О методах гравиинерциальной навигации

Среди методов навигации, разработанных применительно к инструментальным измерительным средствам, использующим БГГ, выделяют три главных направления: Корреляционно-экстремальные методы навигации, выполняемые путем совместной обработки текущей измерительной информации, формируемой с помощью БГГ в сочетании с другой информацией, хранящейся в виде карт значений вторых производных по координатам от геопотенциала для заранее подготовленных районов.

Из сравнения этих трех групп основных методов навигации наиболее привлекательными будут методы третьей группы, которые являются непосредственным развитием традиционного метода инерциальной навигации [Парусников и др. 1982; Britting et al. 1972]. На базе методов третьей группы можно разработать комплексный метод навигации, объединяющий суммарные возможности всех перечисленных методов.

Применение БГГ для формирования вектора гравитационного ускорения с целью использования этой информации в навигационных системах связано с двумя основными аспектами: ГПЗ обладает стабильными характеристиками и в системе координат жестко связанной, например, с вращающейся Землей, в первом приближении является функцией радиус-вектора, причем отношение радиальной аномальной части к его нормальной достигает ~ 5 • 10“4; принципиально возможно сформировать тензор вторых производных от гравитационного потенциала на борту движущегося носителя, на движение которого не накладывается никаких ограничений.

С точки зрения физики явления возможность использования БГГ в процессе движения транспортного аппарата основана на различии пространственно-временных характеристик воздействия активных и гравитационных сил на некоторую совокупность наблюдаемых пробных тел, входящих в состав градиентометров и образующих его чувствительный элемент. При такой постановке никакой тождественности между реакциями совокупности пространственно разнесенных пробных тел на указанные воздействия не существует [Forward 1981; Reinhardt et al. 1982]. Поэтому в замкнутом объеме, регистрируя относительные смещения пробных тел, без использования внешней информации можно достоверно обнаружить и измерить отличие в действии этих сил.

В инерциальной (произвольной) системе координат Ot вектор гравитационного ускорения для вращающейся Земли является функцией радиус-вектора ?, и времени t: gi = lt;??.(?,,?) и, следовательно,

dgi              dgr dt dgr

полная производная по времени от вектора ускорения равна —- = -г-- — +

at              oi, at              at

В общем случае измерение характеристик пространственной изменчивости гравитационного поля

dgi г

не позволяет определить полную производную по времени —С целью интегрирования приведенного

at

I              д

уравнения для -г- (при условии задания начальных значений) требуется измерить тензор Те, =              и

dt              ос,

dgi

В некоторых случаях при проведении высокоточных измерений может потребоваться учет вариаций

ogi

во времени силы тяжести путем введения дополнительных поправок в член В задачах навигации

ot

и геодезии с требуемой степенью точности можно не учитывать этих изменений гравитационного поля со временем.

В инерциальной системе координат вектор гравитационного ускорения Земли имеет вид дi = где зависимость от времени связана с вращением ГПЗ вместе с поворотом самой Земли, и

dgi

поэтому для полной производной по времени имеет место приведенная формула для —-. Как принято

dt

в теории гравитационного поля, будем считать геопотенциал аналитической функцией, регулярной на

dgf

бесконечности. Для частной производной имеем:

dot

dt

где ui — вектор абсолютной угловой скорости вращения Земли.

Основное уравнение инерциальной навигации при использовании результатов градиентометрических измерений для нахождения вектора гравитационного ускорения [Britting et al. 1972], можно записать t = V?.,              гgt;?. = fi + д^ = TgV^ + x gгде v^ — вектор относительной скорости материальной

точки М (отождествляемой с реальным аппаратом навигации), равный              х Начальные

условия для этой системы уравнений 9-го порядка задаются для точки расположения чувствительной массы пространственного акселерометра (или приведенной точки в случае применения одноосных акселерометров) и имеют вид ?(0) = to, ^(0) =              д^(0) = дю-

В рассматриваемом случае определение гравитационного ускорения производится путем интегрирования результатов измерения тензора вторых производных от гравитационного потенциала по координатам непосредственно на траектории движения. При этом требуется задание вектора гравитационного

ускорения в начальной точке. При использовании градиентометрических измерений информация применяется как в процессе выставки ГИНС, так и для задания начальных условий в процессе интегрирования модифицированной формы представления основного уравнения навигации.

