1、第 21 卷第 5/6 期2022 年 12 月导航与控制NAVIGATION AND CONTROLVol.21 No.5/6Dec.2022收稿日期:2022-03-14基金项目:国家自然科学基金面上项目(编号:41874217);国家重点研发计划(编号:2020YFC2200803)CHZ-海洋重力仪的电磁阻尼方案董琴琴1，刘坤1，2，涂海波1，柳林涛1，胡明1(1.中国科学院精密测量科学与技术创新研究院，武汉 430071;2.中国科学院大学，北京 100049)摘 要: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-型海洋重力仪在液体阻尼和电磁阻尼方案下
2、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/s2)正弦加速度时，两种阻尼方案分别将摆体运动幅度抑制到 5m 和 4m 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。关键词:CHZ-重力仪;电磁阻尼器;空气阻尼;液体阻尼中图分类号:P716+.81文献标
3、志码:A文章编号:1674-5558(2022)03-02087doi:10.3969/j.issn.1674-5558.2022.h5.010An Electromagnetic Damper Scheme for CHZ-GravimeterDONG Qin-qin1，LIU Kun1，2，TU Hai-bo1，LIU Lin-tao1，HU Ming1(1.Innovation Academy for Precision Measurement Science and Technology，Chinese Academy of Sciences，Wuhan 430071;2.Univer
4、sity of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049)Abstract:In general，marine gravimeters use a strong damping scheme to suppress the large motion of sampling masscaused by vertical perturbation acceleration In this paper，the damping coefficients of CHZ-marine gravimeter underliquid damping and elec
5、tromagnetic damping schemes are modeled in detail，and the model of closed-loop system and errortransfer model under two strong damping schemes are obtained，respectively In addition，based on the design parameters，the simulation model is analyzed At the same time，under severe ocean conditions，when the
6、 external disturbance input issinusoidal acceleration with a period of 10s and amplitude of 200Gal(1Gal=1cm/s2)，the motion amplitude of samplingmass can be suppressed to about 5m and 4m respectively by the two damping schemes，which all can ensure the normaloperation of the instrument Meanwhile，furth
7、er investigations show that the gravity measurement error introduced by the elec-tromagnetic damping scheme is about 0.15mGal to meet the requirement，and the main error comes from the voltage noise ofdamping actuator Furthermore，the scheme of electromagnetic damping can adapt to various gravity test
8、ing environments byswitching parameters，which greatly improves the practical performance of gravimeter and is full of development advantagesKey words:CHZ-gravimeter;electromagnetic damper;gas damper;liquid damper导航与控制2022 年第 5/6 期0引言近年来重力测量技术得到迅猛发展和广泛应用，传统地面静态重力测量分辨率最高，但受地形限制，效率低下;卫星重力测量在大尺度全球重力场测量有
