本发明属于重力梯度仪动态测量，涉及一种重力梯度仪动态测量精度评价方法，尤其是一种基于人工质量的重力梯度仪动态测量精度评价方法。
背景技术：
1、重力梯度定义为重力加速度矢量的空间梯度，即重力位的二阶导数，表征重力矢量的空间变化率。在地理坐标系中，重力矢量可以分解为x、y、z三个方向上的三个分量中，每一分量沿平行于坐标轴方向均有一个梯度。因此，重力梯度张量共有3×3个分量,如图1所示。
2、数学上，重力梯度可表示为：
3、
4、式中：
5、γ——地球外部任意空间位置重力梯度张量矩阵；
6、——当前位置重力加速度矢量；
7、——当前位置矢量；
8、γij(i,j＝x,y,z)——重力梯度张量各个分量，表示重力分量gi在j方向上的空间变化率。
9、重力场的旋度为零，说明γ具有对称性，即：
10、
11、重力梯度仪是对地球表面微小重力梯度变化进行连续测量的仪器，现阶段重力梯度测量主要有扭秤、旋转加速度计、冷原子干涉、静电悬浮加速度计、超导磁悬浮等多种不同的重力梯度测量原理，但重力梯度仪动态测量精度的评价方法并没有形成一个公认的标准。由于世界上并没有已知数值的重力梯度环境，因此目前动态测量精度主要由动态测量噪声和内符合精度评价方法两种，这两种评价方法主要是评价重力梯度仪的重复性，而非准确性。
12、综上所述，由于缺乏已知真值的重力梯度环境，现有重力梯度仪动态精度评价方法只能评价仪器在相同位置下的测量重复性，无法定量评价仪器的测量准确性，因此需要一种重力梯度仪动态测量精度评价方法，能够在动态条件下评价重力梯度仪对真实重力梯度的测量能力，更加可靠的评价重力梯度仪动态测量精度。
13、经检索，未发现与本发明相同或相似的现有技术的专利文献。
技术实现思路
1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于人工质量的重力梯度仪动态测量精度评价方法，能够在动态条件下定量评价重力梯度仪对真实重力梯度信号的测量能力。
2、本发明解决其现实问题是采取以下技术方案实现的：
3、一种基于人工质量的重力梯度仪动态测量精度评价方法，包括以下步骤：
4、步骤1、将待评价的重力梯度仪安装在测量载体上；
5、步骤2、进行重力梯度测量；
6、步骤3、计算动态条件下矩型质量体对重力梯度仪旋转中心处产生的引力梯度激励值；
7、步骤4、对重力梯度仪测量数据进行处理，消除背景重力梯度对精度评价的影响；
8、步骤5、基于步骤4获得的消除背景重力梯度的仪器测量结果，对重力梯度仪动态精度进行评价。
9、而且，所述步骤1的具体步骤包括：
10、(1)将待评价的重力梯度仪安装在测量载体上，在重力梯度仪周围布设大型人工质量体；
11、(2)选用密度均匀的矩型人工质量体，安装前测量矩型人工质量体的各边边长和质量，分别记为a、b、c和m；
12、(3)将一个捷联惯性导航系统与人工质量体固连，测量重力梯度仪动态测量精度评价试验中人工质量体坐标系(b系)相对于地理坐标系(n系)的姿态；
13、(4)通过激光测距仪测量从人工质量体中心到重力梯度仪检测质心的距离矢量在b系三个坐标轴上的投影和记：
14、(5)在测量载体上安装卫星导航设备，用于重力梯度数据的时空转换。
15、而且，所述步骤2的具体步骤包括：
16、(1)将重力梯度仪开机稳定，待仪器稳定后，沿一条测线开展重力梯度动态测量；动态测量过程中，分别记录测线上重力梯度仪输出的测量时间和重力梯度测量结果，将数据序列分别记为和记录测线上卫星导航设备输出的时间信息、经度信息和纬度信息，将数据序列分别记为和以及捷联惯性导航系统输出的人工质量体航向角、俯仰角和横滚角，将数据序列分别记为和
17、(2)完成一次重力梯度测量后，将人工质量体移动至另一个位置，使用通过激光测距仪测量此时从人工质量体中心到重力梯度仪检测质心的距离矢量在b系三个坐标轴上的投影和记：
18、(3)完成人工质量体位置移动后，沿同一条测线，同一方向开展第二次重力梯度动态；在动态测量过程中，分别记录测线上重力梯度仪输出的测量时间和重力梯度测量结果，将数据序列分别记为和记录测线上卫星导航设备输出的时间信息、经度信息和纬度信息，将数据序列分别记为和以及捷联惯性导航系统输出的人工质量体航向角、俯仰角和横滚角，将数据序列分别记为和
19、而且，所述步骤3的具体步骤包括：
20、(1)计算b系下两个位置下人工质量体产生的引力梯度值；
21、首先，通过人工质量体的质量和几何尺寸，计算人工质量体的密度，其计算公式为：
22、
23、式中ρ是人工质量体的密度；
24、其次，人工质量体在第一个位置下，对重力梯度仪检测质心产生的引力梯度在b系下的投影为：
25、
26、其中，μijk＝(-1)i(-1)j(-1)k；
27、式中，和是人工质量体在第一个位置时对重力梯度仪检测质心产生的引力梯度对应方向在b系下的投影，g为万有引力常数，其他均为计算过程变量；
28、将和写成矩阵形式，有：
29、
30、式中，是人工质量体在第一个位置时对重力梯度仪检测质心产生的引力梯度张量矩阵。
31、最后，同理计算人工质量体在第二个位置下，对重力梯度仪检测质心产生的引力梯度在b系下的投影为：
32、
33、其中，