В случае использования результатов измерения всего тензора вторых производных по координатам от гравитационного потенциала возможно получение семейства модифицированных методов представления основного уравнения инерциальной навигации (например [Васин 1990]).

Определение в вычислителе гравитационного ускорения путем интегрирования результатов градиентометрических измерений приводит, как и в случае традиционного построения ИНС, к неустойчивости вертикального канала. Это является принципиальным свойством всех систем инерциальной навигации, включая рассматриваемые ГИНС. Для борьбы с расходимостью вертикального канала следует воспользоваться дополнительной информацией о высоте движения, например, с помощью неинерциальных измерительных средств. Горизонтальные каналы рассматриваемой ГИНС характеризуются наличием периодических колебаний на шулеровской частоте.

Работа традиционной ИНС позволяет непрерывно в процессе движения транспортного аппарата определять его текущие геодезические координаты и строить (аппаратно или аналитически в зависимости от типа ИНС) нормаль к принятому эллипсоиду вращения.

Поскольку в процессе решения прикладных задач навигации и управления точность определения вертикали является важнейшей характеристикой, то при решении задач анализа и синтеза законов управления ГИНС с БГГ возможно использование трех типов вертикалей, соответствующих текущим геодезическим координатам транспортного аппарата, его астрономическим координатам, и координатам, связанным с направлением вектора гравитационного ускорения.

Согласно современному подходу, задача инерциальной навигации сводится к анализу модельного движения некоторой материальной точки в известном гравитационном поле. В качестве такой точки рассматривается чувствительная масса пространственного акселерометра или приведенная точка в случае применения триады ортогональных одноосных акселерометров. Задача гравиинерциальной навигации ставится как задача исследования движения указанной точки в неизвестном гравитационном поле. Анализируются свойства гравитационного поля применительно к задаче навигации и устанавливается ограничение на вид потенциальной функции.

Основное уравнение инерциальной навигации описывает движение упомянутой выше материальной точки, моделируемое в бортовом вычислителе. Необходимая информация о векторе кажущегося ускорения формируется с помощью, например, акселерометрических измерений. Вектор гравитационного ускорения получается на основе бортовой модели геопотенциала, хранящейся в вычислителе ИНС. В гравиинерциальной навигации подразумевается применение чисто инерциальных чувствительных элементов, измеряющих характеристики инерционного и гравитационного силовых полей. Измерения используются для определения вектора гравитационного ускорения, действующего на рассматриваемую материальную точку. В отличие от традиционного метода инерциальной навигации ставится более сложная задача — задача гравиинерциальной навигации. Здесь возможно получение различных модифицированных форм представления основного уравнения инерциальной навигации, учитывающих измерительную информацию, доставляемую БГГ, при этом необходимо подробно рассмотреть методику получения уравнений ошибок с разделением последних на динамическую и кинематическую составляющие [Парусников и др. 1982; Васин 1990].

Следует подробно проанализировать динамические свойства ГИНС различного типа построения и указать на важность выбора конкретного типа ГИНС, а также соответствующую структуру и состав бортового алгоритмического обеспечения. Для рассматриваемых ГИНС за счет выбора метода гра- виинециальной навигации чисто алгоритмически (т. е. путем организации соответствующих потоков информации) можно варьировать их динамические свойства и объемы используемой информации. Выбор метода гравиинециальнои навигации в конечном итоге будет определять точность решения целевой задачи.

Для повышения точности и надежности ГИНС возможно учитывать основную часть гравитационного поля с помощью модели геопотенциала, например в виде нормальной Земли.

На основе проведенного исследования свойств рассматриваемого метода гравиинерциальной навигации, анализа ряда возможных подходов к решению задачи навигации с использованием БГГ, в том числе варианта применения градиентометра в режиме «гравитационного» высотомера [Дизел 1964], имеется возможность построения корректируемой навигационной системы на базе инерциальных чувствительных элементов при использовании априорной информации о гравитационном поле (в виде простой модели геопотенциала и, возможно, карт гравитационных характеристик) с устойчивыми тремя каналами.

