海洋重力計量體系及方法

胡 若，吳書清，馮金揚，王啟宇，李春劍

（中國計量科學研究院,北京100029）

0 引言

重力加速度（后文簡稱 “重力”）的精確測量對于一個國家的發展具有極其重要的作用，其在定位導航、地下資源勘探、地震災害預警及計量科學（質量重新定義和光鐘）等領域中均有著重要的意義。遠程彈道導彈及航天衛星等空間飛行裝置的發射、衛星的返回、地下結構的測量等，均離不開高精度的地球重力模型及對應重力點位的重力場參量[1-5]。通過重力研究地球內部運動的信息和變化規律，是當前地震研究及預報最為有效的技術手段之一。重力加速度的精確測量還是其他力學基準的重要技術支持之一。目前，越來越多的研究領域開始關注重力加速度的測量及應用。

在海洋定位導航方面，不同研究領域對于重力加速度測量的準確性、可靠性要求越來越高。以水下載體對海洋絕對重力的應用需求為例，水下運載體能以重力場作為導航手段。結合水下載體所處位置的重力數據和已測得的海洋重力場模型，獲取載體的定位信息，再根據重力場的變化特征進行航線修正，最終運載體即可實現無源導航，提高水下載體的隱蔽性。根據相關研究的結論，若忽略重力變化對水下運載體運行的影響，72h航行的累計定位誤差將達約3km[6-7]。如果利用重力儀對水下載體慣性導航系統的重力異常和垂線偏差進行實時補償，則能夠有效降低定位誤差。同時，水下重力場的測量數據可以反推出海底地形，可為水下設備的安全航行和戰術規避提供重要依據[8-9]。

此外，海洋重力數據還在多個領域有重要意義。從經濟領域來看，基于對海洋重力數據的分析，能夠快速、準確獲取海底礦產資源信息，有利于加速海洋礦產資源的勘探和開發。從國家海洋領土主權出發，海洋重力測量有助于確定臨?；€、國際海域專屬資源區域的劃界等，有助于實現重大海權的維護工作。在地球科學研究領域中，海洋重力數據可被應用于研究海洋與陸地巖石圈結構、地殼構造及地殼均衡等，可提供海底及地球內部信息。對地球動力學而言，可通過對重力場的重復觀測獲取地球形狀隨時間變化的數據，以研究地球內部構造，監測地球內部的結構變化和板塊運動[10-12]。重力加速度在眾多領域中的應用對重力測量的準確性提出了更高的要求，而重力值的準確、可靠離不開重力計量。

1 重力計量溯源與傳遞

1.1 簡介

傳統的國際單位制由7個基本單位組成，任何1個被測量的單位均能夠溯源到這7個基本單位。重力加速度的量值單位 “m/s2”是由國際基本單位中的 “米（m）” 和 “秒（s）” 導出的。因而，在重力測量的過程中，重力加速度的測量準確性是溯源到國家長度基準 “米”和時間頻率基準“秒”來保證的。量值溯源及傳遞的過程必須有載體，當前，用于直接測量重力加速度的絕對重力儀是實現重力測量值傳遞與溯源的主要工具和載體。長期以來，國際計量界一直致力于將7個基本單位定義到基本物理常數上?；诨疚锢沓当旧淼姆€定性，確保所有被測量能夠精準溯源。“秒”定義為銫133原子不受干擾的基態超精細躍遷頻率，“米”則利用真空中的光速和秒來定義[13-14]。2018年11月，第26屆國際計量大會通過了對千克（kg）、 安培（A）、 開爾文（K）、 摩爾（mol）4個基本單位的重新定義，完成了對所有7個基本單位的重新定義，新的SI國際單位制于2019年5月20日開始啟用。

國際上，重力計量工作的一座里程碑是國際計量局在2009年將國際絕對重力儀比對列為關鍵比對（Key Comparison，KC），這充分體現了計量領域對重力計量的重視程度[15]。根據國際計量委員會-質量及相關量咨詢委員會（CIPM-CCM）和國際大地測量協會（IAG）共同發表的聲明，通過國際比對得到比對點位的重力參考值和參加比對的絕對重力儀的等效度，各個國家的重力測量能力可以建立在參加關鍵比對的絕對重力儀或舉辦重力關鍵比對的點位上。

