?？罩亓x的技術現狀及新應用

修 睿，郭 剛，薛正兵，李東明，李海兵

（1.青島海洋科學與技術試點國家實驗室，青島266237；2.北京航天控制儀器研究所，北京100039）

0 引言

重力是地球對地表物體萬有引力的一個分力。如將地球物理的細節變動通過高精度、高分辨率的重力場數據變化表現出來，這些數據變化將為大地測量測繪、地球物理/地質地貌的勘探，以及空間海洋的科學研究提供重要的基礎資料和基本參數，是國家的重要戰略資源。根據現有技術水平，研制和構建精度更高、分辨率更好的重力場模型，從而更好地進行地球資源勘查，是測量學在未來發展過程中的一項重要任務。

重力測量儀在現代國防工業中的應用價值主要體現在以下領域：

在資源勘探領域，重力的變化反映了地下物質密度分布的不均勻，而物質密度的分布又與地質構造及礦產分布有著密切聯系，因而重力測量可應用于礦產勘探領域。該類型的應用在國外已有諸多成功案例，例如加拿大雪域無人區的大型金剛石礦藏、非洲大型油氣礦產的發現等。

在測繪科學領域，重力場數據可以幫助人類認識地球構造、物質分布與演化，促進對于地震監測與自然災害等前沿科學問題的研究。重力場數據對大地測量的主要貢獻在于確定地球形狀、精確求定地面控制點的坐標和高程基準等方面。

在慣性導航與定位領域，例如近地表飛行導航、運載火箭軌道定位、潛艇水下導航等，精準的重力或重力梯度信息能夠在很大程度上提高定位的準確度。

在軍事應用領域，高精度重力數據信息可以服務于低軌航天器的軌道設計和確定，以及對地觀測衛星的精密定軌；高精度重力數據可以為武器系統的發射場及途徑地提供重力異常和垂線偏差信息，并對武器系統的慣性導航系統進行重力補償，可有效降低慣性導航系統的Schuler誤差和導彈落點偏差，從而提高中遠程戰略武器系統的精準打擊能力；以重力數據庫為基礎的重力圖形匹配技術還可為執行長期潛航任務的潛艇提供水下位置校正信息，使潛艇不必再上浮至接近水面，以保證潛艇的隱蔽性和安全性。

國際上，海空重力測量系統已經有幾十年的發展歷史，美國、俄羅斯、加拿大等國家都有各自正在應用的?？罩亓y量系統。典型產品主要包括：美國Micro?g LaCoste公司研制的L＆R II型、III型?？罩亓x；美國Bell航空公司研制的BGM系列重力儀；俄羅斯中央電氣儀表所研制的Chekan?AM ?？罩亓x［1?6］。在我國，由中國國土資源航空物探遙感中心主持的航空地球物理勘查項目已經在 “十一五”和 “十二五”連續2個五年計劃中獲得了科技部 “863”項目的支持；由華中科技大學、中國地質大學、中國科學院武漢物理與數學研究所、中國科學院測量與地球物理研究所共同承擔的 “精密重力測量研究設施”項目也已經被列為《國家重大科技基礎設施建設中長期規劃（2012年～2030年）》優先安排建設的16項重大科技基礎設施［8?12］之一。

1 國外研究進展

1.1 海洋/航空重力儀

目前，國際上典型的海洋/航空重力測量產品主要包括：

（1）GT 系列重力儀

俄羅斯重力測量技術公司和國立莫斯科大學從20世紀60年代開始聯合研制海洋重力儀。GT系列重力儀目前包括 GT?1A、GT?2A、GT?2M、GT?X 等型號，其中GT?2M是海洋重力儀。T系列重力儀系統采用了三軸平臺慣導系統結構，對加速度計和相關電子設備采取了溫控措施。T系列重力儀系統由電子線路箱、重力儀主機、轉動臺和減震器4部分組成。該系列重力儀的敏感度約為0.1mGal，動態量程為10Gal，動態范圍約為±500Gal，最大姿態限制橫滾角和俯仰角均為±45°。該系統的精度可達0.5mGal，分辨率為 1.5km～2.75km［1?2］。GT 系列重力儀產品如圖1所示。