Подготовка системных требований к облику информационно-измерительного средства гравиразведки на основе БГГ

Вторые производные от геопотенциала непосредственно характеризуют пространственное распределение плотности залегающих пород. В результате обработки гравиградиентометровых измерений осуществляется обнаружение и определение характеристик залегающих гравиконтрастных тел и структур, а также пустот, разломов и трещин. Применяемые в настоящее время измерители вторых производных имеют точность 10"-15 Э (1 Этвеш =10“9с“2) при времени измерения 15-20 минут и 1-2 Э при времени измерения несколько часов.

При выполнении гравиразведки помимо гравиметрических работ проводятся и топогеодезические работы. В настоящее время удельный вес гравиразведки составляет порядка 30% при изучении региональных аномалий и порядка 15% при изучении тонкой структуры гравитационного поля.

Здесь целесообразна разработка измерителей полного тензора вторых производных по координатам местоположения от геопотенциала, обладающих максимальной информативностью, с точностью на уровне 1 Э и выше, а также необходимой надежностью. Быстродействие таких приборов может составить несколько секунд. При этом имеется возможность одновременного решения такой сложной задачи, как непрерывное осуществление высокоточной координатно-временной привязки результатов градиентометровых измерений с одновременным решением задачи ориентации.

Разработка компактного, мобильного и автономного средства с БГГ, новых методов измерений обеспечивает создание передовой технологии поиска и разведки полезных ископаемых [Dransfield 1994; Matthews 2002].

Конструкторско-технологическая реализуемость БГГ была продемонстрирована в конце 70-ых годов прошлого века рядом фирм США (C.S. Draper Laboratory, Hughes Aircraft, Bell Aerospace/Textron [Wells 1984]), создавших по заказу МО США лабораторные образцы БГГ, которые прошли удовлетворительные лабораторные испытания. После того как МО США остановило свой выбор на БГГ фирмы Bell Aerospace/Textron, последовал этап доработок вращающегося акселерометрического градиентометра и всей измерительной системы, создаваемой на его базе. В 1982 г. БГГ этой фирмы, разработанный для подводных лодок и измеряющий полный тензор вторых производных от геопотенциала, прошел успешные морские испытания, а затем в 1987 г. — запланированный цикл воздушных испытаний. Параллельно, а в ряде случаев с опережением проводились научно-методические работы по обеспечению требуемой надежности градиентометрических измерений, а также для выполнения интерпретации результатов градиентометрических измерений в интересах решения целевых задач.

Особый интерес представляют результаты практических проработок, выполненных в рамках проекта ВНР Falcon (ВНР Billiton — австралийская горнодобывающая компания). Компания Bell Aerospace/Textron (позже Bell Aerospace/Textron вошла в состав Lockheed Martin) успешно продемонстрировала измерение всех девяти компонент тензора на подвижном основании подводной лодки. Задача группы специалистов ВНР Falcon состояла в модернизации БГГ, используемого на подводной лодке, для установки его на борт легкого самолета, где действующие ускорения, акустика, вибрации и другие источники шума были очень большими. Цель группы — создание «первой в мире» авиационной градиентометрической системы в интересах гравиразведки с максимально возможной точностью и пространственным разрешением при высоких эксплуатационных характеристиках. Созданное программное обеспечение реализует оперативное получение геологической карты по измерениям, выполненным в течение рабочего дня до начала следующего дня полетов. Проект Falcon объединил усилия специалистов ВНР, тесно связанных с заказчиками, расположенными в Восточной Австралии и Северной Америке. В проекте принимали участие геофизики, имеющие опыт полевых работ, что привело к постановке важных вопросов, которые обычно не возникали в коллективах разработчиков инструментальных средств.

