重力梯度敏感器加速度计组件垂向角度安装误差标定方法与流程

本发明属于重力梯度敏感器加速度计的标定，具体涉及一种重力梯度敏感器加速度计组件垂向角度安装误差标定方法。

背景技术：

1、旋转加速度计式重力梯度仪是对地球表面微小重力梯度变化进行连续测量的仪器。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，加速度计输出与重力梯度张量分量之间的关系可表示为：

2、(a1+a3)-(a2+a4)＝4γuvlsin2ωt+4γxylcos2ωt…………………(1)

3、式中a1、a2、a3、a3是四个加速度计的输出，l是加速度计检测质心到旋转中心的距离，γuv、γxy是重力梯度张量对应方向的分量ω是敏感器的旋转角频率。将系统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γuv和γxy。

4、重力梯度敏感器中的各只加速度计敏感轴垂向角度安装误差如图2所示，该安装误差会在动态条件下与载体垂线运动相耦合，形成重力梯度敏感器测量误差，记asum＝(a1+a3)-(a2+a4)，则有：

5、δasum,az＝az·[(β1+β3)-(β2+β4)]…………………………(2)

6、式中δasum,az是由载体垂向运动引起的重力梯度敏感器测量误差，az是载体垂向线加速度，βi(i＝1,2,3,4)是第i只加速度计敏感轴的垂向角度安装误差。结合式(1)和式(2)可知，载体垂向运动中的2ω频率分量，与加速度计组件垂向角度安装误差(β1+β3)-(β2+β4)相耦合，形成重力梯度测量误差。因此在重力梯度数据处理中，需要利用重力梯度仪惯性稳定平台中垂向加速度计测量得到的载体垂向加速度，结合加速度计组件垂向角度安装误差，进行载体垂向运动误差补偿。对式(2)进行全微分，同时记βsum＝(β1+β3)-(β2+β4)，得到：

7、dδasum,az＝βsum·δaz+az·δβsum………………………………(3)

8、式中dδasum,az为δasum,az的全微分函数，是垂向运动补偿的残余误差，δaz和δβsum分别表示载体垂向加速度az和加速度计组件垂向角度安装误差βsum的标定误差。由于重力梯度信号通过机械旋转的方式调制在敏感器测量信号的2ω频率分量上，加速度计在2ω频率分量上的测量精度约为水平，通过对加速度计敏感轴精密装调，可将加速度计组件垂向角度安装误差控制在0.5′以内，即||βsum||≤0.5′，由此可计算载体垂向加速度测量误差产生的重力梯度垂向运动补偿残余误差在0.5e水平，可忽略不计。某次重力梯度船载测量实验中，载体垂向加速度的时域图和频域图如图3所示，其在2ω频率分量上的幅值约为量级，以敏感器旋转半径100mm和滤波时间100s计算，为使垂向运动补偿的残余误差控制在10e水平，需要加速度计组件垂向角度安装误差的标定精度δβsum控制在0.5″以内，这对于高精度重力梯度动态测量造成了严峻挑战。

9、现有的加速度计组件垂向角度安装误差标定方法是利用加速度计输出敏感倾斜状态下的重力加速度分量，当由于加速度计输出噪声时域峰峰值在1×10-5g水平，其等效的一只加速度计敏感轴垂向安装误差精度为2″，四只加速度计安装误差和为4″，当高精度重力梯度动态测量对敏感器加速度计组件垂向角度安装误差的标定提出了0.5″精度要求，现有标定方法受限于加速度计时域噪声，无法实现该精度水平的标定。因此，需要一种新型重力梯度敏感器加速度计组件垂向角度安装误差标定方法，对该安装误差实现高精度标定，最终提高敏感器的重力梯度测量精度。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术的不足，提出一种可有效提高了标定精度的重力梯度敏感器加速度计组件垂向角度安装误差标定方法。

2、本发明的上述目的通过以下技术方案来实现：

3、一种重力梯度敏感器加速度计组件垂向角度安装误差标定方法，包括如下步骤：

4、步骤1、将旋转加速度计式重力梯度敏感器固定安装在垂向线振动台上，启动敏感器，等待敏感器输出信号稳定；

5、步骤2、控制垂向振动台进行频率为f1＝2ω、幅值为a1＝0.05g的定频振动，同步采集重力梯度装置四只加速度计组合的输出信号p1，其中，ω是指敏感器的旋转角频率，g就是重力加速度，1g＝9.8m/s2；

