2
Содержание
1. Введение 3
2. Особенности построения инерциалыюго модуля 8
2.1. Механика и функциональная схема 8
2.2. Учет смещения антенны спутникового нриемоинянкатора в алгоритмах обработки 11
3. Бортовые навигационные алгоритмы недемпфированной гироскопической системы 17
3.1. Используемые обозначения 17
3.2. Навигационная модель геометрической формы Земли н ее поля тяготения. Географические координаты 17
3.3. Системы координат. Матрицы ориентации 20
3.4. Основное гравиметрическое уравнение. Содержание задачи авиационной 1равиметрии 23
3.5. Модельные уравнения двуххомпонентной горизоитируемой гироскопической системы 24
4. Задача коррекции в постобработке и ее информационное обеспечение 30
4.1. Модели уравнений ошибок для приборного трехгранника 30
4.2. Динамические уравнения ошибок 32
4.3. Линеаризованные уравнения скоростных измерений для коррекционной задачи 35
4.4. Модели уравнений ошибок для абсолютно свободного модельного трехгранника 35
4.5. Коррекционная модель задачи 39
5. Бортовые навигационные алгоритмы демпфированной гироскопической системы. 45
5.1. Модификация коррекционной модели задачи при использовании алгоритма демпфирования вертикали 50
5.2. Учет перекрестных связей с вертикальным движением 51
6. Имитационная модель для отработки алгоритмов навигации и коррекционных задач постобработки. 53
7. Предполетная калибровка инструментальных погрешностей 57
7.1. Определение уходов гироскопов 57
7.2. Определение неперпендикулярносги оси чувствительности гравиметрического чувствительного элемента плоскости платформы 57
8. Экспериментальные исследования 61
8.1. Начальная выставка гироскопической системы 63
8.2. Исследование точности оценивания наклонов гироплатформы на неподвижном основании 64
8.3. Исследование схемы управления гироплатформой в процессе полета и точности оценивания наклонов гироплатформы в постобработке 65
8.4. Некоторые результаты летных испытаний 68
9. Заключение 78
10. Список литературы 79
3
1. Введение
Актуальность темы диссертации и современное состояние исследований.
Задачей аэрогравимегрии 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 ииерциальных помех, вызванных вертикальными перемещениями объекта и горизонтальным его движением по вращающейся Земле (эффект Этвеша).
Основной сложностью задачи аэрогравимстрии 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 CIUA в 1959-1960 гг. Использовались перезатушенные кварцевые и струнные гравиметры (СССР) и морской гравиметр Ла Косга-Ромберга (США), которые помещались в карданов подвес. Траектория полета самолега замерялась навигационной системой, высота - радиовысотомером и баровысогомером. Сравнение измеренных значений силы тяжести с редуцированными на высоту полета наземными определениями показало, что срсднсквадратичссхая 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. посгоянно функционирует штатная группировка из 24-х навигационных спутников GPS. Налажен серийный выпуск малогабаритных прецизионных многоканальных двухчастотных спутниковых присмоиндикаторов. Разработано программное
*
4
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 круг 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 тана. Летные испытания проводились в 1994-1997гг. в Канаде [79]. Указанная в [79] точность составляет ~1 мГал при 60 сек осреднении.
2. ВНИИГеофнзики - Аэрогеофизкка. В 1970-х гг. А.М. Лозинской был создан аэрогравимстричсскнй 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 ВНИИГеофизнки, Московского института электромеханики и автоматики (в части инерпиалыюй системы Л-41) на носителе - вертолете Ми-8. Обработкой гравиметрических данных независимо занимались два коллектива: ВНИИГеофнзики 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 ВНИИГеофнзики, инерциальная система Л-41. Обработкой гравиметрических данных независимо занимались два коллектива: ВНИИГеофнзики и МГУ - лаборатория управления и навигации. Были получены одинаковые по точности результаты: ~1 мГал при 90 сек осреднения.
3. МИЭА - МГУ. В 19% - 1999 гг. проведены работы по разработке гравиметрической системы, использующей в качестве гравиметров доработанные серийные рос-
5
снйские акселерометры АК-6. Было провслско шесть серии летных испытаний на самолетах АН-26, Л-410. Достигнутая точность составляет -1 мГал при 90 сек осреднения [21J.
4. В ФГУП ЦНИИ "Электроприбор" ведутся работы по разработке авиационной гравиметрической системы на основе чувствительных элементов разработки ИФЗ АН РФ. Были проведены пробные летные испытания [19].