Система АГГ (авиационный гравитационный градиентометр) была создана на базе Lockheed Martin в Буффало штат Нью-Йорк при активном участии ВНР. Эта система АГГ была установлена на борт самолета Cessna Grand Caravan в сочетании с магнитометром на цезиевых парах, лазерной сканирующей системой совместно с аппаратурой GPS (для детальной картографии местности) и сцинтилляционным спектрометром. Первая система ВНР Falcon под названием Эйнштейн с октября 1999 г. непрерывно эксплуатировалась в Канаде, Австралии и Южной Африке с общей протяженностью наработки 160 000км. Вторая система Ньютон применялась в Северной и Южной Америке с апреля 2000г. с наработкой 105000км. Погрешность определения вертикального градиента на легком самолете — 5Э, минимальная длина маршрута — 10 км, разрешение — от 100 до 400 м, высота полета — от 80 до 120 м, производительность — 500-800 км на полет, наработка в неделю — от 2500 до 5000 км. Третья система Галилео планировалась для использования в Австралии с конца 2002 г., а четвертая полностью цифровая система АГГ под названием Фейнман — с начала 2004 г. Семь лет и 30 миллионов австралийских долларов понадобились специалистам ВНР Falcon для достижения высоких результатов.

На основе анализа разработанных в США БГГ тепловой схемы построения и опыта их практического применения прорабатывается в разных странах за рубежом ряд проектов систем АГГ, основанных на новых схемах конструктивного исполнения, для задач коммерческого применения, прежде всего для поиска и разведки полезных ископаемых: создается гравитационный градиентометр UWA (Университет Западной Австралии) с уровнем шума 1 Э (1 а) за время 1 с (лабораторные условия) [Matthews 2002]; проект Rio Tinto/Gedex/UWA (Канада), основанный на дальнейшем развитии схемы градиентометра UWA на борту самолета для целей гравиразведки; градиентометр разработки университетов Мэриленд (США)/Оксфорд (Англия); градиентометр разработки университета в Бирмингеме (Англия); гравитационный градиентометр Gravitec AVOSS (Новая Зеландия), который в настоящее время прорабатывается в университете Стратклайда, и другие проекты. Авторам не известны отечественные разработки такого уровня точности.

При создании отечественной аппаратуры необходимо рассмотреть следующие вопросы: Совместную задачу проведения гравиградиентометрической съемки и осуществления координатной привязки результатов измерений градиентометром с решением задачи ориентации. В качестве практического перспективного варианта инструментальной реализации указывают на целесообразность внедрения БГГ в состав аппаратуры ИНС с реализацией ГИНС. Анализ различных подходов реализации ГИНС на основе БГГ с учетом основных технических характеристик (достижимая точность и быстродействие градиентометров) для возможных вариантов базирования (сухопутное, морское, воздушное и др.) и оптимальных технологий выполнения съемок в интересах гравиразведки. Анализ практических процедур определения погрешностей БГГ (методических погрешностей, связанных с определением и учетом гравитационного влияния на показания БГГ собственных масс градиентометра, окружающих узлов и подсистем, масс применяемого транспортного средства [Molny et al. 1982], а также инструментальных погрешностей градиентометров). В качестве предлагаемого подхода алгоритмического обеспечения точности рассматривают метод решения задачи коррекции ГИНС при использовании дополнительной навигационной информации. Предлагаемое техническое решение задачи определения погрешностей БГГ с целью непрерывного контроля их точности можно применять на практике в реальном масштабе времени в процессе осуществления гравиградиентометрической съемки [Dransfield 1994]. Общий анализ и подготовку практических рекомендаций в части комплексирования дополнительными датчиками полезной информации для получения наиболее полной геологической информации, а также вспомогательными датчиками информации, обеспечивающими надежное функционирование всей системы. Также прорабатывают вопросы технического и информационного обслуживания и рабочие режимы.

О путях создания аппаратных составных частей унифицированных информационно-измерительных средств на основе ГИНС

Здесь основной задачей является определение и конструкторская проработка на аппаратном уровне технических подсистем унифицированного информационно-измерительного средства с обоснованием реализуемости его основных технических и эксплуатационных характеристик.

Результатом выполнения указанных работ является подготовка конструкторско-технологического задела на создание БГГ чувствительностью 1-10Э, разработка подробных математических моделей прибора и его отдельных узлов, подготовка требований к проверочному и испытательному оборудованию с анализом возможности его приобретения или создания, разработка ТЗ на создание промышленной конструкции трехосного гравитационного градиентометра, разработка ТЗ на создание ГИНС (с использованием трехосного градиентометра) и унифицированного информационно-измерительного комплекса, создаваемого на ее базе, подготовка рекомендаций по промышленной разработке указанного унифицированного средства.

