航空/海洋重力測量儀器發展綜述

胡平華，趙 明，黃 鶴，劉東斌，唐江河，尉 超

(1.北京自動化控制設備研究所，北京 100074；2.火箭軍駐第三十三研究所軍事代表室，北京 100074)

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航空/海洋重力測量儀器發展綜述

胡平華1，趙 明1，黃 鶴1，劉東斌1，唐江河1，尉 超2

(1.北京自動化控制設備研究所，北京 100074；2.火箭軍駐第三十三研究所軍事代表室，北京 100074)

簡要介紹了航空/海洋重力測量儀器的基本概念和分類，全面分析了其應用領域。針對航空/海洋(標量)重力儀、航空/海洋矢量重力儀和航空/海洋重力梯度儀三種類型，綜合闡述了其國際、國內發展現狀，指出了我國航空/海洋重力測量儀器的后續發展方向。

航空/海洋(標量)重力儀；航空/海洋矢量重力儀；航空/海洋重力梯度儀

0 引言

地球上的任何物體都會受到地球和其他天體的引力及離心力的作用，引力和離心力的合力稱為重力。重力是一個矢量，既有大小又有方向，大小用重力加速度來衡量，方向用垂線偏差來表示。重力的大小和方向都取決于地球內部物質和外部物質的分布及地球自轉。由于地球的形狀不規則以及質量分布不均勻，地球上各點的重力加速度會存在一定的差異。地球重力場是地球的基本物理特性之一，通過測量出地球的重力分布，既可揭示地球內部物質的分布、運動與變化狀態，又可掌握地球附近空間物理事件產生和發展的規律與機理。對于現代國防、資源勘探、空間科學、海洋科學、大地測量學、地球物理學、地球動力學等基礎、前沿科學研究具有非常重要的意義，對于我國的國民經濟、科學技術、國防現代化建設均有重要影響[1-2]。

根據測量的物理量不同，重力測量儀器可分為標量重力儀、矢量重力儀和重力梯度儀。標量重力儀只測量重力的垂向分量(重力異常)；矢量重力儀除測量垂向分量外，還要測量重力的兩水平分量(垂線偏差)，比標量重力儀測量的信息更多；重力梯度儀是測量重力矢量在三維空間的變化梯度，全張量重力梯度儀包含5個獨立分量，具有對地球密度擾動更為敏感的特點，因此比重力異常具有更小尺度的空間分布特性，能夠提供更全面、更豐富的重力特征信息，可反映局部區域地質特征的精細變化[1-2]。

按照測量時儀器的運動狀態不同，重力測量儀器可分為靜態和動態兩類，靜態重力測量儀器測量時要求儀器靜止不動，因此，測量效率低，不能實現人員難以到達地區的重力測量；而動態重力測量儀器可安裝到載體上，在載體運動過程中實現連續重力測量，主要包括航空、海洋和衛星等重力測量儀器，其中航空、海洋兩類應用最為廣泛。航空/海洋重力測量儀器具有可實現對人員難以到達的沙漠、沼澤、山川、森林、河湖、海洋等地區進行重力測量的優勢，此外還具有測量速度快、效率高、成本低、連續均勻、中高頻等特點[1-2，6]。

本文主要介紹航空/海洋重力測量儀器，包括航空/海洋標量重力儀、航空/海洋矢量重力儀和航空/海洋重力梯度儀的應用領域，國內外發展現狀及后續發展趨勢。

1 航空/海洋重力測量儀器應用領域

1.1 在現代國防領域的應用

航空/海洋重力測量儀器在現代國防領域具有重大而緊迫的應用需求，主要體現在以下方面。

1)在遠程武器精確制導中的應用

地球重力場要素對戰略武器命中精度的影響主要體現在導彈的初始對準和制導兩方面。

在初始對準方面，制導系統的水平對準要用到發射點(潛基彈道導彈為水下發射陣地)的垂線偏差信息。發射點的重力參數對導彈的彈著精度有重要的影響，且射程越遠影響越顯著。據估算，發射點20″垂線偏差對戰略導彈落點產生的偏差在600m左右[3]。