圖1 GT系列產品Fig.1 GT series products

（2）AIRGrav 航空重力儀

AIRGrav航空重力儀由加拿大Sander公司于1992年研制，于1997年研制成功，在1999年進行了首次飛行試驗，目前已經投入商業運營，主要用于石油勘探測量和探礦測量。該系統采用了三軸平臺慣導系統，主要優點是姿態更加穩定，受水平加速度的影響更小。其搭載在固定翼飛機時，其精度可達0.2mGal，分辨率為2.2km～4km；搭載在直升機時，其精度可達 0.2mGal，分辨率為0.7km ～ 1.1km［1?3］。

（3）L＆R III型?？罩亓x

2007年，美國 Micro?g LaCoste公司推出了L＆R III型?？罩亓x。該重力儀基于L＆R II型重力儀，對機體及重力數據軟件進行了改進和優化，在新型機械陀螺的基礎上加入了固體光纖陀螺，使穩定平臺能夠自動地對航行姿態進行實時的調整補償，從而保證重力傳感器始終處于水平測量狀態。同時，其重力傳感器在結構設計上具有對稱性，這使得儀器在測量過程中不受CC效應的影響，無需進行CC改正，能夠有效避免撞擊和震動帶來的誤差。在惡劣海況下，其測量精度可達±0.7 ～ ±1.0mGal［4?5］。

（4）Bell BGM?3 型海洋重力儀

該重力儀由美國貝爾航空公司研制生產，主要采用了高精度的貝爾航空XI型慣性級加速度計，在高動態環境下可獲得精確的測量結果。BGM?3型海洋重力儀的數字輸出精度為0.2mGal，在近海海況良好時測量精度高于0.4mGal，在進行遠海測量時精度約為 0.7mGal，零漂率＜0.1mGal/d［4?5］，且線性度高。BGM?3型海洋重力儀如圖2所示。

圖2 BGM-3海洋重力儀Fig.2 BGM-3 marine gravimeter

（5）Chekan?AM 重力儀

該重力儀由俄羅斯圣彼得堡科學研究中心電氣儀表所研制生產，屬于該所設計的第3代重力儀系統。Chekan?AM重力傳感器采用雙石英彈性系統，內設線性CCD光電轉換器，量程為15Gal，零漂率＜3mGal/月，精度為 1mGal。

（6）KSS 系列海洋重力儀

由德國Bodenseewerk公司研制生產的KSS系列海洋重力儀相繼推出了 KSS5型、KSS30型、KSS50型等型號產品，是新型高精度的海洋重力儀，具有精度高、質量小、抗風浪能力強等特點，并且自動化程度高、體積小。在海況平靜時，其測量精度為0.5mGal；在海況惡劣時，其重力測量精度為±1mGal；在海況非常惡劣時，其測量精度為±2mGal［5?6］。

（7）MGS?6 型海洋重力儀

MGS?6型海洋重力儀為LRS公司推出的產品，其設計和研制基于L＆R S型海洋重力儀，是第3代動態穩定平臺重力儀。其量程為500000mGal，動態重復精度為 0.25mGal［5?6］，可用于在全球范圍內進行重力測量。MGS?6型海洋重力儀如圖3所示。

圖3 MGS-6型海洋重力儀Fig.3 MGS-6 marine gravimeter

國外典型重力儀產品的研制情況如表1所示。

1.2 海空重力儀的車載試驗

航空重力測量是在海洋重力測量的基礎上發展起來的，與海洋重力測量相比，載體受環境影響的波動性較大。在將?？罩亓x搭載于車輛上時，由于車輛在行駛過程中發生晃動，車輛姿態經常發生變化，因而試驗對重力儀的動態適應能力要求更高。重力儀的車載試驗為未來針對車載重力測量技術的研究打下了良好的基礎。

美國俄亥俄州州立大學于2008年進行了針對INS/GPS重力測量系統的研究。鑒于INS/GPS重力測量系統在機載場景中可以表現出良好的性能，考慮到低速和高度，將系統移入地面車輛有助于提高重力估算的分辨率，但系統也將面臨更加復雜的動態和更為苛刻的觀察條件［4］。在試驗中，選擇在蒙大納州西南部重復行駛以進行跑車試驗，來測試車載重力測量系統的重復性和精度，平均車速高達90km/h。該系統的測量精度可達2.1mGal/2.2km～ 2.7mGal/2.2km，垂向重力擾動部分的可重復性水平達到了0.64mGal［7］。