Как показывает зарубежный опыт, первый работоспособный БГГ, созданный в США фирмой Bell Aerospace/Textron с целью решения навигационно-геодезических задач, был с использованием акселе- рометрических приборов. Акселерометрическая схема построения используется для БГГ в космической программе GOCE для проведения глобальных геофизических исследований. Поэтому ниже рассмотрены технические вопросы для схем построения БГГ на основе высокоточных акселерометров с указанием рекомендаций по обеспечению требуемых точности и быстродействия. О состоянии работ по другим конструктивным схемам БГГ было указано в разделах 5.5. и 6.9.

Для пояснения используемой терминологии сделаем следующие замечания.

Термин «одноосный», «двухосный», «трехосный» относятся к акселерометрам, имеющим соответствующее число измерительных осей для измерения ортогональных компонент ускорения. Кроме того, термин «одноосный», «двухосный», «трехосный» также может относиться к градиентометрическим измерителям в зависимости от числа измеряемых компонент тензора вторых производных от гравитационного потенциала, так как на практике используется модуляционный подход построения БГГ на основе принудительного вращения чувствительных элементов (акселерометров или гантелей), то понятие «осности» тесно связано с конкретной осью вращения.

Термин «двуканальный» также используется по отношению к акселерометрам (типа «акселерометр в акселерометре»), указывая на иерархическую структуру построения рассматриваемого прибора с помощью двух каналов измерений для обеспечения расширенного динамического диапазона. Так, УСТ равно д (т. е. 9.8 м/с2), а наименьшая измеряемая величина ускорения, например, должна составить 10- 12 lt;7, т. е. динамический диапазон равен 12 порядкам. Традиционный компенсационный акселерометр позволяет выполнять измерения примерно в диапазоне 6 порядков. Применение усложненной схемы построения акселерометра с использованием второго канала позволяет измерять остальные 6 порядков, т. е. первый канал является «грубым», а второй — «точным».

Акселерометр включает в себя механическую часть, к которой применяется термин «чувствительный элемент» и датчик момента, применяемого для получения силового воздействия, компенсирующего измеряемое кажущееся ускорение (удельную силу). Другой составной частью акселерометра является электронный блок, включающий блок преобразования перемещения в электронный сигнал и далее его усиление и аналогово-цифровое преобразование.

Как чувствительный элемент, так и электронный блок подвержены воздействию тепловых броуновских шумов вследствие случайного движения молекул газа, присутствующего в корпусе акселерометра, что ограничивает предельные точностные характеристики механических и электронных приборов. Помимо влияния броуновского движения случайное движение электронов в электрических цепях вызывает шумы Найквиста в этих цепях, что приводит к дополнительным погрешностям. Так как эти шумы сильно зависят от температуры, то очевидной задачей является ее снижение до технически возможного уровня с обеспечением прецизионной стабилизации.

На показания акселерометров в составе БГГ оказывают серьезное влияние угловые и линейные (фоновые) вибрации гиростабилизированной платформы (ГСП) и подвижного аппарата-носителя. При этом величина отношения (фон)/(полезный сигнал) достигает 11-12 порядков. Так, оценки влияния фонового сигнала от угловой вибрации на выходной сигнал БГГ могут давать помеху на уровне 109Э, а от линейных вибраций — до 104Э. Существенного снижения влияния угловых вибраций можно добиться путем введения дополнительного антивибрационного устройства в составе ГСП.