在制導方面，彈道導彈在發射陣地上空有一段近地低速飛行，對地球重力場的高頻信息非常敏感，由重力場引起的加速度誤差會很快積累成速度誤差，形成導彈脫靶因素；當導彈進入高空高速飛行階段，制導系統對高頻重力場信息的敏感性逐漸減小，而與地球重力場的中長波信息的相關性逐漸增大。為了提高彈道導彈的命中精度，必須在制導時對彈道上的重力擾動進行補償。據估計，地球重力場要素對戰略導彈命中精度的綜合影響可達2～3km[4]。美國為了發展航天技術和遠程武器，早在20世紀50年代就制定了全球的重力測量計劃。他們不僅在其本土的各空軍基地和導彈發射場周圍進行精密的重力測量，而且還遠涉重洋到他們所能到達的一切水域和陸地進行測量，同時還廣泛收集各國的陸地和海洋重力測量資料。目前美國的陸基和?；鶎椌褜崿F重力場彈上實時修正，這對提高美國戰略導彈命中精度起到了關鍵性的作用，美國海軍三叉戟-II型彈道導彈命中精度已經達到百米[4]。

2)在潛艇水下長時間自主導航中的應用

據估計，如果忽略重力異常和垂線偏差的影響，那么經過72h的航行后，潛艇慣性導航系統的累積定位誤差可達2～3km[4]。為了保證慣性導航系統的精度，必須采取必要的重力異常和垂線偏差補償措施。具體補償一般采用兩種方式：一種是利用重力儀實時對重力異常和垂線偏差進行測量，將測量結果直接用于慣性導航系統的重力異常和垂線偏差補償；另一種方式是利用已有的重力場測量數據建立相應的模型，代入慣性導航系統力學編排方程進行補償。第一種方式的關鍵是慣性導航系統必須附帶實時測量重力矢量的相應設備；第二種方式的關鍵則是潛艇活動海區必須事先完成重力場探測。

地球重力場除可用于提高潛艇慣性導航系統的精度外，還可用于其水下慣性/重力匹配自主導航。海丘、海溝等地貌以及礦藏分布均會產生海底重力場的起伏特征。水下重力場匹配導航是指將預先測定的潛艇航行區域重力數據制成重力場背景分布圖并儲存在潛艇中。當潛艇航行到這些地區時，潛艇裝載的傳感器實時地測定重力場的有關特征值，并構成重力場實時分布圖。實時分布圖與預存的背景分布圖在計算機中進行相關匹配計算，確定實時分布圖在背景分布圖中的最相似點，即匹配點，從而計算出潛艇的實時位置，達到精確導航的目的。由于重力圖形匹配系統獲取重力場信息時對外無能量輻射，是一種完全自主、隱蔽和抗干擾的導航方式，是名副其實的無源導航系統，能夠滿足核潛艇長期隱蔽航行的要求，因此其軍事意義非常重大[4，12]。

3)在軍用衛星高精度定軌中的應用

人造衛星是在地球重力場作用下在空間繞地球運動的，要精密定軌，必須知道精確的地球重力場參數。對于軍事成像偵察衛星，定軌精度以及精確的軌道參數將直接影響其對地觀測的精度[2，5]。

4)在潛艇水下航行安全中的應用

潛艇在海底地形復雜的陌生海區航行時，海底地形的起伏變化易導致觸礁、觸底等安全事故，嚴重威脅潛艇的生存。地球重力場信息可反演出海底地形，可為潛艇水下安全航行和戰術規避提供重要依據，進而也可以利用復雜的海底地形實施隱蔽機動和設伏。

5)在水下和地下敵方軍事設施探測中的應用

重力梯度信息能夠反映質量體之間的精細密度差異，重力梯度儀是一種有效的無源探測手段，對水下大型潛器、地下工事、藏兵洞等軍事設施具有較高的探測能力，能夠為一體化聯合作戰提供戰場預警監視和情報支援。美國曾在加州Vandenberg空軍基地的地下導彈發射設施上方利用重力梯度儀進行勘測實驗，并測到了30E(E為重力梯度單位，1E=10-9/s2)的重力梯度異常[6]。

1.2 在深地、深海資源勘探領域中的應用

地下物質密度分布不均勻會引起地球重力變化，并且地球重力場對地殼深部(0～5000m)密度結構尤為敏感，因此航空/海洋重力測量儀器在深地、深海資源勘探領域具有至關重要的作用。航空/海洋重力測量作為一種快速、輕便而且經濟有效的方法，已成為國際上勘探能源和礦產資源的最重要手段之一。美國、俄羅斯、加拿大、澳大利亞等國的一些公司將航空重力測量與航空磁測結合起來探礦，在海洋油氣資源和陸地礦產資源的勘探上已有很多成功案例[7]。具體應用主要包括以下方面。