5. ЗАО НТП "Гравиметрические технологии’, ФГУП ЦНИИ "Дельфии". В 2000-2001 г.г. разработан и изготовлен инерциально-гравимстрический комплекс МАГ-1 на основе гравиметрического чувствительного элемента собственной разработки. В сентябре 2001 гола были проведены летные на самолете АН-30 [14]. Обработкой гравиметрических данных занимался коллектив МГУ - лаборатория управления и навигации. Достигнутая точность составляет -0.6 мГал при 90 сек осреднения.
Среди работ, посвященных созданию отечественных мобильных гравиметрических комплексов, в том числе н аэрогравиметрических, а также их чувствительных элементов известны работы Несенюка Д.П., Элинсопа JT.C. [19] (ФГУП ЦНИИ "Электроприбор’); Попова Е.И., Конешева В.Н., Железняка Л.К. [33], [33], [34], (ИФЗ АН РФ); Лозинской А.М., Багромянца В.А., Яшаяева И.Л. [60], [61] (ВНИИГеофизи-ки); Паруснихова H.A., Болотина Ю.В., Голована A.A. [21], [22] (МГУ); Полякова Л.Г. [21] (МИЭА); Юриста С.Ш., Ильина В.Н. [88], [80], [50]. [49], [28] (ЗАО НТП "Гравиметрические технологии", ФГУП ЦНИИ "Дельфин’); Салычева О.С. [79] (Научно-технический центр "Инерциальная техника", лаборатория инерциальных геодезических систем, МГТУ им. Баумана).
Важной проблемой аэрогравимстрии является обеспечение чрезвычайно жестких требований (порядка 5-10") на отклонение оси чувствительности гравиметрического чувствительного элемента от направления местной вертикали (или ее учета в постобработке) в целях минимизации перекрестного влияния горизонтальных ускорений. Эти требования в настоящее время могут быть удовлетворены только при использовании современных гироскопических систем, в частности инерциальных навигационных систем, с горизонтируемой гироплатформой.
Теория, практика построения инерциальных навигационных систем и конкретные схемы их реализации связаны с работами Б.В. Булгакова [25]. А.Ю. Ишлинскопэ [53], (54], [55], В.Д. Андреева [2], [3], Е.А. Девянина [39], H.A. Парусникова, [70], Д.М. Климова [56], Ю.К. Жбанова [41], К. Мак-Клура [62] и др.
В качестве летательных аппаратов-носителей используются малые самолеты типа Cesna, АН-2, ИЛ-26, АН-30, вертолеты типа МИ-8 способные совершать полеты с относительно малыми скоростями и на малых высотах. Это накладывает жесткие требования на массогабаритные характеристики ннерциального аэрогравиметрического комплекса. Немаловажным фактором является также минимизация его стоимости, определяемой в основном типом используемых инерциальных чувствительных элементов (гиросхопов, акселерометров).
6
Данная диссертация посвящена построению механической структуры и разработке алгоритмов управления и коррекции гироскопической системы, используемой в инерциально-гравимстрнчсском аэрокомплсксс; решению задачи минимизации угловых ошибок построения приборной вертикали в полете при использовании сравнительно недорогих чувствительных элементов сродней точности; разработке коррекционных моделей гироскопической системы, позволяющих в послеполетной обработхе оценивать угловые ошибки построения приборной вертикали с требуемой точностью
Основные цели диссертации состоят в следующем:
1) Разработка кинематической схемы подвеса гироплатформы гироскопической системы, позволяющей минимизировать массогабаритные характеристики и влияние инструментальных погрешностей гироскопов и акселерометров.
2) Получение удобных для практической реализации декомпозированных уравнений управления пгроплатформой, позволяющих производить начальную выставку и получить приемлемые результаты в части точности построения приборной вертикали процессе полета.
3) Получение уравнений ошибок для коррекционной задачи, измерений и массива информационного обеспечения, необходимых для послеполетного оценивания погрешностей приборной.
4) Разработка методики предполетной калибровки инструментальных погрешностей чувствительных элементов гироскопической системы.
5) Проверка принятых решений и разработанных алгоритмов имитационным моделированием и в процессе летных испытаний инерциалыю-гравиметрического аэ-рокомплскса
Методика диссертационной работы
В диссертации используются:
- методы теоретической механики, теория ииерциальной навигации.
- теория случайных функций,
- теория автоматического регулирования, линейной алгебры,
- математическое моделирование,
- математический аппарат оптимальной линейной фильтрации.
Апробация работы
Материалы диссертационной работы докладывались на:
1) Первой международной конференции по морской гравиметрии. С-Петербург,
1995 г.
2) XXII межведомственной научно-технической конференции памяти H.H. Ост-рякова. С-Петербург, 2000 г.
- Київ+380960830922