1.2 國家重力基準概述

長期以來，中國計量科學研究院致力于重力計量基準裝置的研制。通過參加國際比對，使我國重力測量的數據與世界其他實驗室的測量數據保持一致，從而達到國際互認和為國際、國內貿易服務的目的[16-17]。2017年，第10屆全球絕對重力儀國際比對在中國計量科學研究院昌平院區舉行。這是該重要國際關鍵比對36年來首次移出歐洲舉辦，確定了國際重力基準原點來到了中國。此次比對，來自中國、美國、法國、德國、瑞士、日本、韓國等14個國家的32臺絕對重力儀參加了比對，形成了新的國際重力基準原點，為建設國際一流的國家重力基準能力打下了堅實的基礎。

擬建的國家重力基準由舉辦過國際重力關鍵比對的重力基準原點和相關儀器組成，利用絕對重力儀、相對重力儀、超導重力儀及潮汐重力儀共同協作維護，確保了該點位重力值的準確性，其具體構建框架如圖1所示。

圖1 國家重力計量基準構建示意圖Fig.1 Schematic diagram of national gravity measurement benchmark construction

重力測量主要有2種技術手段：1）用絕對重力儀進行直接測量；2）用相對重力儀進行引值。相對重力測量的相對精度較低，其測量方式較多，但設備自身原理的限制導致了不同設備存在不同的弊端。所有相對重力測量設備均存在數據漂移的問題，需要將設備進行定期格值標定或依托基準點位進行校準。利用絕對重力儀測量重力加速度具有無數據漂移、測量快速有效等優點。因此，絕對重力儀通?？煽紤]作為計量基標準裝置。此外，絕對重力儀還是重力測量量值溯源和傳遞的主要載體。

目前，絕對重力儀的原理實現主要有2種技術途徑：光學干涉法和原子干涉法。光學干涉法主要利用角錐棱鏡在真空度較高的環境中做上拋或自由下落的運動，角錐棱鏡在運動過程中利用激光干涉來測量其運動距離，同時用原子鐘記錄棱鏡的運動時間，最后利用最小二乘法對重力加速度值進行擬合求解。原子干涉型絕對重力儀采用冷原子作為檢測物體，利用激光和磁場線圈構成的磁光阱固定住原子團，進而利用激光脈沖分束、反射、合束形成冷原子干涉，最后測量出原子與探測光共振而發出的熒光信號，以確定原子數目，從而獲取重力加速度值。

在光學干涉法中，落體自由下落的距離可通過激光干涉法得到，其等于干涉條紋數N乘以激光半波長λ/2，單位為 “米（m）”。落體自由下落距離的測量不確定度主要受激光器所產生的激光真空波長的影響。因此，所用的激光器需要定期溯源到SI國際單位制“米（m）”。落體自由下落的時間對應于落體自由下落距離的時間間隔，由原子鐘的時鐘信號得到，單位為 “秒（s）”。落體自由下落距離的時間間隔的測量不確定度主要受原子鐘產生的時鐘信號的影響。因此，所用的原子鐘需要定期溯源到SI國際單位制 “秒（s）”。

在原子干涉法中，冷原子的作用時間及所用的激光頻率都需要溯源到SI國際單位制 “秒（s）”。

絕對重力儀是重力測量溯源性、準確性的根本保證。絕對重力儀的測量結果通過長度和時間頻率基準溯源到SI國際單位制，其準確性和不確定度可通過不同層次的同期、同址開展的比對活動來進行確定和評估。

1.3 重力量值的溯源傳遞方法

重力量值的溯源與傳遞是保證不同地區和行業的重力值統一可用的根本保證，重力加速度量值溯源與傳遞模式如圖2所示。工作用絕對重力儀可以通過比對法溯源到國家基標準裝置或基準點，其他類型的相對重力儀可以通過比較法溯源到國家標準裝置或基準點，各標準裝置通過比對法溯源到國家重力基準上，國家重力基準則直接溯源至國際基本單位制 “米”和 “秒”上。

2 海洋重力計量體系工作的展望和建議

海洋面積占地球面積的71%，要準確研究地球形狀與地球內部構造，勘探海洋豐富的礦產資源，保障航天和遠程武器發射等，就必須研究海洋重力場的精細結構，而高精度的海洋重力測量正是解決這些問題的重要手段之一。隨著建設海洋強國發展戰略的逐步實施和國防發展戰略轉型的持續推進，我國海洋經濟建設和海戰場環境建設對海洋重力場信息的保障需求日趨緊迫。