1)在石油、天然氣的普查和勘探中的應用

通過航空/海洋重力測量快速繪制小比例尺的重力異常圖，可研究區域地質構造，劃分構造單元，圈定沉積盆地的范圍，預測含油、氣遠景區。通過繪制中比例尺的重力異常圖，可劃分沉積盆地內的次一級構造，識別構造樣式，進一步圈定有利于油氣藏形成的地段，尋找局部構造，例如地層構造、古潛山、鹽丘、地層尖滅、斷層封閉等有利于油氣藏儲存的地段。特別是當航空/海洋重力測量精度提高后，加上數據處理和解釋方法的發展，可進一步快速繪制大比例尺高精度重力異常圖，用于查明油氣藏有關的局部構造細節，直接尋找與油氣藏有關的低密度體，為鉆井布置提供依據[7]。

2)在固體礦產勘探中的應用

應用航空/海洋重力探測固體礦產有兩個途徑：一是在有利的條件下直接尋找固體礦床；另一個是研究固體礦床賦存的巖體或構造，以推斷礦體的位置。例如，利用重力法確定中酸性浸入巖及其浸入通道的斷裂構造尋找金礦；利用重力法探測原生磁鐵礦、硫鐵礦與次生赤鐵礦，造成明顯局部重力異常進行鐵礦勘探；利用礦藏引起的局部重力異常以及其固有的弱磁性，通過航空/海洋重力測量并輔以磁場異常測量，可有效地進行鉻鐵礦勘查；利用鹽巖密度比圍巖低的特點，可采用重力法尋找鹽礦，當鹽礦有一定規模時采用航空/海洋重力勘探的效果很好[7]。

3)在礦產資源長遠勘探規劃中的應用

重力異常特征是區域地質構造單元和地成結構等的反映。通過航空/海洋重力測量可快速準確獲得地球的重力異常以及確定構造單元，能夠有效地進行成礦遠景預測，為進一步勘探提供指導。

1.3 在地球科學研究領域中的應用

航空/海洋重力測量儀器在大地測量學、地球物理學、地球動力學、海洋科學等基礎前沿科學領域也具有廣泛的應用需求。

在大地測量學中，重力場用于確定地球形狀和高程基準，不斷精化大地水準面是當前地球重力場研究的主要任務之一[2，8-10]。

在地球物理學中，重力測量為研究海洋與陸地巖石圈結構、地殼構造以及地殼均衡等提供了海底及地球內部信息。對地球重力場的精密測量有助于劃分大地構造單元，推斷地質構造和斷層的類型和深度，分析地質體的密度特征[2，8-10]。

對于地球動力學，通過對重力場的重復觀測可以提供地球形狀隨時間變化的數據，可以研究地球內部構造，監測內部結構變化和板塊運動，預報地震[2]。

在海洋科學中，可用求定重力場的方法得出海洋大地水準面。若由衛星雷達測高法求出海面高，再結合海洋密度數據，就可獲取大洋環流信息，揭示海洋洋流、環流的活動規律等。

地球重力場數據是研究固體地球演化、全球海平面、冰川融化、洋流、氣候、陸地水資源、地質災害和地震等科學問題的重要前提。

2 國外發展現狀

2.1 航空/海洋標量重力儀

由于標量重力儀技術最為成熟、應用最為廣泛，為此通常簡稱為重力儀。根據采用穩定平臺的不同，航空/海洋重力儀可分為兩軸陀螺穩定平臺、三軸慣性穩定平臺和捷聯數學穩定平臺三類。

兩軸陀螺穩定平臺航空/海洋重力儀：這是最早成熟應用的動態重力儀，早在20世紀50年代，美國LaCoste&Romberg(即現在的Micro-g LaCoste)公司生產出了世界上第一臺帶動態穩定平臺的重力儀。該重力儀主要是采用金屬零長彈簧重力敏感器，并將其安裝在兩軸阻尼陀螺穩定平臺上，以隔離載體的水平角運動。隨后，德國、俄羅斯等也開發出了此種兩軸陀螺穩定平臺的航空/海洋重力儀，并采用了石英彈簧重力敏感器和慣性穩定平臺技術。其主要代表有美國LaCoste&Romberg公司的L&R系列和貝爾航空公司的BGM系列、德國Bodenseewerk公司的KSS系列以及俄羅斯中央科學研究所(the Central Scientific Research Institute Elektropribor)的Chekan-AM重力儀。它們的測量精度均在1mGal(Gal為重力單位， 1Gal=10-2m/s2)左右，分辨率在2km附近，動態量程小于20Gal[5-14]。

