CHZ-Ⅱ海洋重力仪研制与实践

海洋重力仪是获取高精度高分辨率海洋重力场的重要仪器,主要应用于资源勘探、大地水准面精化、海洋科学研究和重力辅助惯性导航等领域。我国现有的海洋重力仪主要依靠国外进口,不仅价格高,而且在仪器的引进、维护等方面存在诸多的不便。在科技部首批重大科学仪器专项的支持下,基于CHZ海洋重力仪成功研制出具有完全自主知识产权的CHZ-Ⅱ弹簧式海洋重力仪。该新型重力仪采用金属零长弹簧作为测量元件,其独特的轴对称垂直悬挂结构可克服交叉耦合效应;高精度伺服控制技术及强阻尼的应用可克服载体扰动的影响,确保仪器在不同海况下保持测量精度;高精度恒温技术及温度补偿技术可消除环境温度波动对仪器测量精度的影响。本文介绍了该仪器的工作原理、系统构成、技术特点及测试结果。静态试验表明其月漂移优于3 mGal;码头系泊试验表明其动态精度达到0.2 mGal,能清晰反映海潮的重力变化特征;总航程超过5万海里船载试验表明其综合测量精度优于1 mGal。仪器在精度和稳定性上达到与国内外同类仪器并跑水平,可替代当前国外进口的海洋重力仪。

CHZ-Ⅱ海洋重力仪重力敏感结构的性能测试与分析

在原有CHZ重力仪研制基础上,设计新一代海洋重力仪CHZ-Ⅱ并进行硬件搭建与测试。阐述了为CHZ-Ⅱ重力敏感结构设计的测试方案、实验过程及其结果分析,主要包括弹性系统的刚度、交叉耦合效应和漂移效应。实验表明,该结构在目前的测试内容下符合设计要求。

CHZ-Ⅱ海空重力仪格值标定

详细介绍了倾斜法标定格值,并利用自主研发的CHZ-Ⅱ海空重力仪进行格值标定实验,得到格值最终的加权平均值。

CHZ-Ⅱ海洋重力仪的电磁阻尼方案

海洋重力仪一般采用强阻尼方案抑制垂直扰动加速度引入的大幅度摆体运动。对CHZ-Ⅱ型海洋重力仪在液体阻尼和电磁阻尼方案下的阻尼系数进行了详细建模,分别得到了两种强阻尼方案下的闭环系统和误差传递模型,并结合设计参数进行了仿真建模分析。在恶劣海况下,外部扰动输入为周期10s、幅度200Gal(1Gal=1cm/s^(2))正弦加速度时,两种阻尼方案分别将摆体运动幅度抑制到5μm和4μm左右,均能保证仪器的正常工作。进一步研究表明,电磁阻尼方案引入的重力测量误差约0.15mGal,满足测量指标需求,其主要误差来源为阻尼执行器电压漂移;而且,电磁阻尼方案可通过参数切换适应各类重力测试环境,大大提高了重力仪的实用性,极具发展优势。

国产零长弹簧原理动态重力仪首次飞行试验及精度评估

CHZ-Ⅱ重力仪是首套完全国产零长弹簧原理航空重力仪,2018年4月在陕西渭南地区进行了首次飞行试验,共完成4个架次24条测线的有效飞行,标志着我国航空重力仪在自主研发的道路上又取得了长足的进步。利用飞行地区地面重力数据对CHZ-Ⅱ重力仪的测线扰动重力和格网扰动重力数据进行精度评估,其中空中测线在10 km分辨率条件下,精度达到1 mGal。采用地形辅助法对测量形成的5'测格网重力数据进行向下延拓,经延拓至地面后精度优于5 mGal,基本满足平原地区的测量需求。

零长弹簧及其在移动式重力仪中的装配精度需求

阐述了零长弹簧的工作原理和装配方法,分析了在CHZ-Ⅱ型海洋重力仪和具有机械放大作用的斜拉弹簧重力仪中应用零长弹簧原理时,对探头装配和调节工艺的精度需求。当在垂直于弹簧的扰动达到100Gal的动基座上应用零长弹簧时,为使弹簧自重引起的系统误差不大于0.5mGal,典型情形下弹簧零长的补偿误差需在1mm以内。