表1 國外典型重力儀產品的研制情況Table 1 Development of typical gravimeter products abroad

2 國內研究進展

2.1 海洋/航空重力儀

國內也針對重力測量儀進行了積極的研發和生產，國防科技大學、北京航天控制儀器研究所、中國科學院測量與地球物理研究所等單位均已研制出了各自的代表性產品。

（1）SGA?WZ 系列重力儀

由國防科技大學研制的SGA?WZ系列重力儀是中國首款基于SINS/DGPS的航空重力儀，其對網格測線的內符合精度為3.2mGal/4.8km，經系統誤差補償后精度可達 1mGal［8］。在研制 SGA?WZ01型捷聯式航空重力儀的基礎上，國防科技大學進一步研制了新一代捷聯式重力儀系統——SGA?WZ02。試驗數據表明，SGA?WZ02型車載重力儀對重復測線的內符合精度為1.64mGal/1.1km、1.12mGal/1.7km，外符合精度為 2.33mGal/1.1km、1.77mGal/1.7km［9］。

（2）SAG系列海空重力儀

經過10年的自主研制，北京航天控制儀器研究所利用慣性器件、慣性技術和導航優勢完成了2款重力儀產品、1款旋轉式重力梯度測量系統、1款重力梯度測量用大型穩定平臺的研制。其中，捷聯式重力儀SAG實現了小批量生產，地面試驗、航空海洋試驗測得其內符合精度為1mGal。將其與GT?1A型重力儀的測試數據進行比對，比對精度小于1mGal。改進后的SAG?2M型重力儀如圖4所示。

圖4 改進后的SAG-2M型重力儀Fig.4 Improved SAG-2M Gravimeter

2018年3月，SAG?2M型海洋重力儀搭載在向陽紅18號進行了為期30天的海洋動態測試試驗，完成了由6條東西測線、6條南北測線組成的網格區域的走航式重力測量。本次試驗的36個交叉點的內符合精度達到了0.65mGal，東西重復測線的精度達到了0.5mGal，南北重復測線的精度達到了0.37mGal。本次試驗東西測線上的自由空間重力異常曲線如圖5所示。圖6為本航次一條東西重復測線自由空間重力異常的曲線圖，以綠色曲線為基準，紅色曲線相對綠色曲線的測量誤差中值為0.5mGal，標準差為 0.65mGal。

圖5 東西測線自由空間重力異常曲線Fig.5 Free-space gravity anomaly curves of East-West line

（3）GIPS?1AM 平臺式海空重力儀

由中國航天科工集團33所研制的三軸平臺式?？罩亓x采用與AIRGrav重力儀相同的 “三軸慣性平臺+石英撓性加速度計式重力敏感器”設計方案，其重力傳感器的溫控精度優于0.01℃，靜態測量精度優于0.5mGal，動態測量精度為1mGal。

（4）CHZ 系列海洋重力儀

CHZ系列海洋重力儀是中國科學院測量與地球物理研究所研制的軸對稱型海洋重力儀，具有小型化、穩定性好、可消除CC效應等優點，能夠在垂直加速度為500Gal、水平加速度為250Gal的惡劣海況下工作。實驗室測量顯示，該儀器的非線性誤差不超過 1mGal，海試試驗精度可達±1.4mGal。CHZ系列海洋重力儀如圖7所示。

表2給出了我國典型的移動平臺重力測量系統。

表2 我國典型的移動平臺重力測量系統Table 2 Typical mobile platforms for gravity measurement system in China

2.2 海空重力儀的車載試驗

目前，國內主要有以下?？罩亓x產品進行了地面跑車車載試驗：

（1）SGA?WZ 系列重力儀

由國防科技大學研制的SGA?WZ02型?？罩亓x于2015年在湖南長沙進行了車載重力測量試驗，來檢驗和評估將該型重力儀應用于移動車載環境下的可行性，并進行了相應的精度測量和水平分析。測量路徑為長沙市區一條長度約為35km的高速公路，車輛在行駛過程中的平均車速為40km/h。試驗測得基于SINS/GNSS的該重力儀系統在車載環境下的精度為2.6mGal，分辨率為0.56km，內符合精度為1.64mGal/1.1km、1.12mGal/1.7km，外符合精度為 2.33mGal/1.1km、1.77mGal/1.7km［8?9］。