Структуру погрешности акселерометра определяют две составляющие: аддитивная (не зависящая от измеряемого ускорения) и мультипликативная, или погрешность масштабного коэффициента (зависящая от измеряемого ускорения). Модуляционный принцип измерения в БГГ (на основе применения вращающихся дифференциальных акселерометров) позволяет снизить аддитивную составляющую до уровня тепловых шумов. Для устранения погрешности требуется проводить непрерывную калибровку. Масштабный коэффициент акселерометра проявляется как 1/шд, где шо — частота собственных колебаний маятника акселерометра. В БГГ, построенном с помощью двух пар разнесенных акселерометров с относительным смещением 6, аналог этой погрешности проявляется в виде погрешности общей моды,

беи а

равной выражению 2—-, где а равно линейному ускорению по оси чувствительности акселерометров,

Шо о

а беи определяется рассогласованием частот собственных колебаний маятников акселерометров. Для БГГ акселерометрической схемы построения точностью 1 Э величина беи в типовых случаях должна находиться на уровне 10“7Гц, что накладывает жесткие ограничения на величину допустимого рассогласования частот. Наряду с компенсацией погрешности общей моды и масштабных коэффициентов акселерометров в составе БГГ будет одновременно ликвидироваться влияние механических воздействий: линейных вибраций, акустических шумов и ударов, поскольку они проявляются как ускорение а, структурно входящее в выражения для погрешности общей моды.

Для измерения тензора вторых пространственных производных может использоваться конструкция из трех одноосных градиентометров, оси вращения которых ортогональны друг другу. В одноосном градиентометре акселерометры устанавливаются так, чтобы их точки подвеса были расположены на периферии вращающегося основания, а плечи маятников направлены радиально по направлению к оси вращения. Такое расположение акселерометров позволяет на порядок и более повысить чувствительность акселерометров: при малом отклонении маятника акселерометра от радиального направления вследствие воздействия гравитационного ускорения синфазно будет действовать нескомпенсированная проекция центробежной силы, приводящая к дополнительному моменту и, следовательно, к угловому движению маятника (что является проявлением положительной обратной связи).

БГГ рассматриваемой схемы построения для измерения всех компонент тензора может выдавать полный набор навигационной информации по линейным ускорениям, а также угловым скоростям и ускорениям, т. е. из него может быть построена «малая» бесплатформенная инерциальная навигационная система (БИНС). Это открывает возможность решать задачу корректируемой навигационной системы и контролировать точность работы БГГ.

Далее перечислены основные вопросы, решение которых необходимо в обеспечение инструментальной проработки унифицированного информационно-измерительного средства на основе ГИНС с БГГ: Обоснование фундаментальных, технологических основ инструментальной разработки промышленного гравитационного градиентометра и всего информационного средства с его применением.

Решение технических проблем осуществления инструментальных высокоточных измерений механическими датчиками первичной информации на борту движущихся аппаратов в условиях сильных помех и возмущений различной природы включает:

оценку уровня броуновских шумов в ЧЭ и шумов Найквиста в электронике; прецизионную балансировку ЧЭ (например гантельного типа) и ГСП с учетом расположения на ней БГГ; обеспечение создания ЧЭ заданной формы, упругих подвесов с требуемыми параметрами, регистрации микроперемещений пробной массы, а также реализацию оптимальной схемы двухканального акселерометра; прецизионную температурную стабилизацию ГСП и БГГ; проработку цифро-аналоговых и аналогово-цифровых преобразователей применительно к БГГ; стабилизацию размерных, магнитных и других физических свойств материалов, предназначенных для изготовления деталей БГГ; анализ современного состояния и тенденций развития БГГ и их математического обеспечения; определение конструкционного облика унифицированного информационно-измерительного комплекса на базе ГИНС и требований к его подсистемам. Проработка основных инструментальных проблем создания БГ включает:

