航空重力测量理论 方法及应用分析.docx

信息工程大学博士学位论文摘要本文以我国首套航空熏力测量系统（ＣＨＡGS)的研制为背景，基于ＣＨＡGＳ在汉中、大 同和哈尔滨的三次实测数据,重点研究了观测数据滤波、航空重力仪观测数据处理、垂直 加速度精密确定及空中重力拢动矢量估算等四方蕊的理论和方法；绷重探讨了航空重力测　量数据在确定局部大地水准面中的应用本文的主簧工作和创新点概括如下1．基于牛顿第二运动定律,建立了平台式、捷联式矢量重力测量以及捷联式、旋转不交式和平台式标量重力测鳖的数学模登 ２．针对重力仪与GPS观测数据的空间同步，建立了位置、速度和加速度的偏心改正公式；实测数据分柝表明,实用中仅需顾及空间改正和垂直加速度的偏心改正提出了参照不同滤波尺度下的内部精度，依据航空重力溅显的频谱窗嗣，在兼鞭分辨率的同时确定滤波器截止频率的新观点，有效地解决了滤波器设计的关键问题 4．摒弃了传统使用的６x20sＲC滤波器和30０ｓ高斯滤波器,设计了适用于不同作业环境的FIR滤波器和级联式巴特沃愚滤波器针对FIＲ滤波器阶数过高之不足，提出了航空 重力测量数据的FIR级联滤波法，即两步滤波法研究了稳定平台倾斜角和水平加速度改正的频谱特性，确定了水平加速度改正的预 滤波尺度，裔效地减弱了水平加速度改正不完善;｜起的系统性误差。

6．研究了K因子与滤波尺度的相关性，提出了Ｋ因子的四种标定方法结果表明，利用重薪标定的K因子计算的空中重力异常，精度提高了约O扛O.4mGaｌ提出了交叉耦合系数的外部、内部标定法以及与Ｋ因子的联合标定方法，采用薪 系数显著地降低了系统误麓的影响,对于大同航空熏力测量,系统误差从约4ｍOal减小至 约lｍGal内部标定法仅黍在测区内构成一定数嚣的交叉点，无需其它外部信息,且其标　定结果与外部标定结果j＃常一致，因此，这种方法有着更广豹应蠲面帮实际应用价值从频域上研究分析了GPＳ大气误差、星历误差、多路径效应、测量误差和卫星几 何结构变化对垂直加速度精密确定的影响,结果表嚷：多路径效应、测量噪声和卫星几 何结构变化对垂直加速度的确定具有较大影响9.从理论和实测数据两方面，对利用ＧPS测定加速度的三种常用方法即位鼹差分法、 多普勒频移法和楣位时序差分法进行了比较稆分析,对于20０s的滤波尺度,静态澳I量精度 分别为０．７、７3ｍGａl，动态测量的精度分别为1．6、4.8和O.5mGal.１0.设计了航空重力测量数据处理流程，优化处理了汉中、大同和哈尔滨三次试验的观第i页 / 信息工程大学博士学位论文测数据。

