高精度海洋重力仪误差分析及数据处理方法研究

摘要

无源重力导航系统是高精度惯性导航的发展趋势之一。目前世界上只有美国、俄罗斯和法国拥有无源重力导航系统技术，并广泛地应用于最先进的测量船、核潜艇和飞机惯导中，而我国在此领域研究甚少。该系统的核心技术之一是“高精度重力仪技术”，为此，结合“十五”国防科技预研项目进行了“高精度海洋重力仪误差分析及数据处理方法”研究，本文主要进行了以下几个方面的研究工作：
　　 (1)分析了当前国内外高精度海洋重力仪的结构和性能。本海洋重力仪设计方案采用将石英振梁式重力传感器安装在方位捷联陀螺稳定平台上。
　　 (2)分析了高精度海洋重力仪方位捷联陀螺稳定平台系统的结构，建立了平台横摇环、纵摇环的绝对运动角速度表达式；根据组成方位捷联陀螺稳定平台稳定回路的陀螺仪、信号传感器、放大校正回路、力矩电机和环架系统的传递函数建立了方位捷联陀螺稳定平台动力学方程；首次建立了无阻尼方位捷联陀螺稳定平台不水平引起重力传感器测量误差方程，并进行了仿真模拟实验：为克服振荡周期对高精度海洋重力仪测量系统的影响，在方位捷联陀螺稳定平台水平回路中加入阻尼，首次给出了水平阻尼方位捷联陀螺稳定平台不水平引起重力传感器测量误差方块图和仿真模拟实验结果。
　　 (3)分析了双音叉石英谐振器和石英振梁式重力传感器的工作原理，给出双音叉石英谐振器的谐振频率公式和石英振梁式重力传感器输出差动频率公式；从石英振梁式重力传感器原理、测频电路、输出差动频率线性化、加工工艺四个方面分析了石英振梁式重力传感器输出频率误差，理论分析和误差计算表明：该石英振梁式加速度计能满足高精度海洋重力仪的方案设计要求。
　　 (4)研究了基于估计理论的高精度海洋重力仪实时滤波技术和测量值修正方法。采用基于估计理论的实时滤波方法都必须知道高精度海洋重力仪测量系统的系统方程，但该测量系统的物理方程难以建立，本文提出根据高精度海洋重力仪输出数据的数学模型(AR模型)来逼近高精度海洋重力仪测量系统的系统方程：针对特定的AR模型，研究了基于估计理论的自适应卡尔曼滤波和H∞滤波，并针对系统噪声和量测噪声分别为白噪声和相关噪声的情形进行了仿真对比实验；本文还分析了厄特弗斯效应、布格异常、横向水平加速度和潮汐对高精度海洋重力仪测量值的影响，并给出各项修正方法。
　　 (5)研究了基于多重小波变换理论的高精度海洋重力仪事后数据处理技术。论述了包括连续多重小波变换、离散多重小波变换和多元多分辨率分析的多重小波基本理论和数据信号的奇异性分析理论，分析了多重小波的正交性、正则性、对称性、高阶消失矩特性和短支集特性：以加噪声的Bumps曲线来模拟高精度海洋重力仪受海浪等背景干扰因素影响的输出数据信号，对加白噪声的Bumps曲线采用软阈值处理方法和分别选用通用阈值选择规则、最小最大准则阈值选择规则和无偏风险估计阈值选择规则进行仿真对比实验：本文提出一种联合软阈值处理方法，并对加白噪声的Bumps曲线选用上述三种阈值选择规则和分别采用联合软阈值处理方法、软阈值处理方法进行了仿真对比实验；对加相关噪声的Bumps曲线选用特征值法阈值选择规则和分别采用联合软阈值处理方法、软阈值处理方法进行仿真对比实验。