2.1 海洋重力計量體系的現狀

國內已實現海洋重力測量儀器的國產化，具有自主知識產權的捷聯式航空重力儀、海洋重力儀和三軸平臺式海洋重力儀的研制也取得了相應的進展，其測量精度已經達到或接近國外先進水平。目前，所研制出的海洋重力測量裝置多為相對重力測量裝置，需要依靠岸邊基準點位進行數據閉合，用以進行數據閉合的基準點位則涉及到了海洋重力計量體系。區別于陸地重力計量體系，未來的海洋重力計量體系需要考慮遠洋艦船在重力測量過程中是以連續測量的方式進行工作，能夠在重力測量過程中對測量設備進行實時標校，以保證測量結果的真實可靠。

圖2 重力加速度量值溯源與傳遞框圖Fig.2 Tracing and transferring frames of gravity acceleration

目前，國內已經在部分重點港口城市建立了重力基準點，用于重力儀的校準和海洋重力的研究工作，點位位置如圖3所示[18]。但是，我國沿海線較長，當前所建立的海洋重力基準點數量不足以滿足國家海洋開發戰略的要求。“十九大”報告中明確指出 “加快建設海洋強國”，國家的重視為海洋重力計量技術的發展提供了契機。未來的工作需要從兩方面同時進行，一是研制能夠作為計量標準器使用的海洋絕對重力測量裝置，二是建立更多更好的海洋重力基準點位，并建立相應的量傳體系來支持海洋重力網的建設。

圖3 海洋重力基準點布置城市示意圖Fig.3 Schematic diagram of reference point of marine gravity layout city

2.2 海洋重力計量體系構建的建議

海洋重力計量體系是建立在現有的重力計量體系的基礎上的。未來，海洋重力計量體系的建立需利用先進的計量技術以及計量及標準設施，并在此基礎上開展海洋重力基準點等工作，以此確保我國海洋重力量值的準確可靠。

建立海洋重力計量體系的首要工作是研制可作為海洋重力量值溯源與傳遞載體的海洋絕對重力儀?；诋斍皣鴥葘鈱W干涉型絕對重力儀研制經驗較為豐富的情況，建議將Faller教授提出的凸輪驅動型光學絕對重力儀作為首要研制目標。凸輪快速絕對重力儀的結構如圖4所示，其基于自由落體光學干涉型絕對重力儀的工作原理，由凸輪作為驅動器來使角錐棱鏡進行快速的往復自由落體運動，以實現絕對重力測量[19-23]。擬設計的凸輪驅動型絕對重力儀能夠實現200次/min的重力測量，不確定度優于5μGal。研制出此款絕對重力儀后，可將此絕對重力儀配在海洋重力基準點上作為標準器，用于基準的建立和維護。此外，還可以將此儀器配合慣性平臺進行使用，作為艦船搭載的絕對重力儀，在實現海上絕對重力測量的同時還可為艦載相對重力儀進行標校工作。

圖4 凸輪驅動型絕對重力儀Fig.4 Cam-driven absolute gravimeter

在進行新型重力計量標準器研究的同時，應在我國沿海線進行大范圍、高密度的絕對重力標準點建設，并在重點港口海岸建立海洋重力基準。未來的海洋計量基準計劃由超導重力儀和原子干涉絕對重力儀組成，組成后將進行長期觀測[24-25]，如圖5所示。此外，重力基準將配備超導重力儀，對該點位的重力變化進行長期觀測，以得到該處固體潮汐和海洋潮汐的精準模型。為確保海洋重力基準的準確性，安排所使用的絕對重力儀定期參加相關比對活動，并將重力觀測平差引值到海洋重力基準，最終形成海洋重力基準。

圖5 原子干涉型絕對重力儀與超導重力儀Fig.5 Atomic interference absolute gravimeter and superconducting gravimeter

為了滿足不同測量范圍、不同測量精度的海洋重力儀的校準需求，需要形成海洋重力儀靜態校準（靜態漂移）和動態校準（動態測量精度）能力。實現校準的技術路線為：利用不確定度達到微伽級的絕對重力儀以及絕對重力控制點將被校準的海洋重力儀（不確定度為毫伽級的相對重力儀）溯源至SI國際單位制。