精度估算表明，波长分辨率约为１0ｋｍ时，交叉点不符值的标准差分别为５ｍGａｌ、 5．８rｅGaｌ和２.０ｍＧaｌ，空中5'×5'格网平均重力异常的精度对于大同地区和哈尔滨地区分别 为3．６mGal和1．７rｅGaｌ.11．建立了当地水平坐标系和惯性坐标系下的INS/ＧＰS误差状态方程，分别构建了利 用GPS位置作为状态更新的重力扰动矢量水平分量的传统卡尔曼滤波估算模型和利用　ＧＰS稠速度作为状态更新的重力魏动全矢量的毅型卡尔曼滤波估算模型;首次剩蠲靛窆标 量重力测量数据计算了空中和地面格网的垂线偏差，其与地面重力测量数据计算结果之差　的标准偏差，对于予午分量和卵溪分量分别为O．5”和O．4’12．首次研究了空中数据向下延据方法和滤波尺度对大地水准面精密确定的彰响，绪栗 表明：利用直接代袭法、点质量法和正则化算法均可获得约３cm的精度,直接代表法由于 不受测送形状及范围大小限制且无边界效应成为最合适的向下延拓方法；就滤波尺度而　言，１00s～25０s的滤波尺度均透塌于大地水准谣的确定，鼷及滤波器边界效应的影响，宜 采用小一些的滤波尺度如1０0s.与地面重力测量数据计算的参考大地水准面相比,利用航 空重力测量数据确定的大地水准面的精度可以达到3cm.关键词：航空重力测量;FIR低通滤波器；巴特沃思滤波器；摆杆尺度因子:垂直加速度;水平加速度改正;交叉藕合改正；重力扰动矢量;大地水准面;ＧPＳ第ｉi页信息=:r=程大学博士学位论文ABSTRAＣTIｎ ｔhiｓ dissertatｉon the　tｈeoｒiｅs　aｎｄ methoｄs for　thｅ airborｎe grａvimetry are iｎvestｉｇated ｉn detaｉｌ wｉth the emphasis　ｏn　four aspects，on ｔhe basｉs　oｆ tｈｒｅｅ gｒoups　of rｅａl dａta froｍ Hanzhong， Datｏng and　Harbin ｔｅsts using ｔｈｅ　first　Cｈineｓｅ Airborｎe　Ｇravimetry　System（CHAOＳ）.They　arｅ　ｔhe data ｆｉｌtｅrｉng,aiｒboｒｎe gravimetｅr oｂserｖａtion pｒoｃessing，ｔｈｅ precisｅ deｔｅrmination of tｈe　vｅrticａｌ ａcceｌeration and ｔｈe eｓtimation　oｆ ｔhｅ　ａirboｒne gravity ｄistｕrbanｃe ｖectoｒ． Ｆｕrthermoｒｅ，ｗe　alｓo　foＣＵＳ on thｅ　precise dｅｔeｒminａtion of the　local ｇeoｉd bｙ ｕsiｎｇ aiｒborne gravｉty data.The　maiｎ works aｎd cｏntrｉbｕｔions are summarizｅd as follｏws。

1.On　tｈe　bａsis　oｆ the Newton’s ｓecoｎｄ １ａｗ　of　ｍotｉon．the gravｉty equatｉons releｖant　to thｅ stａｂiｌizeｄ ｓyｓtemｓ aｎd　thｅ strapdｏwn　systems for ｔhｅ aiｒboｍe　ｖector gｒaｖimetry　ａnd ｔhose relaｔeｄ　to the ｓｔａｂiｌiｚeｄ sｙｓｔems．the roｔation ｉnvaｒiant sysｔｅm　aｎd tｈe ｓtｒapdown systｅms fｏr the airborｎe scaｌar　gravimeｔry are　establisheｄ2.For ｔhe １0cal　C0０ｒｄｉnaｔioｎ ｏf ｔｈe aｉrｂornｅ grａｖimeｔer anｄ the　GPS　anteｎna Phaｓe ceｎtｅr,the 1ever aｒm correctiｏns ｗｉth reｓpｅｃt　ｔｏ　the GPS poｓition，vｅloｃｉty ａnｄ acceｌeraｔｉon are fｏrmｕｌaｔed. Ｔhe test reｓults indicaｔe廿lａt　only　the lｅｖer arｍ ｃorrecｔions fｏr the ｆreｅ-aｉr ｃoｒｒections and　thevｅｒtｉｃal accelerａtions　are　reｑｕireｄ ｔo bｅ　ｔaｋｅn into aｃcount iｎ　reality。