三軸慣性穩定平臺航空/海洋重力儀：由于兩軸陀螺穩定平臺航空/海洋重力儀難以完全消除水平加速度對重力敏感器輸出結果的影響，限制了儀器測量精度和動態性能的提高，為此，人們在20世紀末21世紀初研制出了三軸慣性穩定平臺航空/海洋重力儀。

1992年加拿大SGL( Sander Geophysics Ltd.)公司開始了航空慣性基準重力測量系統(Airborne Inertially Referenced Gravimeter System，AIRGrav)的研制，其主機如圖1所示。該系統采用三軸慣性穩定平臺+石英撓性加速度計重力敏感器方案，穩定平臺包括2個慣性級的加速度計和2個二自由度撓性陀螺，并將系統安裝在溫控箱里。平臺水平姿態可控制在10″以內，這使得飛機的機動對系統的精度影響很小，并且可以進行起伏飛行。此外，平臺的常平架結構可將每一個加速度計置于垂直的上下兩個方向，可對加速度計和陀螺等的模型參數進行野外自標定。重力敏感器采用霍尼韋爾的QA3000小型高精度石英撓性加速度計，可克服彈簧重力敏感器工作范圍小，交叉耦合效應大，易受載體運動干擾，同時體積和質量偏大等一系列問題。1999 年夏天在加拿大渥太華地區進行了首次飛行試驗，目前已研制出4套系統供其使用。此型重力儀拓展到海洋重力測量(SGL公司稱之為Marine AIRGrav)也具有很好的性能。其測量精度可達0.5mGal，分辨率優于2km，動態量程為-1000Gal～2000Gal[5-12，15]。

2001年莫斯科重力測量技術公司進行了GT-1A航空重力儀首次試飛。GT-1A的穩定平臺由1個二自由度撓性陀螺、1個光纖陀螺和2個加速度計組成，陀螺、加速度計與常平架一起構成平臺式慣性導航系統的典型配置。GT-2A航空重力儀(見圖2)是GT-1A的升級版，采用更先進的隔震系統和更大量程的傳感器。GT-2M海洋重力儀是GT-2A的改進版，更適于海洋重力測量，即使在惡劣海況下其水平誤差角也可控制在10″～15″的水平。GT-2R是針對極區測量的改進型，采用了四天線的差分GNSS接收機。它們的測量精度可達0.6mGal，分辨率在2km附近，動態量程為10Gal[5-12，16-17]。

這類重力儀是目前得到實際使用的航空/海洋重力儀中技術最先進、精度最高的，正在逐漸取代雙軸阻尼穩定平臺式重力儀，并占據主導地位。

捷聯數學穩定平臺航空/海洋重力儀：捷聯式重力儀與穩定平臺式重力儀相比，由于沒有機械平臺，具有體積小、質量小、功耗小、成本低、可靠性高、操作簡單等優點。得益于光學陀螺捷聯慣導和高精度加速度計等相關技術的進步，從20世紀90年代開始，加拿大、美國、俄羅斯、德國等國相繼開展了捷聯式重力儀研制，經過多年發展，捷聯式重力儀的精度正在逐步接近雙軸阻尼穩定平臺重力儀的精度。

加拿大Calgary大學率先于20世紀90年代初開展了基于捷聯慣導系統的航空標量重力測量系統(Strapdown Inertial Scalar Gravimetry，SISG)的研究。該系統直接采用了Honeywell公司的慣性級LASEREFIII型激光陀螺捷聯慣導系統。飛行試驗結果表明，其測量精度可達到1.5mGal/2km(2.5mGal/1.4km)[5-12]。

德國巴伐利亞自然科學與人文科學學院(Bavarian Academy of Sciences and Humanities)的BEK(Bayerische Kommission für die Internationale Erdmessung)小組從20世紀90年代中期開始研究捷聯式航空重力測量系統(Strapdown Airborne Gravimetry System，SAGS)，最新一代樣機SAGS4采用了3個光纖陀螺、4個高精度石英撓性加速度計QA3000，并采取了溫控、減震、電磁屏蔽等措施。但由于溫度控制沒有達到設計要求，飛行試驗結果不理想[5-12]。