針對海洋重力儀的靜態校準，需要提供較好的校準環境及較為全面的重力場信息。首先，建立隔振性能良好的地基，并對該位置進行絕對重力的精準測量，以形成標準點位。隨后，對10m垂線距離范圍內的重力變化進行測量（重力梯度約為1m對應300μGal）。最終，利用測量結果進行海洋重力儀的校準工作。

動態校準指對處于運動測量狀態下的重力儀進行校準，因而其需要在動態平臺上完成校準工作。擬提供一個運動轉盤，利用運動過程中水平重力變化及質量塊遷移造成的疊加引力變化。其校準過程主要是對該基準點進行絕對重力的精準測量，然后利用運動轉臺動態校準海洋重力儀。

海洋計量基準建立之后，可利用標準實驗室及周邊海域開展測量范圍大、需求精度低的海洋重力儀校準以及非線性漂移的平臺式海洋重力儀的校準工作。可利用高大空間實驗室開展測量范圍小、需求精度高的海洋重力儀的校準工作，以及開展漂移近似線性的捷聯式海洋重力儀的校準工作。

根據所提出的海洋重力基準的能力構建需求，同時考慮需對外來海洋重力儀進行校準，建議未來的海洋重力實驗室由海洋重力計量實驗室及海洋重力計量基準實驗室組成。

海洋重力計量基準實驗室是一個標準的實驗室單元，實驗室面積建議不小于120m2。實驗室配備原子干涉型絕對重力儀或FG5X型絕對重力儀，以形成海洋重力計量基準。此外，海洋重力計量基準實驗室需要以下軟硬件的支持：1）實驗室內需要隔振地基，隔振地基連接到基巖，隔振基礎上振動加速度優于1×10-5m/s2；2）實驗室要實現溫濕度可控，具體需要環境溫度控制在20℃±2℃，相對濕度控制在60%以內。實驗室需提供良好的軟硬件設施，是構建并維護海洋重力基準的基本保障。

海洋重力計量實驗室是用來校準海洋重力儀的場地，現對建立海洋重力計量實驗室給出以下建議：1）實驗室占地面積不小于 240m2，高約10m；2）實驗室需配備清潔電源和不間斷電源，同時要具備電阻小于1Ω的儀器獨立接地；3）其余環境建設條件按照計量基準實驗室要求實施即可。此外，考慮到海洋重力計量實驗室需進行重力儀的校準工作，為方便校準工作的進行，建議將此實驗室建立在碼頭附近。海洋重力計量實驗室的組建模式如圖6所示，實驗室內包含動態和靜態校準平臺，控制間用來放置電器及超導重力儀。

圖6 海洋重力計量實驗室示意圖Fig.6 Schematic diagram of marine gravity metrology laboratory

在配備以上硬件設施的基礎上，針對海洋重力計量體系的特殊性，其計量體系的建立過程應該分步進行。首先，基于陸地重力計量體系的方法，實現海洋重力靜態標定。隨后，基于海洋絕對重力動態測量技術，實現單項動態參數指標的標定。最后，利用海洋絕對重力測量裝置，實現海洋重力相對測量裝置的在線計量，以此來建立未來完整的海洋計量體系。

2.3 未來應用

隨著科學技術的發展，未來的海洋重力測量將會從現在的利用相對重力儀進行引值的方法逐漸發展為使用絕對重力儀直接進行測量。科研工作者們正在嘗試將現在已有的小型原子干涉型絕對重力儀或凸輪快速測量光學干涉型絕對重力儀與慣性平臺進行配合使用，形成船載海上絕對重力測量技術。在未來的發展中，基于MEMS及芯片技術的海洋重力儀被認為是未來進行海底重力測量的較好的技術手段。

3 結論

海洋絕對重力的精準程度直接影響水下載體系統的導航準確性、船艦定位等多方面的精度，而絕對重力量值的溯源與傳遞是保證重力值準確可用的根本保障。隨著建設海洋強國進程的推進，需要在國內現有的陸地重力網的基礎上，加快推進具有國家戰略意義的 “國家海洋重力計量及標準體系”的建設工作，進而統一海陸空3個層面的重力量值溯源及傳遞的方法以及重力測量質量的評判規范，為我國重力測量數據提供準確有效的保障。另一方面，應該進一步開展能夠用于直接測量海洋重力的絕對重力儀的研制工作，增強我國在海洋重力測量方面的能力，以提高我國在海洋重力測量領域的國際話語權。