Механика, управление и алгоритмы обработки в инерциально-гравиметрическом аэрокомплексе

• Автор: Смоллер, Юрий Лазаревич
• Шифр специальности: 01.02.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 84 с. : ил.

Содержание
1. Введение
2. Особенности построения инерциального модуля
2.1. Механика и функциональная схема
2.2. Учет смещения антенны спутникового приемоиндикатора в алгоритмах обработки
3. Бортовые навигационные алгоритмы недемпфированной, гироскопической системы
3.1. Используемые обозначения
3.2. Навигационная модель геометрической формы Земли и ее поля тяготения.
Г еографические координаты
3.3. Системы координат. Матрицы ориентации
3.4. Основное гравиметрическое уравнение. Содержание задачи авиационной гравиметрии
3.5. Модельные уравнения двухкомпонентной горизонтируемой гироскопической системы
4. Задача коррекции в постобработке и ее информационное обеспечение
4.1. Модели уравнений ошибок для приборного трехгранника
4.2. Динамические уравнения ошибок
4.3. Линеаризованные уравнения скоростных измерений для коррекционной задачи
4.4. Модели уравнений ошибок для абсолютно свободного модельного трехгранника
4.5. Коррекционная модель задачи
5. Бортовые навигационные алгоритмы демпфированной гироскопической системы.
5.1. Модификация коррекционной модели задачи при использовании алгоритма демпфирования вертикали
5.2. Учет перекрестных связей с вертикальным движением
6. Имитационная модель для отработки алгоритмов навигации и коррекционных задач постобработки.
7. Предполетная калибровка инструментальных погрешностей
7.1. Определение уходов гироскопов
7.2. Определение неперпендикулярности оси чувствительности гравиметрического чувствительного элемента плоскости платформы
8. Экспериментальные исследования
8.1. Начальная выставка гироскопической системы
8.2. Исследование точности оценивания наклонов гироплатформы на неподвижном основании
8.3. Исследование схемы управления гироплатформой в процессе полета и точности оценивания наклонов гироплатформы в постобработке
8.4. Некоторые результаты летных испытаний
9. Заключение
10. Список литературы

1. Введение
Актуальность темы диссертации и современное состояние исследований.
Задачей аэрогравиметрии является измерение аномалии силы тяжести на траекториях полетов летательного аппарата-носителя. Полученные данные служат основой для построения карт гравитационных аномалий. Подобные карты используются при разведке полезных ископаемых, в частности нефти и газа. Аэрогравиметрия является наиболее производительным и дешевым методом гравиметрических исследований, позволяющим проводить измерения в труднодоступных районах Земной поверхности, а также в шельфовой зоне морей и океанов.
Гравиметрическая съемка на подвижном основании требует высокоточного измерения гравиметрическим чувствительным элементом вертикальной удельной силы и выделение из ее состава аномалии силы тяжести на фоне инерциальных помех, вызванных вертикальными перемещениями объекта и горизонтальным его движением по вращающейся Земле (эффект Этвеша).
Основной сложностью задачи аэрогравиметрии в отличие, например, от морской гравиметрии, является то, что из-за высокой скорости летательного аппарата спектр измеряемых аномалий пересекается со спектром возмущающих ускорений. Поэтому задача выделения из показаний гравиметрического элемента аномалии силы тяжести не может быть решена только методами фильтрации. Становится необходимой использование прецизионной (порядка первых единиц сантиметра) внешней информации о высоте полета.
Первые попытки гравиметрических съемок с самолета проводились в СССР и США в 1959-1960 гг. Использовались перезатушенные кварцевые и струнные гравиметры (СССР) и морской гравиметр Ла Коста-Ромберга (США), которые помещались в карданов подвес. Траектория полета самолета замерялась навигационной системой, высота - радиовысотомером и баровысотомером. Сравнение измеренных значений силы тяжести с редуцированными на высоту полета наземными определениями показало, что среднеквадратическая погрешность при осреднении на нескольких минутах составляет 6-8 мГал, что явно недостаточно для практических применений.
В начале 90-х годов произошло качественное изменение в авиационной, инерци-альной гравиметрии. Можно констатировать, что с начала 90-х годов начался активный этап разработки и внедрения в гравиметрическую практику промышленных авиационных гравиметрических систем. Это связано в основном с полноценным развертыванием высокоточной спутниковой навигационной системы GPS с достаточным числом навигационных спутников, равномерно покрывающих Земную поверхность. Так, с 8 декабря 1993г. постоянно функционирует штатная группировка из 24-х навигационных спутников GPS. Налажен серийный выпуск малогабаритных прецизионных многоканальных двухчастотных спутниковых приемоиндикаторов. Разработано программное