9、较大优势;船载和航空动基座重力测量快速经济，且能在岛礁海区、海陆交界地带、沙漠、森林等特殊区域作业，对于研究局部重力场具有重要意义1。典型的动基座重力仪可分为采用机械稳定平台的平台式重力仪和采用数字惯性平台的捷联式重力仪，它们主要有以下型号:美国 Micro-g La-Coste 公司早期的 L S 型重力仪2-3和现在的MGS-6 海洋重力仪4与 TAGS-7 型航空重力仪5、Bell 公司的 BGM-3 重力仪6、德国 Bodenseewerk公司的 KSS30/31 重力仪7-8、俄罗斯的 Chekan-AM重力仪9-10、中科院精密测量科学与技术创新研究院(原测量与地球物理研究所)的
10、CHZ/CHZ-系列重力仪11-12以及中船 707 所的 ZL11 重力仪12-13等型号，采用二轴稳定平台;俄罗斯的 GT 系列重力仪14-16和加拿大的 AIGrav 重力仪15、航天三十三所的 GIPS-AM 重力仪17等型号，采用三轴稳定平台;加拿大的 SINS/DGPS 重力测量系统18-19、德国的 SAGS 重力仪20、国防科技大学的 SGA-WZ 重力仪21、航天十三所的 SAG 重力仪22、中船 707所的 GDP-1Z 重力仪22等型号，采用捷联式数字平台;以及法国人最新研制的动基座海洋绝对重力仪23。对不同工作原理的动基座重力仪及相关参数总结如表 1 所示。表 1典型动
11、基座重力仪的工作原理及相关参数Table 1Operational principle and related parameters of typical moving-base gravimeters重力仪型号主要传感器及系统架构动态精度漂移L S 型杠杆弹簧秤，二轴稳定平台约 1mGal小于 1.0mGal/月BGM-3 型受迫平衡加速度计，二轴稳定平台约 0.4mGal小于 3.0mGal/月KSS30/KSS31 型轴对称垂直测量，二轴稳定平台约 0.5mGal小于 3.0mGal/月Chekan-AM 型石英弹簧，二轴稳定平台约 1mGal小于 3.0mGal/月CHZ/CHZ-型轴
12、对称金属零长弹簧，二轴稳定平台约 1mGal小于 3.0mGal/月GT-2M 型垂向直线型传感器，三轴稳定平台约 0.2mGal小于 3.0mGal/月AIGrav 型QA3000 型加速度计，三轴稳定平台约 0.3mGal暂无公开数据SINS/DGPS 型QA2000 型加速度计，数字平台2mGal 3mGal小于 0.33mGal/hSGA-WZ 型激光陀螺和石英挠性加速度计，数字平台约 1mGal暂无公开数据SAG 型光纤陀螺和石英挠性加速度计，数字平台约 0.7mGal暂无公开数据中国科学院精密测量科学与技术创新研究院从 20 世纪 80 年代开始研制 CHZ 海洋重力仪，之后基于重
13、点研发项目成功研制了 CHZ-海洋重力仪，2016 年 2019 年在“科学号”“向阳红 06”“邓稼先号”“大洋号”等科考船开展数十个航次的海洋重力测量任务，经过百秒量级滤波处理，重复线或者交叉点精度优于 1mGal，空间分辨率 500m。本文详细对比研究了现有动态重力仪的三种阻尼方案，基于 CHZ-海洋重力仪提出了一种可行的电磁阻尼方案，通过阻尼线圈来抑制垂直加速度引入的摆体运动，调节阻尼控制器参数即可更改重力仪等效阻尼系数和刚度，使其适应于各种不同的工作环境，极大减少了阻尼调节的步骤;同时降低了机械敏感探头的温度系数，减小了传感器体积，提高了仪器集成度;若在后期数据处理中结合阻尼线圈电压
14、信号，还可以增加系统带宽，获取更多测量信息。1海洋重力仪阻尼方案海洋重力仪工作时，除长周期重力加速度作用外，还受到海浪运动引入的短周期垂直扰动加29第 5/6 期董琴琴等:CHZ-海洋重力仪的电磁阻尼方案速度影响，而且垂直扰动加速度幅值远远大于重力仪测量范围。为保证仪器能够正常观测，一般都在弹性系统中设置强阻尼，把短周期的垂直扰动加速度压缩到仪器测量范围之内;也有测量范围特别大，不采用阻尼的重力仪，如振弦式重力仪，需要特别关注仪器的非线性效应。强阻尼方案能极大压缩摆位的运动幅度，有利于减小机械和电路不完美产生的非线性误差。因此，良好的强阻尼方案对动态重力仪正常观测至关重要，目前获得广泛应用的强
15、阻尼方案主要有空气阻尼、液体阻尼和电磁阻尼等方案。L-S 型2动态重力仪初期采用空气阻尼器，空气阻尼方案不能得到强阻尼系数，在后续数据处理中对滤波提出了较高要求24;且由于空气的可压缩性，当活动系统的振动周期较短时，空气阻尼器的工作如同一个附加的弹簧，不但没有阻碍活塞运动的作用，反而会增强活塞的运动11。后期为进一步增加阻尼系数、优化机械结构，LaCoste等人在 L SL 直线型3重力仪中将空气阻尼更换为液体阻尼。CHZ/CHZ-11，25和 ZLS26重力仪采用液体阻尼，而 CHZ/CHZ-重力仪弹性系统的自振周期相对较小，因此获得相同阻尼效果需要更大的阻尼系数。CHZ/CHZ-重 力 仪
16、 的 阻 尼 系 数 一 般 约104N/(m/s)105N/(m/s)量级，能应对大部分海况，在极端恶劣海况下，需进一步增加阻尼系数;而面向航空重力仪测量时，则期望降低阻尼系数至 800N/(m/s)量级27。目前，重力仪主要通过调配阻尼液体的黏度来获得不同的阻尼系数，若补偿量不足可能在高温时使壳体内压力急剧增加，破坏密封;或者在低温时出现气泡，影响仪器工作性能。整个过程步骤相对繁琐，而阻尼液体温度系数约为 130mGal/，这也对恒温控制提出了较高要求。GT-2A/2M 海空重力仪28、ZYZY 重力 仪 和KSS-308-9重力仪采用电磁阻尼。该方案基于强磁材料可提供强阻尼系数，如 KSS-30 重力仪阻尼系统可衰减 6s 周期的扰动加速度幅值约 105量级7;且电磁阻尼器可灵活调节阻尼系数，初级和次级没有直接接触，维护相对方便。对空气阻尼、液体阻尼、电磁阻尼三种阻尼方式的优缺点进行对比，如表 2 所示。下文将计算分析系统的控制和阻尼特性，探讨将电磁阻尼方案应用于 CHZ-海洋重力仪的可行性。表 2重力仪强阻尼方案对比与分析Table 2Comparison and analys