 的局 部 张 量 重 力 梯 度 仪 、 ｅ ｅｓａｅ的 Ｂ ｌ Ｇ ｏｐ ｃ ｌ
航空 ３ Ｄ全 张 量 重 力梯 度 仪 （ ｉ Ｆ Ｇ） Ａ Ｋ Ｘ 探 Ａｒ Ｔ 、 Ｒ ｅ — 测 重力 梯度 仪 （ Ｇ 以及 正 在 开 发 中 的斯 坦 福 大 Ｅ Ｇ） 学 原子 干 涉 重 力 梯 度 仪 、 ｅ ｅ Ｇ ｄ ｘ高 清 晰度 空 中重 力
海底地形测量技术的发展和应用展望
海底地形测量技术的发展和应用展望近年来，随着人类对地球深海环境的探索日益深入，海底地形测量技术得到了迅速发展。
本文将探讨海底地形测量技术的发展历程，并展望其未来的应用前景。
一、历史回顾人类对海底地形测量的追求可以追溯到19世纪。
当时，人们仅能通过绞盘拖着重物线，根据线的牵引力来了解海底地貌的大概形状。
然而，这种方法极为原始且有限，无法提供详细准确的测量数据。
在20世纪初，声纳技术的出现为海底地形测量带来了巨大的革命。
声纳技术通过发射声波并测量其返回时间来获取海底地形图像。
尽管声纳技术相对简单，但能够提供较高的分辨率和准确性。
然而，声纳技术的局限在于其测量深度受限以及对海底构造的分辨率较低。
二、新兴技术随着科技的不断进步，新兴技术为海底地形测量带来了翻天覆地的变化。
其中最重要的技术之一是多波束测量技术，它通过多个声纳束同时发射和接收来提高水下测量的精确度和效率。
这种技术可以生成高分辨率的海底地形图像，并减少沉船事故等水下事件的风险。
另一项具有巨大潜力的技术是潜水器及遥控无人潜水器（ROV）的应用。
这些设备通过悬挂声纳或激光扫描仪来获取更精确的海底地形图像。
同时，它们还能够搭载摄像机等设备，拍摄海洋生物和古代沉船等珍贵资料，为海底生态学和文化遗产保护研究提供有力支持。
大气和水下无线传感器网络技术也对海底地形测量起到了重要作用。
这些无线传感器网络可以实时监测海床地形的变化，提供基于数据感知的智能决策支持。
此外，采用海洋卫星和遥感技术，结合卫星定位系统（GNSS）和地面控制点测量技术，可以更全面、快速地获取大范围的海底地形数据。
三、应用展望未来，海底地形测量技术将在多个领域发挥着越来越重要的作用。
首先，它将对海洋资源开发起到关键性的支撑作用。
海底地形测量可提供精确的地形地貌数据，有助于海底油气资源勘探、海底矿产资源开发等。
此外，对深海地形的更全面、深入的了解，将为海洋生态保护提供重要的科学依据。
其次，海底地形测量技术的应用也将推动航海安全性的提升。
海洋测量的进展及发展趋势
文章编号:100723817(2009)0420025203中图分类号:P229 文献标志码:B海洋测量的进展及发展趋势赵建虎1 李娟娟1 李 萌2(1武汉大学测绘学院,武汉市珞喻路129号,430079;2湖北省电力建设第一工程公司,武汉市中山路388号,430061)摘 要 对海洋测绘的现状及最新进展进行了分析,并就其发展趋势给予了探讨。
关键词 海洋测绘;物理海洋测量;几何海洋测量 随着现代科技的发展和作业内容的延伸,海洋测绘在测量手段的现代化、立体化及学科交叉增强及学科界限模糊两个方面发生了深刻变革。
传统海洋测量仅局限于基于船载设备的点测量,如单波束测深系统,难以实现“面”扫测,新兴的海洋扫测系统如多波束和测深测扫声纳的出现,使水深测量这一基本工作实现了对海底的全覆盖扫测和呈现[1,2]。
同时,L IDAR系统、航空重磁力测量以及水深遥感的发展和应用,使海洋测量呈现现代化、立体化的态势[3,4]。
海洋测量内容随着工程需求的拓展,涉足领域越来越广[4]。
卫星遥感、扫测技术、水下摄影、水下电视等非接触式测量技术在海洋测量中的广泛应用,使得遥感技术与海洋测量密切相关。
基于声波的高精度水深测量和定位对水下波束的声速精度要求越来越高,风暴潮的频繁出现、潮汐潮位在现代海洋测量中的重要性日益增强等都决定了海洋水文与海洋测量密不可分;与海洋测绘相关的物理学、计算机学、电子学等与海洋测绘的交叉融合在海洋测量中越来越显著,这些不但改变了传统海洋测量的现状,也打破了已有海洋测绘的结构体系。
