重力匹配导航

1.2.4　重力匹配导航

研究表明，地球重力场不是均匀分布的，而是存在一个变化的拓扑，这些变化主要是由当地拓扑和密度不均匀性所造成的。对于INS来说，当地重力场的变化对于加速度计自身来说是不能区分的，为此美国海军曾经为了校正INS的误差对重力场进行了测绘，Gerber提出采用重力梯度计来作为INS的辅助导航工具。之后，该研究结果被进一步推广，采用重力梯度计模型完成了导航系统的仿真，取得了很好的结果。这种方法考虑的主要因素是梯度计的体积、成本及复杂度，而且梯度计必须安装在惯性空间稳定且隔振的平台上。

进行重力场导航时，事先需做好重力分布图，图中的各路线都有特殊的重力分布。重力分布图存储在导航系统中，再利用重力敏感仪器测量重力场特性来搜索期望的路线。通过一定的算法使潜器确认、跟踪或横过路线，到达某个目的点。这种方法由于不进行辐射，不使用外部坐标，所以称为无源重力导航。重力匹配导航是基于图的导航，其前提条件是要有相当精度的重力图。无源重力导航具有精度高、不受时间限制、无需浮出水面的特点，可最终解决导航隐蔽性问题。但是无源重力导航适用于地理特性变化比较大的区域，因此常作为惯性导航的辅助手段。

无源重力导航是在重力测量及重力仪异常和垂线偏差的测量和补偿的基础上发展起来的。20世纪80年代初研制了重力敏感器系统(GSS)。GSS是一种包括重力仪和重力梯度仪的当地水平稳定平台，用于实时估计垂线偏差，以补偿INS的误差。由于GSS的生产成本太高，同时垂线偏差图形技术已取得成功，1987年，研究者开始将主要精力放在垂线偏差图形技术上，终止了GSS的生产。

20世纪90年代初开发了无源重力导航，最近出现了一种比较经济的无源导航，在这种设计中没有专用的重力仪表。它的基本依据是垂直加速度分量可用作重力仪的测量值，其精度可足以用来进行重力图匹配。

目前还进行着几种重力辅助导航的研究，将来可能会得到应用。例如Lockheed Martin公司研制的重力敏感模块(GSM)，它可看做是更经济的GSS。GSM的主要部分是重力梯度仪(GGI)和一个作为重力仪的振梁加速度计(VBA)。

1998年，贝尔宇航公司研制的重力仪/重力梯度仪惯性导航系统可满足战略核潜艇(SSBN)、攻击型核潜艇(SSN)和水下无人潜器的要求，其中GGI是关键元件，整个系统可装在直径为0.5334m的潜器中，1h的CEP(circular error probability)位置精度可达30m，8h的CEP位置精度为62m。1999年和2000年美国Lockheed Martin公司就无源导航申请了专利，该系统包括周围介质测量系统、惯性测量装置、重力敏感器、重力图和滤波器等，它使INS不再依赖于GPS、雷达、声呐等外部设备。

俄罗斯的重力测量理论和仪器占有重要地位，发展历史也较长，20世纪80年代就已开展重力匹配的研究，并取得了一定研究成果。近年来，国内也兴起了对无源导航技术的研究，并开展了这方面的相关研究工作。

下面介绍几种重力敏感仪器。

1.重力敏感器

重力敏感器提供的数据可用于无源导航和地形测量。重力敏感器包括重力梯度仪和重力仪。重力仪测量重力异常或重力矢量的大小相对标准地球模型的偏差。重力梯度仪测量重力梯度即重力在三维方向上的变化率。

2.重力敏感系统

重力敏感系统(GSS)最初是为了补偿垂线偏差而使用的，最近成功地用于无源重力导航和地形测量中。20世纪80年代中期用的GSS由一个重力仪和三个重力梯度仪组成，装在由陀螺稳定的当地水平的隔振平台上。重力仪是一个高精度、垂直安装的加速度计，重力梯度仪由安装在同一转轮上的四个加速度计组成，其输出是两组正交的梯度分量，它们位于与旋转垂直的平面内。这样以正交方式安装的三个重力梯度仪可提供六组实际重力梯度场分量。

3.加速度计重力梯度仪

美国已经用振梁式加速度计VBA和电磁加速度计(EMA)成功地对重力异常进行了测量。