一种水下平台重力测量方案与验证方法

摘要

本发明涉及一种水下平台重力测量方案与验证方法，其技术特点在于：包括以下步骤：步骤1、围绕一个中心点进行小范围测线设计；步骤2、计算重力异常测量信息及对应的相对位置基准信息；步骤3、计算中误差；步骤4、获得海平面重力异常测量信息及对应的位置基准信息；步骤5、补偿全部测线重力异常测量信息系统误差得到海平面重力异常测量信息；步骤6、获取该测线上高精度重力异常信息作为基准信息，与G2中该测线重力异常测量信息比对，计算其外符合精度。本发明解决了重力测量对高精度卫导信息依赖问题，为水下平台实施重力测量提供了一种工程可行的方案。

说明书

技术领域

本发明属于水下平台重力测量与验证技术领域，尤其是一种水下平台重力测量方案与验证方法。

背景技术

地球重力场是反映地球物质分布特征的物理场，重力主要分为地球椭圆模型重力、地理高度引起的重力、潮汐引起的重力和异常重力。异常重力可用于掌握地球表面重力场的精细分布，深入研究地质构造，进而协助探矿、海底地形测量、地理划界、基础建设和国防建设与军事行动的实施。异常重力包括重力异常和垂线偏差，本发明的重力测量指重力异常的测量。

目前，成熟应用的重力测量方式包含海上重力测量和航空重力测量等，其共同特点是基于高精度GPS导航信息完成重力测量信息的补偿，获取重力异常信息。重力测量得到重力异常值，包含两个过程，一是重力仪重力敏感器原始输出滤波后得到的测量值，二是基于载体位置、速度等测量信息计算得到的补偿值，测量值和补偿值相加得到重力异常值。在海洋和航空重力测量中，采用GPS信息计算补偿值，同时采用GPS位置信息作为重力异常测量信息对应的位置基准信息。水下平台重力测量不同之处在于GPS信息不可用，由于水下GPS信息不可用，缺乏高精度位置基准，导致难于精确计算重力测量补偿值，同时缺乏重力异常信息对应的精确位置基准信息。目前国内尚未实现水下平台的重力测量，缺乏实用的水下重力测量实施方案与精度验证方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种水下平台重力测量方案与验证方法，解决水下GPS信息不可用，缺乏高精度位置基准，并且难于计算重力测量补偿值的技术问题。

本发明解决其现实问题是采取以下技术方案实现的：

一种水下平台重力测量实施与验证方法，包括以下步骤：

步骤1、围绕一个中心点进行小范围测线设计；

步骤2、基于步骤1设计的小范围测线，使用惯性导航系统/多普勒计程仪/深度计组合导航系统输出的位置、速度信息计算补偿值，与重力仪重力测量信息相加后得到重力异常测量信息G1及对应的相对位置基准信息P1；

步骤3、对重复测线两次重力异常测量值进行内符合精度评估，计算中误差；

步骤4、将测线上重力异常测量值归算至海平面，通过区域特征匹配等处理获得海平面重力异常测量信息及对应的位置基准信息P2；

步骤5、获取任一条测线X1上高精度重力异常信息作为基准信息，与步骤4得到该测线海平面重力异常测量信息比对，计算其误差均值，并补偿全部测线重力异常测量信息系统误差得到海平面重力异常测量信息G2；

步骤6、选择除测线X1以外测线X2，获取该测线上高精度重力异常信息作为基准信息，与G2中该测线重力异常测量信息比对，计算其外符合精度，此外符合精度与步骤3中得到的内符合精度共同用于检验和评价水下平台重力测量精度水平。