３.Ｉn　vｉew oｆthe depeｎdence ofｔhe accuracy aｎd　ｒesｏｌuｔiｏn　fｏr the airｂｏｒnｅ grａｖimetry．onｅ neｗ ｃoｎcept to dｅｔermine　the cutoｆf　freｑuｅnｃｙ　of the lowpass　ｆilｔｅr ｔhat ｂaseｄ　oｎ tｈe　sｐeｃtｒal　windows foｒ　ｔｈe airborne gｒavｉｍetrｙ　anｄ the interｎaｌ accuｒacy（ｅ.gcrossover　errｏrｓ)underdｉ脏renｔ ｆilter lｅngth is advancｅd4．Inｓtead ｏf　usiｎg　ｔ11e traditｉonａｌ　ｆiltｅrｓ in airbｏｒｎe ｇｒaｖｉｍetrｙ.ｖiｚtｈｅ 6x2０s　resiｓtor—ｃapaciｔor （RC）filｔer　and tｈe　3００s Gauｓsｉaｎ fｉlter，we　dｅsign thｅ Ｆinite　Ｉmpulse Respｏnse(FIＲ）fｉlter aｎd ｔhe　cascaded Buttｅrworth fiｌter tｈat cａn ｂe　suiｔed foｒ vａrious opｅratioｎ conditiｏns．Ａｉming toreｄuce ｔhｅ lenｇth　ｏf tｈe FIＲ fiｌteｒ,a tecｈniqｕｅ inｖolved in　ａ cａscaded　ＦＩR fiｌter iｓ　ｓuggesｔed tofｉltｅｒ thｅ raw ａirbｏrｎe gｒａvity.５．Ｔhe spｅctｒaｌ propertieｓ of ｔhｅ stａｂilized pｌatｆｏrm　ｔilt ａngle aｎｄ　tｈe hｏrizontal acｃeｌeｒａtiｏncｏrrｅcｔiｏｎ are invｅstiｇateｄ and aｎalyzｅd．The　aｎlount oｆ ｔhe pｒe—fｉｌterｉng of　the hoｒizｏntａl accｅleｒaｔioｎ coｒrｅctｉｏn is ｄeriveｄ，ｗhｉch　mａteｈes　ｔhｅ platform　perｉｏd．With　ｔhis aｍoｕnｔ　thｅ　potｅntｉaｌｌy sysｔemic biａsｅs duｅ tｏ tｈｅ　impｅrfecｔion of ｔｈe hoｒizonｔal　acceｌeratｉoｎ ｃｏrrｅction　canｂｅ reduｃed ｓigniｆicanｔlｙ.6．The ｄｅpendenｃe of tｈe beam sｃａle　ｆactｏr（K－ｆactｏr）on　the　amｏｕnt of　ｔhe　filｔeｒing　ａpplｉｅｄ to ｔｈｅ dａta ｉs diｓｃussed．Fouｒ methoｄs　ｆor　caｌiｂｒatiｎg　the K—ｆaｃｔor are develｏpｅd，and　the ｒeｓulｔs sｈｏw tｈat　tｈe ａcｃuraｃｙ　of　thｅ aiｒborne ｇｒａviｔｙ anoｍaliｅs ｉs improvｅd　aｂoｕｔ　0:2—0.４mGal　ｂyusing oｆ ｔhｅ new　Ｋ—ｆactｏｒ。

７Thｅ ｃrosｓ—ｃoupliｎg coｒrections foｒ ｔhｅ L＆R　gravimeter　arｅ　coｍpｕted as ａ　lｉneａr combination of 5 so—ｃａlled cross—coｕpling ｍoniｔoｒs,ｔhｅ ｗeighｔ　ｆａｃtors（coｅfficients）ｄetermiｎed ｆｒom marine datａ　bｙ faｃtory may ｎoｔ bｅ oｐtｉmａl fｏr　aiｒbｏｒne applicaｔioｎ.Ｉn　thiｓ paｐer，ｔhｅse cｏefficｉents　are reｃalibｒated ｔo ｍiｎimize the diｆｆｅrencｅ between　aｉrｂｏrne dａta and upward contｉｎued surfacｅ data(exｔｅrnaｌ calibratｉon)and to miniｍize tｈｅ　ｅｒrorｓ aｔ　line cｒosｓｉnｇs(ｉnternal calｉbraｔion）　reｓpｅｃtiｖｅl。