此外，國防科技大學還研制了基于SINS/VEL的新型陸地重力測量系統。試驗數據表明，該測量方法的內部一致性水平為1.17mGal，外部一致性水平為1.91mGal，驗證了在不同條件下進行陸地車輛重力測量的巨大潛力［10?11］。

（2）SAG 型重力儀

由北京航天控制儀器研究所研制的SGA?2M型海空重力儀分別于2012年和2013年在北京、武漢兩地進行了跑車試驗。試驗選取了長度約為30km的市區平坦公路，試驗車的車速保持在15km/h左右，車載運動環境下的測量精度主要受限于GPS的精度。試驗測得該重力儀內符合精度優于1mGal，外符合精度優于2mGal，在車載靜態環境下的測量精度優于0.2mGal。圖8為跑車試驗的結果曲線［12］。

圖8 車載動態重力測量結果曲線Fig.8 Curves of vehicle dynamic gravity measurement

（3）CHZ 型重力儀

由中國科學院測量與地球物理研究所研制的CHZ型重力儀分別在實驗室、野外及海上進行了若干試驗，以檢測儀器的性能。車載試驗選取城市或鄉間道路進行測量，并重復進行了3次試驗。試驗未發生突然掉格的現象，靜態測量精度達到了1mGal。

3 ?？罩亓x的新應用

隨著無人機、無人水面艇和深海潛航器技術的日趨成熟，開展無人平臺重力測量和水下動態測量成為了可能。但目前，無人平臺重力測量和水下動態測量仍存在若干技術問題亟待解決。

3.1 無人平臺重力測量

從運載體的發展趨勢來看，重力測量搭載平臺從有人系統向無人系統發展，無人機和無人水面艇重力測量是海空重力測量的重要補充手段。

以水面無人搭載平臺為例，傳統的大型艦船在測量過程中只往返于網格測區，耗費時間和能源。大型艦船無法在海岸帶淺水區域及邊遠島礁復雜海域開展重力測量，而無人水面艇能夠通過在海洋環境下的自主航行來完成任務，是一種小型水面運動平臺。利用測量母船攜帶的水面測量小艇同步進行海洋重力測量，能夠有效提高測量效率。特別地，無人水面艇的應用將極大程度地提高測量效率，同時消除登艇操作人員的安全隱患，節約人力資源。

作為一種新型的無人化平臺，與傳統水面艦船相比，無人水面艇具有以下優勢［13?17］：

1）小型輕量，反應速度快。無人水面艇的總長度為6m～20m，排水量在數噸至數十噸之間，相比同級艦船速度更快。

2）環境適應性強。無人水面艇排水量小，適合在港口、近岸等淺水區域活動作業，更能克服由海況干擾所產生的影響。

3）艦艇豐富。艇型設計自由靈活，如三體船型、滑行艇型等可搭載重力測量設備。

4）推進方式多樣。傳統的艦船推進方式、全電力推進方式，以及太陽能/風能/海洋能等環保能源推進方式均可使用。

5）作業效率高。采用多艘無人水面艇建立分布式探測網格，進行協同作業，可以快速、低成本地完成大范圍的軍用及民用任務。

6）全天時?？扇鞎r地在重點海域執行科研勘探、偵察監視、目標搜索識別、快速響應與實時打擊等任務。

從目前的發展水平來看，無人水面艇的功能集成日漸增加，船型由單體向多體等高性能船舶方向發展，并被越來越多地應用于軍用和民用領域。

采用無人水面艇等無人載荷平臺來搭載相對重力儀進行重力測量，相比于有人測量船，具有更廣闊的使用范圍，同時也要求重力儀提供更大的動態范圍和更高的動態頻率。在研制方面需要解決如下技術難題：

1）提升石英撓性加速度計的動態適應性。相較于彈簧式重力傳感器，石英撓性加速度計具有動態適應性強的優點。為滿足高動態海洋環境下重力測量作業的需求，石英撓性加速度計目前的動態適應性還需要進一步提高。這需要在現有重力測量用加速度計的基礎上，從結構設計、補償方法、伺服回路設計、工藝過程等方面做出改進，研制出動態適應性滿足需求的高精度重力傳感器。

