橫搖與縱搖對SⅡ型海洋重力儀的干擾分析

謝清陸，居向明

（海軍蚌埠士官學校，安徽 蚌 埠 233012）

海洋船載重力測量同陸地重力測量的最大區別就是：它是一種動態測量，而陸地重力測量是一種靜態測量。目前，美國LaCoste&Romberg公司生產的SⅡ型海洋重力儀（AIRSEA SystemⅡ）已經應用于我國的海洋船載重力測量。SⅡ型海洋重力儀工作時，測量船的橫搖與縱搖對觀測結果的影響，是海洋重力測量的主要誤差源。在實施海洋重力測量外業時，測量船的橫搖與縱搖產生的擾動加速度和需要測量的重力加速度混雜在一起，給海洋重力測量帶來很大的困難，并產生很大的觀測誤差。本文主要就是分析測量船的橫搖與縱搖對海洋重力測量的影響，并根據分析結果設計陀螺平臺，進而減弱誤差影響，提高海洋重力測量的精度。

1 橫搖與縱搖對海洋重力測量的干擾分析

對于重力測量，不論是何種類型的重力儀，要準確地測出重力加速度的值，都必須保持儀器垂直于地球表面。在陸地重力測量中，這種垂直狀態，是通過儀器的整平來實現的。由于陸地基座的穩定性，儀器整平后基本上一直保持著垂直狀態。而海洋重力儀是在測量船不斷處于橫搖與縱搖的狀態下工作的，各個方向的搖擺，使得重力儀的垂直狀態受到破壞，重力儀在這種狀態下根本無法進行觀測。

船的搖擺，主要是由波浪引起的。船在波浪作用下的搖擺周期，并不取決于船的固有周期，而是隨風浪周期在搖擺。搖擺的幅度，取決于波浪的洶涌程度和兩個周期間的差異程度。搖擺中，以船受橫浪作用產生的橫搖為主；縱搖的強弱，決定于船長和波長之比。船只在海上的狀況與海況密切相關。橫、縱搖強度由波浪性質、航向與風向、波浪傳播方向的關系及航行速度等決定。表1為俄羅斯科學院地球物理研究所應用傾斜儀及加速度計在2萬t級船的不同部位測得的水平加速度和垂直加速度數據。由表中可見船上不同位置加速度的差異，造成這種差異的原因，是船重心附近受橫搖與縱搖影響小，而在船頭部分則影響大。

表1 2萬t級船只不同部位測得的加速

一般安裝重力儀的測量船排水量為數千噸，航行時船體產生的水平加速度和垂直加速度比上表的數值要大得多，在平靜海況下橫搖與縱搖作用在重心儀上的垂直附加加速度也要達10～20 Gal；在惡劣海況下，這種垂直附加加速度可高達數百伽。當海況特別惡劣，垂直附加加速度過大時，就無法進行海洋重力測量。要消除橫搖與縱搖對SⅡ型海洋重力儀的影響，除了要將SⅡ型海洋重力儀安裝在測量船重心附近外，還可以通過增設附屬設備，使得重力儀在測量船擺動的狀態下仍然保持垂直。這種附屬設備就是光纖陀螺穩定平臺。

2 陀螺穩定平臺設計工作原理

2.1 平臺機械結構設計

陀螺平臺通過雙軸常平架懸吊在底座上（如圖1）。

圖1 陀螺平臺結構圖

當測量船發生橫搖或者縱搖時，安裝在垂直陀螺儀常平架軸上的同步角度檢測器，用來檢測和放大垂直陀螺儀軸與穩定平臺的相對傾斜角，然后將信息傳輸給分別安裝在穩定平臺常平架的縱搖軸和橫搖軸上的伺服馬達，使之能自動跟蹤垂直陀螺儀的姿態。

從實際應用上講，具有兩組速率陀螺儀的穩定平臺最為合理，其由下述部分構成：

（1）兩組速率陀螺儀；

（2）兩組水平加速度計；

（3）兩組力矩馬達；

（4）兩個方向具有自由度的常平架。

將穩定平臺的平臺面，分為相互垂直的X軸與Y軸，橫搖與縱搖的影響無非是使穩定平臺面傾斜，此時的傾斜可以分為X軸方向的傾斜與Y軸方向的傾斜。

2.2 平臺工作原理

當出現傾斜情況時，陀螺穩定平臺內部就會開始運轉，使平臺保持平衡狀態（如圖2）。

如果常平架傾向Y軸，該傾斜的角度，可以由水平加速度計X檢測出來，加速度計輸出的信息，通過陀螺轉矩放大器傳給速率陀螺儀Y的力矩馬達。常平架在Y軸上與陀螺儀的旋轉軸一起運動，該運動一直持續到常平架上的水平加速度計X的輸出變為零為止。以上與垂直陀螺儀的工作原理是類似的。

當常平架由于軸的摩擦或力學平衡遭到破壞，導致Y軸上的運動受到阻礙時，其阻礙力可由安裝在速率陀螺儀輸出軸上的角度檢測器檢測出來，通過縱搖方向的跟蹤放大器將信息傳輸給縱搖力矩馬達來消除這種阻礙力。如果輸出檢測器和力矩馬達的性能均很強，則常平架將不受旋轉軸的摩擦或不平衡的影響，由水平加速度計來直接控制其平衡。

圖2 陀螺平臺工作原理圖

同理，常平架的X軸傾斜時，也以同樣方式獲得平衡。

3 結束語

SⅡ型海洋重力儀由于凈質量小、精度高、分辨率高等優點，已開始應用于海洋重力測量。如何減弱測量船的橫搖與縱搖對重力儀的影響，進一步提高海洋重力測量的觀測精度，一直是海洋重力測量人員的努力方向。為了充分發揮AIRSEA SystemⅡ的性能優勢，增加陀螺穩定平臺減弱橫搖與縱搖對重力儀影響的方法，將會越來越多地應用于海洋重力測量中。

[1]歐陽永忠，孫 毅，黃謨濤.SⅡ型海洋重力儀的特點及使用問題[J].海洋測繪，2006，（6）：12-15.

[2]盧景奇.提高淺海重力測量觀測精度的方法技術[J].物探化探計算技術，2007，(10)：21-23.

[3]王福民，葉宇星.S-Ⅱ型海洋重力儀介紹和使用方法[J].物探裝備，2007，(9)：31-33.

[4]吳秋平，高鐘毓.高精度重力測量技術進展[J].導航，2003，（6）：15-17.

[5]吳太棋，黃謨濤，陸秀平，金跡航.重力場匹配導航的重力圖生成技術[J].中國慣性技術學報，2007，15（4）：438-441.