而且，所述步骤1的具体步骤包括：

(1)选择一个中心点O，以O点为原点建立区域局部坐标系，x轴沿东向，y轴沿北向；

(2)围绕O点设计测线，测线到O点的距离不大于10海里为宜，测线间距取1海里左右。

而且，所述步骤2的具体方法为：

(1)由惯性导航系统/多普勒计程仪/深度计组合导航系统信息引导水下平台沿计划测线定速、定深、定向航行并实施重力测量；

(2)使用组合导航系统位置(经度、纬度和深度)和速度等信息计算重力测量补偿值，与重力仪重力测量值相加得到重力异常测量值G1；

(3)将测线上组合导航系统输出的经纬度信息均减去O点经纬度，变换为相对O点的经纬度增量后作为重力异常测量对应的相对位置基准信息，记为P1。

而且，所述步骤4的具体方法为：

(1)根据组合导航系统输出的测线深度信息，将重力异常信息G1归算到海平面，得到海平面处的重力异常测量信息G11；

(2)在可能位置范围内与重力场背景图进行区域特征匹配，确定区域的精确位置，即是确定区域中心点O处精确位置△P，计算重力异常测量对应的位置基准信息P2：P2＝P1+△P；

(3)利用位置基准信息P2计算原重力补偿值的修正量，G11加上该修正量获得重力异常测量信息G12。

而且，所述步骤5的具体方法为：在所有测线中选择一条测线X1，按照位置基准信息P2中X1测线经纬度信息在高精度重力图中插值或者进行船载重力测量，获取该测线高精度重力异常信息作为基准信息，与重力异常测量信息G12中该测线上重力异常测量信息进行比对，计算其误差均值△g，用于补偿重力异常测量的常值误差，获得重力异常测量信息G2：G2＝G12+△g。

而且，所述步骤6的具体方法为：

(1)在所有测线中选择一条测线X2，按照位置基准信息P2中X2测线经纬度信息在高精度重力图中插值或者进行船载重力测量，获取该测线高精度重力异常信息作为基准信息，与重力异常测量信息G2中该测线上重力异常测量信息比对，计算外符合中误差。

(2)利用步骤3中得到的重复线内符合中误差评价水下平台实时测量精度；用本步骤(1)中得到的测线X2上外符合中误差评价水下平台事后处理得到的海平面重力异常测量信息的精度。

本发明的优点和有益效果：

1、本发明的提出了一种适用于水下平台的重力测量方案与验证方法，采用围绕中心点进行小范围测量的方式，基于高精度惯性导航系统/多普勒计程仪/深度计组合导航系统在一定范围内可以获得高的相对导航精度特点，使用高精度惯性导航系统/多普勒计程仪/深度计组合导航系统信息作为重力测量对应的高精度相对定位基准信息，并用于计算重力测量补偿量，解决了重力测量对高精度卫导信息依赖问题，为水下平台实施重力测量提供了一种工程可行的方案。

2、本发明通过提供水下平台重力测量的高精度相对定位信息，实现重复测线重力测量，从而可以使用重复线重力测量内符合精度评价水下重力实时测量质量，提高水下重力测量的效率。

3、本发明将水下平台重力测量结果推算至海平面后，通过区域特征匹配获得重力测量对应的高精度位置基准信息，并补偿水下平台长期工作时重力敏感器漂移引起的重力异常测量系统误差，获得高精度重力异常测量信息，测量数据完成验证后可以补充高精度重力图，提高水下平台重力测量数据的使用效率。

附图说明

图1是本发明的水下平台重力测量测线设计示例图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：

一种水下平台重力测量方案与验证方法，包括以下步骤：

步骤1、围绕一个中心点进行小范围测线设计；

所述步骤1的具体步骤包括：

(1)选择一个中心点O，以O点为原点建立区域局部坐标系，x轴沿东向，y轴沿北向；

(2)围绕O点设计测线，测线到O点的距离不大于10海里为宜，测线间距取1海里左右。

在本实施例中，图1给出了一种测线设计示例，重力测量测线为：

OE-EA1-B1C1-D1E-EO-OF-FA2-B2C2-D2F-FO-OH-J1K1-GO-OG-K2J2-HO。

步骤2、基于步骤1设计的小范围测线，使用惯性导航系统/多普勒计程仪/深度计组合导航系统输出的位置、速度信息计算补偿值，与重力仪重力测量信息相加后得到重力异常测量信息G1及对应的相对位置基准信息P1。