俄羅斯莫斯科重力測量技術公司同時也在開展GT-X捷聯式重力儀的研制，該重力儀采用三軸一體激光陀螺，外形尺寸為Φ20cm×45cm，質量為15kg，但一直未見重力測量試驗結果發表[5-12]。

多個歐洲國家采用德國iMAR公司的貨架式慣性級激光陀螺慣性導航系統RQH-1003(見圖3)，對其QA2000型石英撓性加速度計零偏進行溫度補償，航空重力測量的重力異常精度達到了1～3mGal，垂線偏差精度達到了2″[18-20]。

這類重力儀目前只有德國iMAR公司銷售過，其他均未形成可銷售的商品。

2.2 航空/海洋矢量重力儀

重力測量的另一個熱點是矢量重力測量，它需要在測量重力擾動矢量垂直分量的基礎上，進一步獲取重力擾動矢量的2個水平分量。從20世紀70年代初以來，矢量測量一直受到眾多科學家的關注。早期的重力矢量測量一般采用間接估算法，即首先進行標量重力測量，然后利用測得的重力異常數據按費寧-梅內斯(Vening-Meinesz)公式計算垂線偏差。間接估算法的缺點在于費寧-梅內斯公式理論上要求全球重力覆蓋，由于覆蓋不完全引起的誤差將疊加在數據噪聲對估算的垂線偏差的影響中，特別是在測區邊緣上。為此，近十幾年來普遍采用直接求差法。直接求差法的原理與重力標量測量一致，即分別利用重力儀和GNSS測得三維比力和載體加速度，將二者求差得出重力擾動矢量信息[21-22]。

美國Ohio 州立大學的Jekeli和Hwon首先對基于捷聯慣導的航空重力矢量測量進行了大量仿真研究，利用加拿大Calgary大學的捷聯航空重力測量數據進行了矢量測量研究，水平分量精度可達到7～8mGal，垂直分量的精度為3mGal。在美國國家地理空間情報局(National Geospatial-Intelligence Agency，NGA)的資助下，Li和Jekeli開展了地面重力矢量測量試驗，其原理與航空重力測量一致，采用的是Honeywell H764G型商用捷聯慣導，并于2005年在高等級公路上采集了大量試驗數據。為了便于精度分析，他們獲取了測線上的垂線偏差標準值，精度優于1″。最終得到的垂線偏差與標準值對比約為5～9mGal。鑒于采用的都是商用捷聯慣導系統，重力傳感器本身的精度不高，因此結果不太理想[23-24]。

為了能在測量時得到重力擾動的水平分量，加拿大SGL公司對AIRGrav的軟件進行了技術升級。采用的誤差分離算法基于相關分析，即利用大地水準面模型CGG05(Canadian Gravimetric Geoid 2005)計算得到測線上的重力擾動值，該值反映了重力擾動的長波信息，以此消除AIRGrav測量數據的偏值和漂移。6條重復測線重力擾動東向分量的內符合精度為0.286mGal，北向分量的內符合精度為0.344mGal，重力擾動東向分量的重復線測量結果如圖4(a)所示。利用2個大地水準面模型CGG05和HT2以及全球重力場模型EGM2008(Earth Gravitational Model 2008)得到的重力擾動東向分量的計算結果如圖4(b)所示，圖中同時繪制了AIRGrav系統的測量均值?？梢钥闯鯝IRGrav測量結果與模型計算結果之間的符合度也很高[25]。

盡管美國、加拿大、德國等開展了大量的重力矢量測量研究工作，但到目前為止，仍沒有一款商業化的航空/海洋矢量重力儀。

2.3 航空/海洋重力梯度儀

重力梯度儀主要用于測量重力梯度張量。20世紀70年代，為了滿足高精度導航和導彈發射的需要，美國軍方投資數十億美元研發動態重力梯度儀，產生了休斯敦航天飛機、Draper實驗室和貝爾宇航(Bell Aerospace，現屬于Lockheed Martin公司)三家機構的三種梯度儀進行競爭的“決賽”計劃。“決賽”的勝利者是貝爾的旋轉加速度計重力梯度儀，而參與競爭的其余2個設計分別為Draper試驗室的浮球重力梯度儀和休斯敦航天的旋轉質量塊型重力梯度儀。貝爾重力梯度儀最初主要用于輔助美國海軍核潛艇的隱蔽導航，1982年完成了第一臺海洋重力梯度儀交付，一度為美國國防秘密。冷戰結束，這項軍事技術得到解密并開始用于地質勘探及地球物理研究等其他領域，成為世界上第一種也是唯一一種投入實際使用的航空/海洋重力梯度儀[5]。