1 海洋测量的现状现代海洋测绘包含的内容十分广泛,按过程顺序分为测量、呈现和管理。
海洋测量按性质可划分为海洋物理测量和几何测量。
1.1 物理海洋测量物理海洋测量主要是对海洋底部地球物理场性质的测量。
应用物理学的测量手段,可调查海洋的地质构造和矿产分布。
主要测量方法有地震测量、重力测量、磁力测量、海底热流测量和海洋放射性测量及声学测量。
AUV协同导航定位算法研究
AUV协同导航定位算法研究AUV(自主无人水下车辆)是一种具有自主控制和导航定位功能的智能水下机器人。
在实际应用中，多个AUV之间需要协同工作，实现各自的任务目标。
协同导航定位算法是AUV协同工作的关键之一，在AUV探索和监测海洋环境、搜索和打捞等许多应用领域具有广泛应用前景。
本文主要介绍AUV协同导航定位算法的研究现状及关键技术。
AUV协同导航定位算法的研究现状AUV协同导航定位算法是当前AUV导航定位领域的研究热点之一。
目前已经有很多研究成果，主要包括三种方法：基于测距设备、基于机器视觉以及基于声纳的协同导航定位算法。
其中，基于测距设备的算法主要利用AUV上搭载的超声波、激光器等测距设备，进行相互距离测量，以确定各个AUV之间的位置关系。
这种方法实现起来简单，但对设备和环境的要求较高，且精度难以满足高精度要求。
基于机器视觉的算法是利用AUV上搭载的摄像头对周围的环境进行采集，经过处理后提取出目标物体的位置信息。
这种方法实现起来较为复杂，但对环境的要求较低，且可以实现较高的精度。
基于声纳的算法是利用AUV上搭载的各种传感器感知水下环境，根据声强数据实现声学跟踪，通过计算声反演得到AUV 之间的位置关系。
这种方法适用性较广，但需要处理大量的声数据，计算量较大，需要相对较高的计算能力。
关键技术协同导航定位算法的研究需要解决的关键技术包括：合理的多机构构型设计、协同目标检测及跟踪、多机构位置信息共享和整合等方面。
在多机构构型设计方面，需要考虑AUV间的距离、角度及相对于目标的位置等因素，以达到最佳的协同效果。
协同目标检测及跟踪需要实时提取目标的位置、速度、方向等信息，以便AUV之间实现协同导航。
多机构位置信息共享和整合需要实现AUV之间的信息交流，共同确定位置、速度和方向等信息，以实现精确的协同导航。
未来展望目前，AUV协同导航定位算法的研究还存在一些困难和挑战，如AUV间信号通信的实现、多机构的运动控制和路径规划、复杂环境下导航精度的提高等问题。
海洋技术深海长基线定位系统现状及展望
海洋技术I深海长基线定位系统现状及展望海洋约占地球表面积的71%,是地球上尚未被人类充分认识和利用的最大潜在资源基地。
在海底及海洋中，蕴藏着极其丰富的生物资源及矿产资源。
然而，在海洋中，超过2000m水深的深海区占海洋面积的84%。
因此，地球表面大部分是深海。
潜水器是潜入深海进行科学研究和调查作业必不可少的运载作业装备，它主要分为无人潜水器(UUV)和载人潜水器(HOV) o其中无人潜水器乂分为遥控无人潜水器(ROV)和自主式无人潜水器(AUV) o利用各类潜水器开展深海资源调查和科学研究不能忽略的一个重要问题是潜水器的水下定位问题，而海洋的介质环境决定了声比光和电磁波更适合作为水下定位技术的传播载体。
根据接收基阵基线长度来分类，水下声学定位技术可以分为长基线定位系统、短基线定位系统和超短基线定位系统3利-超短基线定位系统的优点是构成简单、操作方便、便于大范围机动作业等，但缺点是定位精度与深度有关，且定位结果山母船直接获得，水下载体则需要通过光缆/电缆或水声通信获得定位信息。
对于有缆的ROV,尚且能够做到较高的实时性，但对于无缆的AUV等，受限于声音传播速度、通信周期等，往往存在较大的延时。
长基线定位系统的优点是定位精度高（与作业深度无关）、实时性好（潜水器实时解算自身位置），缺点是需要投放信标阵列，设备和时间成本较高。