34、式中，和是人工质量体在第二个位置时对重力梯度仪检测质心产生的引力梯度对应方向在b系下的投影，其他均为计算过程变量；
35、将和写成矩阵形式，有：
36、
37、式中，是人工质量体在第二个位置时对重力梯度仪检测质心产生的引力梯度张量矩阵；
38、(2)结合姿态信息计算测线上人工质量体产生的引力梯度激励值；
39、根据测量过程中捷联惯性导航系统输出的人工质量体航向角、俯仰角和横滚角，计算各个时刻b系至n系的方向余弦矩阵，计算公式为：
40、
41、式中，是b系至n系的方向余弦矩阵，ψ、θ和γ分别是载体的航向角、俯仰角和横滚角。
42、分别将第一次、第二次重力梯度动态测量过程中，捷联惯性导航系统分别输出的航向角俯仰角横滚角和航向角俯仰角横滚角代入式(6)中，得到两次重力梯度动态测量中b系至n系的方向余弦矩阵，分别记为和
43、根据张量在不同坐标系下的坐标变换关系，得到第一次重力梯度动态测量人工质量体对重力梯度仪检测质心产生的引力梯度在n系的投影为：
44、
45、式中，是第一次重力梯度动态测量中人工质量体在重力梯度仪检测质心产生的引力梯度在n系的投影，是由第一次重力梯度动态测量中n系至b系的方向余弦矩阵，数值上是矩阵的逆矩阵；
46、针对待评价的重力梯度仪测量分量为ij，选取重力梯度张量矩阵中的第i行第j列的序列，记为
47、同理得到第二次重力梯度动态测量人工质量体对重力梯度仪检测质心产生的引力梯度在n系的投影：
48、
49、式中，是第一次重力梯度动态测量中人工质量体在重力梯度仪检测质心产生的引力梯度在n系的投影，是由第一次重力梯度动态测量中n系至b系的方向余弦矩阵，数值上是矩阵的逆矩阵；
50、针对待评价的重力梯度仪测量分量为ij，选取重力梯度张量矩阵中的第i行第j列的序列，记为
51、而且，所述步骤4的具体步骤包括：
52、(1)通过时空转换的方法将序列自标量由时间变为空间
53、首先，根据测线方向选取经纬度信息，如测线方向为南北方向，则选取纬度信息为位置信息，如测线方向为东西方向，则选取经度信息为位置信息；
54、利用两次重力梯度动态测量中卫星导航设备输出的时间信息和经纬度信息，将以时间为自标量的重力梯度数据序列转化为以位置为自标量的重力梯度数据，具体为：
55、
56、式中分别是以位置信息为自变量的第一次测量重力梯度仪实测结果，是以位置信息为自变量的第二次测量重力梯度仪实测结果，是以位置信息为自变量的第一次测量人工质量体对重力梯度仪检测质心产生的引力梯度在n系投影的ij分量，是以位置信息为自变量的第二次测量人工质量体对重力梯度仪检测质心产生的引力梯度在n系投影的ij分量；
57、通过插值的方法将其上述四个序列的自变量变为等间隔；
58、定义一个位置序列，序列起点为测线起点位置值，序列终点为测线终点位置值，间隔为0.0005°，记该位置序列为p，该序列点数为n。
59、以位置序列p作为自变量，对和序列进行位置插值，将序列自变量变为等间隔，插值方法选用三次样条插值，将插值后的序列分别记为和
60、(2)通过差分方法消除地表真实重力梯度对动态精度评价的影响
61、采用空间域差分的方法消除地表真实重力梯度对重力梯度动态精度评价的影响，具体公式为：
62、
63、式中，是两次测量重力梯度仪实测数据的位置差分信号，是两次测量人工质量体对重力梯度仪检测质心产生的引力梯度在n系投影的ij分量的位置差分信号；
64、而且，所述步骤5的具体方法为：
65、通过比较重力梯度仪能否在动态条件下测量人工质量体产生的引力梯度信号，来评价重力梯度仪动态测量精度，具体公式为：
66、
67、式中，eγij是重力梯度仪动态测量精度评价结果，是序列的第k个元素，是序列的第k个元素。
68、本发明的优点和有益效果：
69、本发明提出一种基于人工质量的重力梯度仪动态测量精度评价方法，在重力梯度仪周围布设大型人工质量体，沿同一条测线完成两次重力梯度动态测量，两次测量过程中人工质量体放置在不同的位置，使之在两次测量中对仪器检测中心产生不同的引力梯度激励，利用空间域差分的方法消除地表背景重力梯度，将差分后的仪器测量信号与人工质量体在动态测量过程中产生引力梯度进行比较，得到重力梯度仪动态测量外符合精度评测结果。与现有技术相比，现有的重力梯度仪动态精度评价方法只能评价重力梯度仪在相同位置下的测量重复性，而本发明提出的评价方法能够在动态条件下评价重力梯度仪对真实重力梯度的测量能力，更加可靠的评价重力梯度仪动态测量精度。
1.一种基于人工质量的重力梯度仪动态测量精度评价方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于人工质量的重力梯度仪动态测量精度评价方法，其特征在于：所述步骤1的具体步骤包括：
3.根据权利要求1所述的一种基于人工质量的重力梯度仪动态测量精度评价方法，其特征在于：所述步骤2的具体步骤包括：
4.根据权利要求1所述的一种基于人工质量的重力梯度仪动态测量精度评价方法，其特征在于：所述步骤3的具体步骤包括：
5.根据权利要求1所述的一种基于人工质量的重力梯度仪动态测量精度评价方法，其特征在于：所述步骤4的具体步骤包括：
6.根据权利要求1所述的一种基于人工质量的重力梯度仪动态测量精度评价方法，其特征在于：所述步骤5的具体方法为：