所述步骤2的具体方法为：

(1)由惯性导航系统/多普勒计程仪/深度计组合导航系统信息引导水下平台沿计划测线定速、定深、定向航行并实施重力测量；

(2)使用组合导航系统位置(经度、纬度和深度)和速度等信息计算重力测量补偿值，与重力仪重力测量值相加得到重力异常测量值G1；

(3)将测线上组合导航系统输出的经纬度信息均减去O点经纬度，变换为相对O点的经纬度增量后作为重力异常测量对应的相对位置基准信息，记为P1。

步骤3、对重复测线两次重力异常测量值进行内符合精度评估，计算中误差。

在本实施例中，图1中测线OE/EO、OFFO、OGGO、OH/HO为重复测线，根据相对位置基准信息比对重复测线的重力异常测量值，计算所有重复测线内符合中误差的平均值，用于评价水下平台重力实时测量的精度水平。

步骤4、将测线上重力异常测量值归算至海平面，通过区域特征匹配等处理获得海平面重力异常测量信息及对应的位置基准信息P2。

所述步骤4的具体方法为：

(1)根据组合导航系统输出的测线深度信息，将重力异常信息G1归算到海平面，得到海平面处的重力异常测量信息G11；

(2)在可能位置范围内与重力场背景图进行区域特征匹配，确定区域的精确位置，即是确定区域中心点O处精确位置△P，计算重力异常测量对应的位置基准信息P2：P2＝P1+△P；

(3)利用位置基准信息P2计算原重力补偿值的修正量，G11加上该修正量获得重力异常测量信息G12。

步骤4也可以在水下平台完成该区域重力测量后即刻实施。

步骤5、获取任一条测线X1上高精度重力异常信息作为基准信息，与步骤4得到该测线海平面重力异常测量信息比对，计算其误差均值，并补偿全部测线重力异常测量信息系统误差得到海平面重力异常测量信息G2。

所述步骤5的具体方法为：在所有测线中选择一条测线X1，按照位置基准信息P2中X1测线经纬度信息在高精度重力图中插值或者进行船载重力测量，获取该测线高精度重力异常信息作为基准信息，与重力异常测量信息G12中该测线上重力异常测量信息进行比对，计算其误差均值△g，用于补偿重力异常测量的常值误差，获得重力异常测量信息G2：G2＝G12+△g。

当有区域船测高精度重力图时，步骤5(采用重力图插值而非船载重力测量方式)也可以在水下平台完成该区域重力测量并实施步骤4后即刻实施。

步骤6、选择除测线X1以外测线X2，获取该测线上高精度重力异常信息作为基准信息，与G2中该测线重力异常测量信息比对，计算其外符合精度，此外符合精度与步骤3中得到的内符合精度共同用于检验和评价水下平台重力测量精度水平。

所述步骤6的具体方法为：

(1)在所有测线中选择一条测线X2，按照位置基准信息P2中X2测线经纬度信息在高精度重力图中插值或者进行船载重力测量，获取该测线高精度重力异常信息作为基准信息，与重力异常测量信息G2中该测线上重力异常测量信息比对，计算外符合中误差。

(2)利用步骤3中得到的重复线内符合中误差评价水下平台实时测量精度；用本步骤(1)中得到的测线X2上外符合中误差评价水下平台事后处理得到的海平面重力异常测量信息的精度。

当有区域船测高精度重力图时，步骤6(采用重力图插值而非船载重力测量方式)也可以在水下平台完成该区域重力测量并实施步骤4与步骤5后即刻实施。

需要强调的是，本发明所述实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。