在深海作业支持领域，一些作业需要更精确的定位，这就需要长基线定位系统。
本文首先介绍了长基线定位的基本原理、系统组成和布阵原则，然后系统介绍了法国iXblue、挪威Kongsberg和英国Sonardyne等公司的3 款典型深海长基线定位系统，并分析了国内发展1W况，最后展望了深海长基线定位系统的发展趋势。
一、长基线定位系统1•基本原理在长基线定位系统中，被测水下载体上的问答机向各应答器发出询问信号，并接收各应答器的应答信号，通过信号传播时延差，列出解算方程，最终确定被测载体的三维位置坐标。
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第22卷 第1期地 球 物 理 学 进 展Vol.22 No.1
2007年2月(页码:104～111)PROGRESS IN GEOPHYSICSFeb. 2007
海洋重力辅助导航的研究现状与发展徐遵义1,2, 晏 磊2, 宁书年1, 邹华胜1(1.中国矿业大学(北京),北京100083;
2.北京大学遥感与GIS研究所,北京市空间信息集成与3S应用重点实验室,北京100871)
摘 要 海洋重力辅助导航是近几年舰船导航研究的热点和前沿问题,是下一代舰船高精度导航系统.本文在进行了一般性辅助导航方法的概述之后,详细介绍了与辅助导航相关的重力场基本概念、重力辅助导航系统的主要研究内容、基本原理;从重力传感器、重力图数据处理及重力图匹配理论与算法三个方面详细介绍了其国内外研究现状,
重点介绍了重力梯度仪辅助导航、重力辅助惯性导航和通用重力模块三种系统的体系结构和研究成果;总结了重力辅助导航涉及的关键技术及其发展趋势;最后给出了我国开展海洋重力辅助导航研究的若干建议.
关键词 重力传感器,重力导航,无源导航,卡尔曼滤波中图分类号 P3,TJ6 文献标识码 A 文章编号 100422903(2007)0120104208
Situationanddevelopmentofmarinegravityaidednavigationsystem
XUZun2yi1,2, YANLei2, NINGShu2nian1, ZOUHua2sheng1(1.ChinaUniversityofMining&Technology(Beijing),Beijing100083,China;
2.BeijingKeyLabofSpatialInformationIntegrationandItsApplications,PekingUniversity,Beijing100871,China
)
Abstract PassiveGravityAidedNavigation(GAN)systemisanewtypeoneunderwater,whichhasbeenresearchedforseveralyearsasnewsubmarineprecisionnavigationsystem.Inthispaper,weintroducethemainresearchcontentandthebasicprincipleofGAN,thesituationanddevelopmentofthegravitysensor,digitalmapprocessingandmatc2hingtheoryinhomeandabroad,especiallythearchitectureandtheresearchresultsofGradiometerAsanExternalNavigationAid(GAEA),GravityAidedInertialNavigationSystem(GAINS)andUniversalGravityModule(UGM).Atlast,thekeytechnologiesandsomeproposalsaregiven.