6、步骤3、对振动状态下的输出信号p1进行频谱分析，即傅里叶变换，提取振动频率f1上的幅值s1；

7、步骤4、计算此次重力梯度敏感器加速度计组件敏感轴垂向角度安装误差的标定结果，见下式：

8、

9、步骤5、改变振动频率和或幅值，重复步骤(2)—步骤(4)n-1次，求出n-1个安装误差的标定值，记为

10、步骤6、按照下式计算重力梯度敏感器加速度计组件敏感轴垂向角度安装误差的最终标定结果：

11、

12、式中，是重力梯度敏感器加速度计组件敏感轴垂向角度安装误差的最终标定结果。

13、而且，步骤2中，振动时间不小于200s。

14、而且，步骤5中，n≥7。

15、而且，步骤5中，在频率选择方面，振动频率在2ω附近以0.05hz为间隔变化，至少选取5个振动频率；在振幅选择方面，根据重力梯度测量时载体的垂向运动大小选择。

16、而且，步骤2中的ω＝0.25hz，则步骤5中选择的频率有0.4hz、0.45hz、0.5hz、0.55hz、0.6hz；当重力梯度测量时载体为船舶时，选择的振幅有0.05g、0.1g和0.2g。

17、本发明具有的优点和积极效果为：

18、1、本发明提出的基于振动调制的敏感器加速度计组件垂向角度安装误差标定方法，通过振动调制的方法将时域投影在频域，从而有效提高了标定精度，较常规的利用加速度计输出敏感重力倾斜分量的方法，标定精度提高一个数量级以上。

19、2、本发明利用垂向线振动台将重力梯度敏感器进行特定频率特定幅值的垂向振动，将加速度计组件垂向角度安装误差调制到特定的频率上，在对加速度计组合信号的输出进行频谱分析，特定频率上的频谱幅值与振动幅值的比值即是加速度计组件垂向角度安装误差的标定结果，可在不对现有重力梯度敏感器进行结构调整的情况下仅通过改变垂向振动的幅值和频率即可对标定结果进行重复性验证。

技术特征：

1.一种重力梯度敏感器加速度计组件垂向角度安装误差标定方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的重力梯度敏感器加速度计组件垂向角度安装误差标定方法，其特征在于：步骤2中，振动时间不小于200s。

3.根据权利要求1所述的重力梯度敏感器加速度计组件垂向角度安装误差标定方法，其特征在于，步骤5中，n≥7。

4.根据权利要求1所述的重力梯度敏感器加速度计组件垂向角度安装误差标定方法，其特征在于，步骤5中，在频率选择方面，振动频率在2ω附近以0.05hz为间隔变化，至少选取5个振动频率；在振幅选择方面，根据重力梯度测量时载体的垂向运动大小选择。

5.根据权利要求1所述的重力梯度敏感器加速度计组件垂向角度安装误差标定方法，其特征在于，步骤2中的ω＝0.25hz，则步骤5中选择的频率有0.4hz、0.45hz、0.5hz、0.55hz、0.6hz；当重力梯度测量时载体为船舶时，选择的振幅有0.05g、0.1g和0.2g。

技术总结
本发明涉及一种重力梯度敏感器加速度计组件垂向角度安装误差标定方法，利用垂向线振动台将重力梯度敏感器进行特定频率特定幅值的垂向振动，将加速度计组件垂向角度安装误差调制到特定的频率上，在对加速度计组合信号的输出进行频谱分析，特定频率上的频谱幅值与振动幅值的比值即是加速度计组件垂向角度安装误差的标定结果。本发明可在不对现有重力梯度敏感器进行结构调整的情况下仅通过改变垂向振动的幅值和频率即可对标定结果进行重复性验证；本发明通过振动调制的方法将时域投影在频域，有效提高了标定精度。

技术研发人员：李达,李城锁,高巍,李瑞,宋丽薇
受保护的技术使用者：中国船舶集团有限公司第七〇七研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23