旋转调制技术提高重力梯度仪加速度计工作精度的理论方法研究

Focusing on the use precision of accelerometer for gravity gradiometer improving,this project will utilize the optimal esitmation theory and the adaptive kalman filtering approach to study the following issues: research on theory and approach for working axxuracy improving of accelerometer with using rotation modulation tehnique; analyzing of transmitting of accelerometer errors and The influence of acceleromter errors of the on the accuracy of gravity gradiometer when using rotation modulation tehnique; research on the on-line estimating approach for.accelerometer errors; discussing the selecting rules of rotation rate value region and configured scheme of accelerometer. Specifically, this project will mainly focus on the following problems: (1) the analysis and modeling of the stochastic error elements existing in accelerometer, and transmitting of accelerometer errors based on the model; （2）the influence of rotation rate and the initial phase angle on the accurace of gravity gradiometer, and the selecting rules of rotation rate value; (3) the global observability analysis of the state variable of the time varying system, and the study of the real-time online estimating model and approach for accelerometer errors.Through the above study, this project will provide theoretical support for accelerometer selection of gravity gradiometer, the use precision of accelerometer improving and the configured scheme of accelerometer.

本项目以提高重力梯度仪加速度计使用精度为研究对象,利用最优估计理论和自适应Kalman滤波方法，深入研究旋转调制技术提高加速度计使用精度的相关理论方法，深入分析在旋转调制技术下加速度计主要误差的传播规律和对重力梯度仪精度的影响，深入研究加速度计误差的在线估计方法，探讨确定转动圆盘合理取值范围的准则和加速度计的配置方案。本项目的研究内容主要包括：（1）加速度计误差成分的分析和高精度建模，以及在旋转调制技术下基于此模型的加速度计误差的传播规律；（2）圆盘转动速率、初始相位角对重力梯度仪精度的影响及转动速率合理取值范围的确定准则；（3）时变系统全局可观性分析以及加速度计误差实时在线估计模型和估计方法研究。通过上述研究，可以为重力梯度仪加速度计的选型、使用精度的提高和改进以及最优配置方案提供理论指导。

项目以提高重力梯度仪加速度计使用精度为研究对象，重点研究了旋转调制技术和加速度计零偏在线估计技术，主要完成了以下工作：.（1）由旋转加速度计重力梯度仪的基本测量原理出发，系统总结了旋转加速度计重力梯度仪的国内外研究进展，为后续研究奠定了基础。.（2）阐述了旋转调制技术的机理，将加速度计随机常值零偏建模成一阶马尔可夫过程，基于一阶马尔可夫的自相关函数，分析了旋转调制技术下加速度计的误差特性及对重力梯度仪精度的影响。分析结果表明：对于加速度计随时间相关的慢变误差，经过旋转调制技术，误差可以得到完全抑制。.（3）分析了旋转加速度计重力梯度仪的旋转调制方案，对加速度计数据进行了功率谱分析，分析结果表明：在0.1Hz~0.8Hz的频带内，加速度计的噪声较小，二倍频旋转频率应选择在该频带内，经旋转后，加速度计的使用精度可提高1~2个数量级。提出了一种一对加速度计噪声随频率变化的测试方法，该方法可以选择误差特性基本一致的加速度计组成一组，以及选择最优的旋转频率，进而满足重力梯度仪对加速度计成组应用的要求。.（4）提出了一种新的加速度计随机常值零偏估计新方案，该方案在转动圆盘上，增加一个IMU，与圆盘上的4只加速度计分别构成2个新的IMU，利用惯导系统的在线标校方法估计加速度计的随机常值零偏。基于全局可观性分析方法，理论分析了新方案误差状态的可观性，分析结果表明：新方案经过旋转，误差状态是完全可观的，为加速度计随机常值零偏在线估计提供了理论指导。最后进行了仿真和实验验证，结果表明：采用Kalman滤波，可估计4个加速度计的随机常值零偏。.（5）研制了重力梯度仪用惯性稳定平台的核心部件INS/GNSS组合定位定姿系统，测试结果表明：系统水平定姿精度优于0.6'，航向精度优于1'；姿态重复性优于0.3'。.项目方案还适用于提高惯性导航系统的精度，具有较强的创新性和工程应用价值。