Keywords gravitysensor,gravitynavigation,passivenavigation,kalmanfilter
收稿日期 2006203210; 修回日期 2006206220.
基金项目 国家安全重大基础研究项目(513060301)资助.
作者简介 徐遵义,1969年12月,男,汉族,山东济宁人,博士生,主要研究方向计算机仿真、地球探测与信息技术,中国矿业大学(北京);
晏磊,1956年10月,男,湖北武汉人,教授,博士生导师,主要研究方向导航与自动控制,北京大学遥感与GIS研究所.(E2mail:
zunyixu@sohu.com)
0 引 言目前,水下运载体的主要导航系统普遍采用惯性导航系统(InertialNavigationSystem,INS),为减少INS定位误差随时间积累的问题,人们研究设计了多种辅助导航方法,定期对INS进行修正,常用的有天体辅助导航、无线电辅助导航(如GPS)、声纳辅助导航、地形辅助导航等,但上述辅助导航手段均要牺牲水下运载体的隐蔽性,使其安全受到威胁,有的还要额外消耗水下运载体的大量能量.重力辅助导航是利用重力传感器测量地球重力场,根据地球重力场的变化进行定位,不需要发射和接收其它电磁信号,是真正的无源导航,成为近年舰船导航领域研究的热点和前沿
1 重力辅助导航的基本原理重力场是一种力场,存在于地球表面及其附近1期徐遵义,等:海洋重力辅助导航的研究现状与发展的空间,通常用重力位面(又称等位面或水准面)来描述,处于平均海平面的重力位面称为大地水准面,用于辅助导航的重力场几何参数有垂线偏差、重力异常和重力梯度[1].垂线偏差又称重力垂线偏差,是大地水准面上某点的重力方向与通过该点到正常椭球面的法线方向之间的夹角,通常用ξ(南北分量)和η(东西分量)表示;重力异常是指大地水准面上某点的重力与该点在正常椭球面投影点处的正常重力之差,通常用Δg表示,标准计量单位为伽(Gal,1Gal=10-2m/s2,1Gal=103mGal=106μGal).重力异常梯度张量与扰动重力位有关.扰动重力位是指同一点上地球重力位与正常位之差,通常用T表示,即T=W-U,(1)式中W为重力位,U为正常重力位.重力扰动向量Ti和重力异常梯度张量Tij在采用东、北、地的导航坐标系中定义为[2,3]Ti=5T5x5T5y5T5z=-g0ξ-g0ηΔg,(2)Tij=52T5x252T5x5y52T5x5z52T5y5x52T5y252T5y5z52T5z5x52T5z5y52T5z2.(3)重力梯度的单位为艾维(E或EU,1E=10-9/s2,1E=10-4mGal/m=10-1μGal/m).在INS中,陀螺稳定平台上的加速度计测量的是比力,即惯性加速度与重力向量之差,为了区分载体运动的惯性加速度和重力加速度,惯性导航仪器必须有重力场的数学模型,传统INS重力计算如图1所示[12].目前,重力异常是高性能INS的最大剩余误差,对于水面舰船,重力异常分量约有30～50mGal的偏差.因此,为了提高INS的精度,除不断改进重力场数学模型外还希望能实时测量舰船所在位置的重力场值.图1 传统惯性导航系统中重力的计算Fig.1 GravitycomputationinaconventionalInertialnavigationsystem重力辅助导航系统的基本原理[4～5]是:载体在运动过程中,重力传感器实时测量重力特征数据;同时,根据INS的位置信息,从重力图中读取重力数据;将这两种数据送给匹配解算计算机,利用匹配解算软件进行解算,求得最佳匹配位置.利用该信息对INS进行校正,可起到抑制INS误差,提高导航精度的作用.重力图形匹配导航系统通常由INS、重力图库、重力传感器和匹配解算计算机等组成,如图2
所示.重力辅助导航的主要研究内容包括动基座重力仪、重力梯度仪的设计与制造,重力场模型和重力数据处理,重力图匹配理论与匹配算法以及各种系统误差的校正理论与方法.