2）改進抗惡劣環境的減震系統。無人水面艇重力測量對重力儀減震器提出了較為特殊的要求，需要針對原測量船型的重力儀系統的減震器形式及參數進行重新設計，以適應水面小艇在航行時遇到的由海浪引起的顛簸、由發動機引起的震動等惡劣環境。

3）拓寬重力儀的工作溫度范圍。重力傳感器及關鍵電子元器件性能的穩定發揮與溫度的穩定性關系密切，而無人水面艇重力測量屬于外場作業范疇，對使用環境要求嚴苛。為保證重力測量儀器的測量精度，需要將重力儀設備的工作溫度范圍拓寬至-10℃～45℃，同時需要保證核心重力傳感器及電路的溫控穩定性達到0.001℃。

4）設計高精度的重力提取算法。大型測量船在進行常規海洋重力測量時，通常選擇平靜海況。此時，重力提取算法通過在一定周期內對連續的重力觀測值取均值及設計濾波器，可消除由波浪導致的誤差。但在采用無人水面艇進行重力測量時，在惡劣海況下，無人水面艇受到的垂向干擾加速度將被數倍放大。為保證測量精度，須針對高動態海洋環境和小型艇的應用條件，重新設計重力提取算法。

3.2 水下動態重力測量技術

從水下導航技術的發展趨勢來看，針對深遠海的重力勘探，在更大范圍內實現水下動態重力測量，是一種更加高效的測量方式。

隨著陸地資源逐漸被開發殆盡，海洋開發呈現出了持續、快速的增長趨勢，海洋作業范圍也逐漸由海面作業延伸到了水下作業，如海底生物資源探查、礦產資源采樣、海底地形勘測、沉物打撈、地震/地熱活動監測、海洋環境監測、海洋工程維護和堤壩安全監測等。深水、超深水和極地等環境下地質資源的勘探與開發必須綜合應用地球物理方法，從而獲得最佳的經濟效益和勘探效率［18?19］。高精度重力勘探、水下導航技術是海洋科學考察、資源開發、深?？臻g站建設等工程不可或缺的技術手段，為海底的資源勘探和開發提供了重要的定位、導航與通信支撐功能。

目前，海洋重力測量主要采用船載方式進行，即將重力儀安裝于傳統艦船內，由其進行動態測量。重力儀提供連續的觀測值，獲取速度、姿態和位置信息，并通過重力提取算法和濾波對數據進行處理，以消除漂移誤差。在深遠海環境中，重力儀無法通過GPS獲取高度通道信息。因此，針對深遠海條件下的水下導航需求，設置外部輔助信息源，構建水下組合導航系統，提升重力儀搭載潛航器的水下定位、定速、定姿精度，是未來需要解決的技術問題。

針對深遠海環境，水下導航通常采用多種傳感器協同工作的方式，如SINS、GPS、Doppler測速儀DVL、長基線LBL、短基線SBL、地形匹配TAN、磁航向儀MCP及探測儀等。通常而言，主要可采用以下3種方式實現深遠海、中高精度的復合導航［20?25］：

1）慣性/聲學組合導航。在水下利用DVL和USBL等方式，實時修正慣性系統的誤差。

2）SINS、磁場無源導航。當載體航行至水下物理變化較為明顯的部分區域時，可利用外部信息修正導航系統的誤差。

3）跨介質、多平臺協同導航。在深遠海測量中，利用聲學裝置向水下平臺提供GNSS信息，可輔助系統修正導航系統的誤差。

4 結論

目前，國外重力測量技術已經較為成熟，重力測量儀器已經基本滿足了使用精度的要求。國內移動平臺重力儀的研制也已經取得可喜的進展，在海洋/航空重力儀方面，其性能已經可以與國外先進國家相媲美。

從未來的發展趨勢來看，車載移動重力測量和水下動態測量技術在作業過程中更接近測量目標，可提高重力測量的分辨率；采用無人平臺的重力測量能夠極大地提高作業效率，節約成本。上述車載、水下、無人重力測量技術將進一步擴充移動重力測量技術的應用領域，同時為重力信息的應用領域提供更加豐富、完備的測量數據。