20世紀80年代中期，貝爾宇航公司在軍用海洋重力梯度儀系統的基礎上研制了首套航空移動平臺重力梯度測量系統(Gravity Gradiometer Survey System，GGSS)，裝載于C-130運輸機，開展了廣泛的測量試驗。90年代，澳大利亞BHP公司與美國Lockheed Martin公司聯合研制出了部分張量重力梯度儀FALCONTM，測量精度10E。21世紀初，Lockheed Martin公司在GGSS的基礎上，研制了航空重力梯度測量系統Air-FTGTM，測量精度10E。近年來，Lockheed Martin公司又推出了性能更好的eFTG重力梯度儀系統。2005年，英國ARKeX公司從Lockheed Martin公司獲得FTG硬件技術，重新開發數據處理功能，研制了FTGeXTM系統，測量精度也為10E水平[5-12]。

另一種投入實際使用的重力梯度儀是法國ONERA實驗室的靜電加速度計重力梯度儀，在歐洲航天局(ESA)2009年發射的GOCE(Gravity Field and Steady-State Ocean Circular Explorer)衛星上成功應用[26]。

目前的研究熱點主要是超導重力梯度儀和冷原子干涉重力梯度儀。超導重力梯度儀已達到準實用化水平，主要包括英國ARKeX公司的EGG(Exploration Gravity Gradiometer)系統、美國Gedex公司和馬里蘭大學(University of Maryland)聯合研制的Gedex HD-AGGTM(High-Definition Airborne Gravity Gradiometer)系統、Rio Tinto公司和西澳大學(UWA)聯合研制的VK-1系統等[27]。

冷原子干涉重力梯度儀的研制進展也很快，NASA已完成了可移動的重力梯度儀工程樣機的研制[28]；斯坦福大學已成功研制出了一臺用于測量Txx、Tyy張量的車載水平重力梯度儀(見圖5)，其移動測量精度可達7E[29]；AOSensor公司為美國彈道導彈戰略核潛艇(SSBN)研制的重力梯度儀，已完成陸地車載平臺試驗，并裝備到潛艇上，是目前報道的唯一一款用在運動平臺上的原子干涉重力梯度儀[30]。

目前國際上重力梯度儀研究主要集中在三個方向，一是進一步提高傳統旋轉加速度計重力梯度儀的精度，滿足近期對于重力梯度測量的應用需求；二是研制應用超導技術的重力梯度儀，這一方案極有可能成為下一代重力梯度儀的主方案；三是著眼于未來，研究原子干涉重力梯度儀等采用物理學前沿技術的新型重力梯度儀。

3 國內研究進展

3.1 航空/海洋標量重力儀

國內最早是從20世紀60年代開始海洋重力儀的研制。1965年，中國科學院測量與地球物理研究所(后文中簡稱為“中科院測地所”)研制出了我國首臺HSZ-2型海洋重力儀。1977年，地震研究所研制出我國首臺ZYZY型擺桿式海洋重力儀。1984年，中科院測地所與地震研究所合作研制出DZY-2型海洋重力儀，并于當年安裝在“向陽紅10號”上參加了我國首次南極科學考察，獲得了2萬多海里的重力觀測記錄，精度達到2.4mGal。1986年，中科院測地所成功研制了CHZ型海洋重力儀，該儀器采用了軸對稱式機械結構，應用垂直懸掛零長彈簧秤作為重力傳感系統，先后進行了數千海里測線的海上試驗，測量精度接近1mGal。但進入90年代，由于各方面的原因，上述研制工作基本停滯。直至21世紀初，中科院測地所開始恢復CHZ型重力儀的研制工作，目前已研制出新型樣機，并進行了多次海洋重力測量試驗，試驗精度接近1mGal[8]。

最早從事航空重力儀研制的單位是總參西安測繪研究所。自1995年起承擔航空重力測量系統CHAGS的研究，在引進L&R型航空重力儀的基礎上，自行研發了航空重力數據處理軟件，并于2002年通過鑒定。實際飛行測試內符合精度約為3mGal，外符合精度優于5mGal，基本可以滿足大地水準面測量等應用的要求，但是還不能達到地質調查、資源勘探等高精度高分辨率應用的要求[8]。