重力辅助导航方式之一是利用水下运载体上安装的测深仪和重力计为测量设备,根据实时获得的重力异常与载体上保存的重力异常海图进行匹配[10],利用扩展卡尔曼滤波实时估计载体位置,其
度量函数为:
y1=G(xt,yt)-GM(xi,yi),(4)式中,G(xt,y
t)为水下运载体在真实位置(xt,yt)处
重力异常测量值,G
M(xt,yt)为与(xt,yt)对应的
INS指示位置(xt,yt)处重力异常地图值,由于y1与位置(x,y)是非线性关系,可利用泰勒级数展开,
或者将其进行线性近似为y1=h(x,y)+ε,(5)式中,ε为测量和海图等模型误差,则有
y1≈5G
M(x,y)
5x
|
x=xi
×Δx
i
+5G
M(x,y)
5y
|
y=yi
×Δy+ε.(6)
图2 重力辅助导航系统Fig.2 Gravityaidednavigationsystem(GANS)
501地 球 物 理 学 进 展22卷重力辅助导航方式之二是根据水下运载体单轴或三轴安装的重力梯度仪实时获取的重力梯度值与载体上保存的重力梯度图进行匹配[11],利用扩展卡尔曼滤波进行各种导航误差的估计.重力梯度测量如图3所示,当|δR|远远小于重力变化最短波长(w)时,TTij-Tij=-δR×Tijk.(7)考虑到各种误差,测量方程为TIij-TMij≈CIN[-TMijk×δR+TRij]+TGij,(8)式中,TIij重力梯度实时测量值,TMij与TIij对应的海图值,CIN为重力梯度仪坐标系到导航坐标系变换余旋矩阵,-TMijk海图上重力梯度导数值,δR位置误差,TRij重力梯度海图误差,TGij重力梯度计误差.图3 重力梯度测量误差示意图Fig.3 Gravitygradientsurveyerrorschematicdiagram 在安装有重力仪、重力梯度仪的系统内,不仅可以进行重力异常、重力梯度的直接匹配,而且还可以利用重力梯度实时计算重力异常和垂线偏差,在卡尔曼滤波器中进行速度误差的估计.2 重力辅助导航系统的研究现状从目前公开发表的文献可知,重力辅助导航的研究始于20世纪70年代美国海军的一项绝密军事计划,其目的是提高三叉戟弹道导弹潜艇性能.在美国海军的支持下陆续参加此项研究工作的主要单位有AnalyticSciencesCorporation、BellAerospaceCompany、CharlesStarkDraperLaboratory(CS2DL)、HughesResearchLaboratories和LockheedMartinFederalSystemInc等.重力梯度仪早在1880年就由BaronRolandVonEotvos研制出来,但无法应用在运动基座上,如潜艇、飞机等.二十世纪70年代中期美国Hughes、Draper实验室和BellAerospaceTextron分别研制出三种不同类型的精度为1E的重力梯度仪实验室样机:旋转重力梯度仪、液浮重力梯度仪和旋转加速度计重力梯度仪;80年代初Maryland
大学研制出了精度为0.01E的单轴超导重力梯度仪实验室样机,同时开展超导重力梯度仪研究的单位还有:美国BendixfieldEngineering、Stanford大学、SmithsonianAstrophysicalObservatory(SAO
)、SperryDefenseSystem,意大利
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