обеспечение, решающее задачу высокоточного позиционирования при помощи дифференциальных фазовых измерений.
Одним из индикаторов актуальности авиационной гравиметрии служит большое число научных публикаций и международных конференций по этой тематике. Среди конференций выделим [104], [98]. Материалы этих конференций (особенно [104]) очерчивают весь крут научно-технических проблем, возникающих при проектировании, эксплуатации и обработке данных авиационных гравиметрических систем.
В настоящее время авиационная гравиметрия вышла на производственный уровень, что подтверждается геофизическими исследованиями территорий Гренландии, Швейцарии и части Антарктиды [92], [94], [103]. Западные коммерческие компании (Carson, Fugro, Sanders), занимающиеся разработкой проектов в области аэросъемок, предлагают свои услуги. В благоприятных условиях точность 1-3 мГал при 60 - 90 с осреднения подтверждена экспериментально.
В России разработкой авиационных гравиметрических систем занимаются несколько коллективов:
1. Научно-технический центр "Инерциальная техника" при МГТУ им. Баумана.
С 1992 г. этот коллектив работает в тесном сотрудничестве с Университетом
г. Калгари, Канада. Ядро разработанного гравиметрического комплекса составляет российская инерциальная навигационная система И-21 платформенного типа. Летные испытания проводились в 1994-1997гг. в Канаде [79]. Указанная в [79] точность составляет ~1 мГал при 60 сек осреднении.
2. ВНИИГеофизики - Аэрогеофизика. В 1970-х гг. А.М. Лозинской был создан аэрогравиметрический комплекс "Гравитон", содержащий струнные гравиметры с жидкостным демпфированием чувствительной массы, струнные акселерометры и измерители вертикальной скорости. В 90-х гг. этот комплекс был доработан под новые возможности микропроцессорной техники. В декабре 1995г. и январе 1996г. были проведены первые летные испытания авиационного гравиметрического комплекса разработки ВНИИГеофизики, Московского института электромеханики и автоматики (в части инерциальной системы Л-41) на носителе - вертолете Ми-8. Обработкой гравиметрических данных независимо занимались два коллектива: ВНИИГеофизики и МГУ - лаборатория управления и навигации. Достигнутая точность позволила сделать главный вывод о принципиальной возможности создания авиационной гравиметрической системы с нужными точностными характеристиками.
В июле-августе 1999 г. впервые в России была проведена полномасштабная площадная съемка на самолете АН-26. Использовались струнные гравиметры разработки ВНИИГеофизики, инерциальная система Л-41. Обработкой гравиметрических данных независимо занимались два коллектива: ВНИИГеофизики и МГУ - лаборатория управления и навигации. Были получены одинаковые по точности результаты: ~1 мГал при 90 сек осреднения.
3. МИЭА - МГУ. В 1996 - 1999 гг. проведены работы по разработке гравиметрической системы, использующей в качестве гравиметров доработанные серийные рос-

4.3. Линеаризованные уравнения скоростных измерений для коррекционной задачи
Относительные скорости
Уравнения скоростных измерений таковы:
Здесь отметим, что попытка сформировать измерение Zг7дr приводит, в силу определения утла Я-' (3.41), к тождеству:
4.4. Модели уравнений ошибок для абсолютно свободного модельного трехгранника
В данном разделе кратко описываются уравнений ошибок для случая, когда модельные уравнения гироскопической системы записываются в осях имитируемого абсолютно свободного трехгранника.
Напомним, что имитируемый модельный трехгранник Муа с абсолютно свободной ориентацией в азимуте определяется таким образом:
ХуЕ = V' - V®" = У,' соэ К' - У2 віп К' - =
= 5Уг со5 К' - 5Уг яш К' - 5КУ&$ -гУд, = V; - V®“ = V,' зіп К' + V' соз К' - У*Г = = Ж, він К'+ Ж, совК' + ЖУ®’5-АУ*>”
± і с. до
(4.26)
Абсолютные скорости
= *, сое К' - *2 вій К' - ЖУМ - ЛУ?
(4.27)
= Щ ЗІП К' + 1}'2 сое к’ - V *''5 а 0 =
(4.28)
= 5сг эт К' + соэ К' - ЗКУГ -АУ®” = О
1 4 С ДО
Для режима навигации в неподвижной точке, соответственно, имеем:
=УЕ = <5У1 сояК.' -дУ2 яшК'
= = ^ПК + ^2 С05&
ZVE мКЕ СОЯ^* = С05Я' - <$?2 ЯШ я'
(4.29)