一种利用地球重力场评估重力传感器分辨率的方法

摘要

本发明公开了一种利用地球重力场评估重力传感器分辨率的方法。在地球表面，重力加速度值与其所在位置高度呈线性关系，因此本发明通过改变重力传感器的高度，测量不同位置的地球重力加速度值，计算不同高度重力加速度的理论增量，并测量不同高度实际重力加速度的增量，由GJB1037‑2004，实际重力加速度增量与理论增量的比值大于50％，则分辨率合格，从而评估重力传感器的分辨率。本发明通过精确控制重力传感器高度上的距离变化，实现其输入重力加速度的微弱变化，能够评估分辨率优于0.1mGal的重力传感器，可行性强。

说明书

技术领域

本发明是一种利用地球重力场信息从而评估重力传感器计分辨率的方法，能够评估分辨率优于0.1mGal的重力传感器，属于精确测试领域。

背景技术

传统的加速度计测试方法最高可测分辨率为5×10^-6g，已经不能满足科学技术的发展及工程实践的需求。目前，对设计生产的更高精度的重力传感器进行分辨率测试、研制出的重力仪及高精度惯性导航产品进行性能评估等，都迫切需要更高精度的重力传感器分辨率评估技术。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种利用地球重力场评估重力传感器分辨率的方法，能够评估分辨率优于0.1mGal的重力传感器。

本发明的技术解决方案是：一种利用地球重力场评估重力传感器分辨率的方法，步骤如下：

(1)在隔震地基场环境下，放置高度工作台，所述高度工作台上标识有m个刻度，由下至上依次为刻度1、刻度2、……刻度m，相邻刻度之间的间隔为h，高度工作台平行于重力垂线，重力由地心引力和地球自转向心力组成，重力垂线通过重力测量精确确定；

(2)在高度工作台的刻度1处安装重力传感器，进行n次反复测量，求得刻度1处的重力加速度均值g₁，其中n>3；

(3)在刻度i处安装重力传感器，进行n次反复测量，得到刻度i处的重力加速度均值g_i，进入步骤(4)，i的初值为2；

(4)根据步骤(2)和(3)，利用公式Δg_p＝g_i-g₁计算实际的重力加速度增量Δg_p，利用公式Δg_t＝-3.07×10^-6*Δh(m/s²)计算高度变化为Δh时的理论重力加速度增量Δg_t，其中Δh＝(i-1)h，进入步骤(5)；

(5)计算实际的重力加速度增量Δg_p与理论重力加速度增量Δg_t的比值，若该比值小于等于50％，则i的值加1，返回步骤(3)；若该比值大于50％，则重力传感器分辨率合格，分辨率为Δg_t，从而完成重力传感器分辨率的评估。

所述步骤(1)中h为30cm。

步骤(1)所述的重力垂线误差角度小于5"。

高度工作台的刻度误差小于0.01cm。

在高度工作台上安装重力传感器的要求为：重力传感器固定在高度工作台上，重力传感器的下表面沿着工作台的刻度线，且其敏感轴方向向上，重力传感器的下表面与高度工作台的刻度线之间的误差角小于5"。

本发明的有益效果是：

(1)本发明通过精确控制重力传感器高度上的距离变化，实现其输入重力加速度的微弱变化，当刻度间隔为30cm时，能够评估分辨率优于0.1mGal的重力传感器，方案可行，强硬件实现上较易操作。

(2)本发明通过对高度工作台与重力垂线的误差角、重力传感器下表面与高度工作台的刻度线之间误差角的约束，削弱安装误差对输入重力加速度的影响，当误差角均小于5"时，输入加速度的误差小于1uGal，不影响对分辨率优于0.1mGal的重力传感器评估，有效保证了评估精度。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为本发明高度工作台示意图。

具体实施方式

现如今人们生活实践普遍在地球表面，地球重力场信息目前已经广泛应用于计量学、大地测量、地球物理、地球动力学、空间科学、灾害预测、海洋科学等多个领域。本发明通过在不同高度变化下利用重力加速度信息变化评估重力传感器分辨率。具体思路是通过改变重力传感器的高度，测量不同位置的地球重力加速度值，在地球表面，重力加速度值与其所在位置高度呈线性关系。改变高度差，计算重力传感器的理论值并实际测量，由GJB1037-2004，重力传感器实际输出加速度均值的增量与理想输出增量的比值大于50％，则分辨率合格，从而评估加速度计的分辨率。本发明作为一种测量方法，通过精确控制重力传感器的高度上的距离变化，实现其输入重力加速度的微弱变化，能够评估分辨率优于0.1mGal的重力传感器，可行性高。

如图1所示，本发明的实现步骤如下：

(1)在隔震地基环境下，放置高度工作台，通过重力测量精确确定重力垂线的方向，方向测量误差小于5"，高度工作台平行于重力垂线，重力由地心引力和地球自转向心力组成。高度工作台如图2所示，高度工作台上标识有m个刻度，由下至上依次为刻度1、刻度2、……刻度m，相邻刻度之间的间隔为h，高度工作台的高度误差小于0.01cm。

(2)在高度工作台的刻度1处安装重力传感器，进行n(n>3)次反复测量，求得刻度1处的重力加速度均值g₁。

(3)令i＝2，进入步骤(3)；

(4)在刻度i处安装重力传感器，重力传感器的下表面与高度工作台的刻度线之间的误差角小于5"，进行n次反复测量，得到刻度i处的重力加速度均值g_i，进入步骤(5)；

(5)重力加速度g与高度H的计算公式：其中g₀是仅与所测重力加速度的纬度相关的量值，取3位有效数字，g₀＝9.78m/s²，R是地球椭球的子午圈半径和卯酉圈半径乘积的平方根，R＝6378137m，H是大地水平面高度，通过求导：由于所测重力加速度的位置在地球表面，H<<R，所以故而高度变化ΔH引起的重力加速度变化可记为Δg＝-3.07×10^-6*ΔH(m/s²)。

因此在上述推导下，本发明利用公式Δg_t＝-3.07×10^-6*Δh(m/s²)计算高度变化为Δh时的理论重力加速度增量Δg_t，其中Δh＝(i-1)h。

同时根据步骤(2)和(4)，利用公式Δg_p＝g_i-g₁计算实际的重力加速度增量Δg_p，进入步骤(6)；

(6)评估重力传感器的分辨率。由GJB1037-2004，若重力传感器实际的重力加速度增量Δg_p与理论重力加速度增量Δg_t的比值大于50％，则重力传感器分辨率合格，分辨率为Δg_t，若比值小于等于50％，则i的值加1，返回步骤(4)，继续进行测试。

本发明中，通过控制重力传感器的高度变化评估其分辨率，h设计为30cm时，本发明能够评估分辨率优于0.1mGal的重力传感器，同时硬件操作上也较易实现。当然，在保证安装精度等满足要求时，h设计为3cm时，本发明能够评估分辨率优于0.01mGal的重力传感器。以此类推。

本发明中，重力传感器需要精确安装在高度工作台上，其安装要求为：重力传感器固定在高度工作台上，重力传感器的下表面沿着工作台的刻度线，且其敏感轴方向向上，重力传感器的下表面与高度工作台的刻度线之间的误差角小于5"。

本发明中，通过精确确定重力垂线、控制高度差、精密安装重力传感器等措施，能够有效的使重力传感器的测量误差低于1uGal，提高其测量精度。通过精确控制安装精度，减小安装误差，可以进一步挖掘本发明的潜力，提高重力传感器的分辨率评估能力。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。