21世紀初，慣性技術專業研究所開始進入重力測量儀器研制領域。起初是中船重工集團公司天津航海儀器研究所根據海軍長時間無源導航和戰略導彈重力保障等需求，在“十五”期間便開展了海洋重力儀的研制，采用與俄羅斯Chekan-AM重力儀類似的兩軸慣性穩定平臺+金屬零長彈簧重力敏感器方案。經3個五年計劃的研制，目前已完成多套工程樣機研制(GDP-1型動態重力儀，如圖6所示)，進行了1次4000余公里的航空重力測量試驗和3次共計數萬公里的海洋重力測量試驗，試驗測試結果表明，航空重力測量精度可達2mGal，海洋重力測量精度可達1mGal。

在中國國土資源航空物探遙感中心(后文中簡稱為“航遙中心”)深地資源勘查等需求的牽引下，國防科技大學從“十一五”開始研究基于激光陀螺和石英撓性加速度計的捷聯式航空重力儀，于2010年研制出我國首套具有自主知識產權的捷聯式航空重力儀原理樣機(SGA-WZ01)，經8個架次的飛行試驗表明，內符合精度約為1.5mGal/160s。在“十二五”期間，研制出了第二代捷聯式航空重力儀SGA-WZ02(見圖7)，2015年在新疆完成的飛行試驗表明，重復測線內符合精度達到1mGal/160s[31]。

北京航天控制儀器研究所自2010年啟動航空/海洋重力儀SAG的研制工作。該款重力儀采用了激光陀螺捷聯數學平臺+石英撓性加速度計重力敏感器的技術方案(見圖8)。自2013年起，與航遙中心、中科院測地所、海洋局海洋二所、中科院南海所等單位聯合進行了大量的航空和海洋重力測量試驗。在航空重力測量試驗中，精度與同機搭載的GT-1A基本相當。在海洋重力測量試驗中，精度與同船搭載的L&R海洋重力儀相當[32]。

北京自動化控制設備研究所是國內唯一從事三軸慣性穩定平臺式航空/海洋重力儀研制的單位，采用與加拿大SGL公司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技術方案，在已裝備的航空慣性導航系統的基礎上改進研制而成。目前已完成多套工程樣機(GIPS-1AM，見圖9)的研制，經海洋重力測量試驗表明，其內符合精度優于1mGal。該重力儀小型輕質化特點突出，主機(含重力傳感器、穩定平臺和電子線路等)外形尺寸僅為400mm×270mm×200mm，質量小于23kg[33]。

總體而言，國內多個研制單位均已完成了樣機的研制，并進行了海洋或飛行試驗，但均未形成成熟的商業化產品。

3.2 航空/海洋矢量重力儀

目前國內研究主要集中在標量重力測量上，對矢量重力測量的研究較少。解放軍信息工程大學、武漢大學等對航空矢量重力測量的相關理論進行了研究，并對用載波相位差分GPS系統測量載體運動加速度進行了試驗研究[21-22，33]。國防科學技術大學在“十二五”期間對航空/海洋矢量重力儀開展了研究工作，采用SINS/DGPS方案，利用SGA-WZ01和SGA-WZ02重力儀的飛行試驗數據對矢量測量算法進行了驗證，取得了實質性的進展。

3.3 重力梯度儀

國內在重力梯度儀方面的研究起步較晚，基礎薄弱，與國外先進水平相比差距較大。

天津航海儀器研究所、北京航天控制儀器研究所和華中科技大學等單位在21世紀初開始旋轉加速度計型重力梯度儀的研制，經過3個五年計劃的研制，完成了重力梯度測量技術的相關理論研究，以及高分辨率加速度計、重力梯度敏感器和重力梯度測量穩定平臺等樣機的研制。到 “十二五”末，作為重力梯度儀核心元件的高分辨率加速度計的分辨率達到優于1×10-8g的水平，重力梯度敏感器實驗室靜態分辨率達到70E的水平，取得了較為顯著的進展。