исследования по разработке электростатического датчика момента акселерометра, при этом в качестве опорного элемента в электрических цепях вводится высокостабильный (эталонный) источник тока; проработку вопроса о совмещении функций датчика угла и датчика моментов с помощью одних и тех же электродов; исследования по разработке магнитоэлектрического датчика момента акселерометра; проведение расчетов механической (упругой части), электрической и магнитной системы, а также обеспечение взаимной совместимости системы сил: центробежных, переносных, кориолисовых и сил обратной связи, при этом используется стенд для определения упругости, в электрическую часть акселерометра вводится эталонный источник тока; подготовку уточненной модели погрешности и проработку основных моментов технологии изготовления; разработку конструктивной схемы эталона электрического тока; обоснование необходимости введения высокостабильного (эталонного) источника тока в базовые электрические цепи акселерометров в составе БГГ; исследования по разработке двухканальной схемы акселерометров; проработку вопроса минимизации уровня механических взаимовлияний указанных каналов акселерометров; разработку конструктивной схемы двухканального акселерометра с обеспечением выполнения требований минимизации взаимовлияний; разработку электрической схемы; построение схемы и расчет элементов контура прецизионной термостабилизации; определение основных блоков измерительной системы БГГ; анализ и оценку возможностей размещения радиоэлектроники по поверхности механических деталей: маятников (собственно электроника акселерометров), поверхности полости ротора; подготовку перечня необходимого стендового оснащения; детальное проектирование упругих подвесов, согласование (выравнивание) их жесткостей, частот свободных колебаний, датчиков углов и моментов, выполнение балансировки характеристик каналов, рассмотрение возможности использования настройки каналов на резонанс в режиме периодической перестройки на повышенное демпфирование с целью обеспечения требуемого сочетания высокой чувствительности (при одновременном механическом и электрическом резонансе) с требуемым быстродействием (за счет введения периодического повышенного демпфирования), с постановкой задачи оптимизации этой процедуры (для определения оптимальной продолжительности и частоты смены участков с резонансом и демпфированием); оценку уровня влияния механических шумов (вибрационных, ударных, акустических) и помех различной природы (магнитных, радиотехнических, температурных, внутренних и внешних гравитационных градиентов вследствие гравитационного влияния конструкционных масс самого прибора и аппарата-носителя градиентометрической системы); проработку конструкторско-алгоритмических способов определения и учета влияния этих помех на показания БГГ; определение основных конструкционных параметров узлов и элементов, их оптимизация с учетом решения основных технических проблем; разработку эскизной проектной документации узлов и прибора в целом; разработку методик проверок технических параметров и калибровок с привязкой к существующему или планируемому стендовому оснащению; подготовку конкретных технических рекомендаций; разработку предложений по метрологическому обеспечению БГГ в широком диапазоне измеряемых параметров с проведением анализа существующих методик, разработанных для акселерометров и измерителей угловых скоростей на основе применения наклонно-поворотного и скоростного стендов для традиционных диапазонов измерения (метрологическое обеспечение первого, грубого канала акселерометра для двухканальной схемы его построения); проработку применимости метода измерения изменения расстояний до тяжелых (например свинцовых) масс для второго, точного канала двухканального акселерометра; разработку методики и схемно-технического решения прецизионной стабилизации скорости вращения роторной части БГГ по показаниям акселерометров. Обоснование схемы и проработка основных элементов и узлов БГГ включает:

анализ наиболее известных схем БГГ гантельного и акселерометрического типов с учетом зарубежного опыта; определение схемы БГГ, позволяющей совместное получение выходной информации по вторым производным по координатам от гравитационного потенциала с обеспечением пространственной привязки и контролем точности выполняемых измерений; выбор схемы прецизионной балансировки для гантельного и маятникового вариантов чувствительного элемента; проработка магнитоэлектрического и электростатического датчиков момента с целью измерения ускорений в широком диапазоне путем реализации двухканальной схемы акселерометра; проработку способов компенсации погрешностей типа «общей моды» в БГГ (погрешности масштабного коэффициента в акселерометре) с учетом влияния вибраций, шумов и ударов; проработку схем сужения диапазона измерения гравитационного градиента для повышения результирующей точности выходной информации; проработку схем источника тока высокой стабильности для обеспечения требуемой точности БГГ за счет введения этого источника в цепь обратной связи акселерометра с целью непрерывной калибровки; проработку принципиальной схемы построения эталона единицы гравитационного градиента; проработку возможности эффективного регулирования быстродействия измерительного процесса в случае резонансной настройки акселерометра.

В обеспечение соответствия параметров БГГ основным техническим требованиям конструкторской и технологической документации нормативным документам отрасли и ГОСТ во время всего жизненного цикла создания БГГ должны проводиться их контроль, настройка и калибровка.

Подготовка и формирование экспериментального производства для БГГ должна проводиться с использованием накопленного опыта и сбора статистических данных на предприятиях прецизионного приборостроения. Результаты более высокого уровня могут быть получены при установлении межотраслевых контактов с предприятиями, которые ведут многолетние практические исследования по созданию БГГ.