国防科技大学?光学工程学科专刊:基于二维激光多普勒测速仪的捷联式车载自主重力测量方法(特邀)

   2024-01-30 1190
核心提示:国防科技大学?光学工程学科专刊:基于二维激光多普勒测速仪的捷联式车载自主重力测量方法(特邀)

编者按

2023年,国防科技大学迎来了办学70周年。为推动创新驱动发展战略,全面展现国防科技大学光学工程学科建设发展的重要成果,中国光学工程学会会刊《红外与激光工程》在芙蓉迎夏的6月与国防科技大学联合出版“国防科技大学?光学工程学科专刊”,并特邀国防科技大学前沿交叉学院的魏国副研究员为专刊撰写“基于二维激光多普勒测速仪的捷联式车载自主重力测量方法” 研究论文,文中提出了一种基于捷联惯导系统/二维激光多普勒测速仪(Laser Doppler Velocimeter, LDV)组合的车载重力测量方式,并通过车载重力测量实验对系统精度进行了验证。

撰稿人:魏国,杨泽坤

论文题目:基于二维激光多普勒测速仪的捷联式车载自主重力测量方法(特邀)

作者:魏国,杨泽坤,高春峰,周健,于旭东,罗晖,邓斌,周文健,程嘉奕

完成单位:国防科技大学 前沿交叉学科学院;国防科技大学 南湖之光实验室

导读

重力场作为地球的基本物理场之一,反映了地球内部物质的分布、运动和变化,在资源勘探、军事应用以及空间科学研究等方面具有重要的应用价值。根据相关研究表明,对于射程为1万公里的战略导弹,由地球重力异常引起的导弹落地点偏差可达2~3公里,可见构建地球重力场精细结构分布数据库具有重要的战略意义。而我国目前仍存在大量的重力空白区和重力少点区,这些地区大部分环境恶劣,现有的常规测量手段无法实现高精度重力测量。
在众多重力测量方式中,地面重力测量主要用于地球重力场局部精细化构建,可以分地面静态重力测量和地面动态重力测量。与静态重力测量相比,车载连续动态重力测量具有成本低、效率高,是目前主流的地面重力测量方式。在丛林、隧道以及高楼林立等特殊的地面重力测量环境中,传统的车载动态重力测量会面临全球导航定位系统(GNSS)信号丢失导致的测量精度急剧下降的问题。团队提出一种基于捷联惯导系统(SINS)/二维激光多普勒测速仪(LDV)组合的车载自主重力测量方法,该系统不仅可以保证重力测量的精度,又可以实现动态自主重力测量,具有显著的工程优势。
图1 特殊的地面重力测量环境。(a) 丛林;(b) 隧道;(c) 高楼林立

研究背景

激光多普勒测速仪作为一种采用多普勒效应的光学仪器,具有非接触测量、测量精度高、自主性好以及动态性能好等优点,同时二维激光多普勒测速仪可以敏感垂向速度变化,目前团队所在单位研制的二维激光多普勒测速仪精度可达0.05%里程。针对SINS/GNSS车载动态连续重力测量对GNSS信号质量要求较高,测量系统需要工作在GNSS差分状态且信号非拒止环境中,对测量区域的适用范围有限的问题。
图2 二维激光多普勒测速仪
团队基于多年对惯性导航系统及高精度激光测速仪的相关研究,将二维激光多普勒测速仪用于车载动态重力测量中,代替差分GNSS,为惯导系统提供垂向扰动加速度的参考基准,实现了GNSS拒止情况下的车载动态自主连续重力测量。