國內主要是華中科技大學在開展超導重力梯度儀的研制，目前已完成試驗室原理樣機研制。

中科院武漢物數所、華中科技大學、浙江大學和浙江工業大學等單位先后開展了原子重力梯度儀的研究工作。其中武漢物數所于2003年開始冷原子干涉儀的相關實驗研究，2005年研制了原子干涉儀原理樣機，2010年研制了原子重力儀原理樣機，分辨率達到6×10-9g?！笆濉逼陂g，研制了測量Tzz張量的垂向原子重力梯度儀原理樣機，測量精度達到7.5E；與此同時還研制了用于測量Txx、Tyy張量的水平原子干涉重力梯度儀原理樣機，測量精度達到7.4E。在基于鉛質量塊的重力場調制實驗中，2臺梯度儀的實測值和理論值均一致，實現了重力梯度測量的原理性驗證[35-36]。

華中科技大學、浙江大學和浙江工業大學也開展了基于單阱雙拋和2套小型化重力儀疊加技術的測量Tzz張量的垂向原子干涉重力梯度儀的研究，并取得了一系列重要進展。華中科技大學在原子干涉儀重力測量方面靈敏度達到5.5×10-9g/Hz1/2，重力梯度靈敏度達到670E/Hz1/2。浙江大學的原子干涉重力儀精度達到10-8m/s2[37]。

國內測量方案囊括了國際主流的重力梯度儀方案，工作方式包括原子噴泉和原子團自由下落，組成方式包括雙重力儀和單重力儀雙原子團，測量方式包括了水平測量和豎直測量等，成功研制出了原子干涉重力梯度儀演示樣機，但與國際先進水平相比，國內的重力梯度儀技術相對落后。

4 結束語

國外航空/海洋重力儀早在20世紀90年代就已達到實用水平，包括兩軸穩定平臺式和三軸穩定平臺式的，其中三軸穩定平臺式的綜合性能最好。目前主要是在研制捷聯數學平臺式重力儀以及進一步提高三軸穩定平臺式重力儀的性能。國內已研制出兩軸穩定平臺式、三軸穩定平臺式和捷聯數學平臺式重力儀工程樣機，并經航空和海洋重力測量試驗驗證，基本可滿足實際應用需求。

在航空/海洋矢量重力儀方面，國外開展了大量的研究工作，但一直沒有商業化的產品出售。國內也開展了航空/海洋矢量重力儀的理論研究和樣機研制，積累了一定的研制基礎。

在重力梯度儀方面，國外發達國家在20世紀80年代就已進入實用階段，前期主要是美國Lockheed Martin公司研制的旋轉加速度計重力梯度儀，近期的超導重力梯度儀和冷原子干涉重力梯度儀也已達到準實用化水平。國內經過數十年的追趕，目前已完成旋轉加速度計重力梯度儀實驗樣機研制和實驗室靜態試驗測試，在超導重力梯度儀和原子干涉重力梯度儀方面也均已完成實驗室原理樣機的研制。

目前，國內航空/海洋重力測量儀器的研制已經取得了可喜進展，顯著縮短了與國外先進國家的差距。后續研究重點主要是：1)開展航空/海洋重力儀實用化研制和實際應用研究，形成商業化產品，打破國外壟斷；2)開展航空/海洋矢量重力儀工程樣機研制和相關應用技術研究，投入工程應用；3)開展旋轉加速度計重力梯度儀工程樣機研制，填補我國重力梯度儀的空白，同時開展超導重力梯度儀和原子干涉重力梯度儀等的研制，趕上國際先進水平。

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Review on the Development of Airborne/Marine Gravimetry Instruments

HU Ping-hua1, ZHAO Ming1, HUANG He1, LIU Dong-bin1, TANG Jiang-he1, WEI Chao2

(1.Beijing Institute of Automatic Control Equipment, Beijing 100074,China;2.Rockets Force Military Representative Office in the 33rd Research Institute, Beijing 100074,China)

This report introduces the basic meaning and classification of airborne/marine gravimetry instrument, and analyses its application areas roundly.For airborne/marine (scalar) gravimeter, airborne/marine vector gravimeter and airborne/marine gravity gradiometer, development history and current situation at home and abroad are summarized comprehensively, and the near future development in China is presented.

Airborne/marine (scalar) gravimeter; Airborne/marine vector gravimeter; Airborne/marine gravity gradiometer

2017-05-02；

2017-06-12

國家自然科學基金重大科研儀器研制項目(41527803)

胡平華(1964-)，男，博士，研究員，主要從事慣性技術、重力測量儀器方面的研究。E-mail:huph01@sina.com

10.19306/j.cnki.2095-8110.2017.04.002

P223

A

2095-8110(2017)04-0010-10