主要内容

在传统的SINS/GNSS组合重力测量系统中,为了抑制SINS的误差发散,GNSS提供的是大地坐标系下的位置信息。而在SINS/LDV组合方式中,LDV提供的是载体对地速度,为了抑制SINS的误差发散,需要将对地速度经过姿态转换得到导航坐标系下的速度,因此SINS/LDV组合重力测量系统的误差模型与传统的系统误差模型存在差异。团队建立了SINS/LDV组合重力测量系统的误差模型,对惯导系统姿态和测速仪速度进行了解耦,对组合系统的各项指标进行了分析,给出了系统重力测量的数据处理方法。
图3 SINS/LDV组合重力测量系统的数据处理步骤
在理论和仿真分析的基础上,设计了重力测量跑车实验。采用本单位自研的激光陀螺捷联惯导系统和二维激光多普勒测速仪搭建SINS/LDV组合重力测量系统,同时搭载了差分GPS,采用SINS/GNSS组合重力测量系统作为对比。

图4 车载动态重力测量实验设备示意图

为了充分验证SINS/LDV组合系统的自主性和环境适应性,实验地点选择在GNSS信号部分拒止环境当中,实验轨迹如图5所示。实验地点在湖南省长沙市黑麋峰,实验路径由山脚行驶至山顶往复,整个路径被丛林覆盖,差分GPS信号受遮挡明显。

图5 实验轨迹
图6的实验结果中,基于SINS/LDV组合重力测量系统的六条测线变化趋势比较一致,而SINS/GNSS组合重力测量系统的六条测线变化趋势差别较大,尤其是GNSS受遮挡较为严重的测线3和测线5,重力测量精度明显下降。
图6 重力异常测量结果。(a) SINS/LDV组合重力测量系统;(b) SINS/GNSS组合重力测量系统

内符合精度评定结果中,基于SINS/LDV组合重力测量系统的单条测线内符合精度误差最大值为1.05mGal,总内符合精度优于1mGal;而基于SINS/GNSS组合重力测量系统的单条测线内符合精度误差最大值为2.46mGal,总内符合精度误差为1.53mGal。SINS/LDV组合重力测量的内符合精度相比SINS/GNSS组合系统提高了约54%,说明在林地、山路等测量环境下,SINS/LDV组合系统在重力测量方面有显著优势。

表1 重力测量系统内符合精度(单位:mGal)

结论

团队采用二维激光多普勒测速仪与惯导组合的方式,实现了无GNSS情况下的车载连续自主重力测量,有效弥补了目前车载重力测量对GNSS信号的严重依赖。相关研究成果为GNSS拒止环境下的车载重力测量提供了技术支撑,解决了丛林、隧道等特殊下的地质勘探、重力匹配以及地球局部重力场的难题。未来相关技术还可进一步拓展,随着水下用激光多普勒测速仪的逐步成熟,有望实现水下潜器的自主连续动态重力测量。

作者简介


魏国,博士,国防科技大学前沿交叉学科学院副研究员,硕士生导师,国防科技大学卓越青年人才。长期从事光电惯性技术领域教学与科研工作,主持和重点参与国家自然科学基金、共用技术基金、综合计划研究以及湖南省科技重大专项等多个项目,突破了基于激光陀螺惯性导航系统的高精度自主导航诸多关键技术,同时开展惯性测量技术、组合导航技术在民用领域的应用研究;担任《红外与激光工程》青年编委,授权发明专利8项。发表论文40余篇,出版专著1部。


高春峰,博士,国防科技大学前沿交叉学科学院副研究员,硕士生导师,主要从事光电惯性技术及组合导航技术研究。主持、承担国家自然科学基金等10余项,发表科研学术论文40余篇、授权国家发明专利10余项。


杨泽坤,国防科技大学硕士研究生,主要从事激光陀螺在惯性导航与制导中的应用,参与国家自然科学基金等多个项目。

文章信息

魏国, 杨泽坤, 高春峰, 周健, 于旭东, 罗晖, 邓斌, 周文健, 程嘉奕. 基于二维激光多普勒测速仪的捷联式车载自主重力测量方法[J]. 红外与激光工程. doi: 10.3788/IRLA20230174

全文链接:http://irla.cn/cn/article/doi/10.3788/IRLA20230174(阅读原文)

End

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文章转载自微信公众号:光电e+

 
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