航空/海洋重力测量仪器发展综述

胡平华，赵 明，黄 鹤，刘东斌，唐江河，尉 超

(1.北京自动化控制设备研究所，北京 100074；2.火箭军驻第三十三研究所军事代表室，北京 100074)



航空/海洋重力测量仪器发展综述

胡平华1，赵 明1，黄 鹤1，刘东斌1，唐江河1，尉 超2

(1.北京自动化控制设备研究所，北京 100074；2.火箭军驻第三十三研究所军事代表室，北京 100074)

简要介绍了航空/海洋重力测量仪器的基本概念和分类，全面分析了其应用领域。针对航空/海洋(标量)重力仪、航空/海洋矢量重力仪和航空/海洋重力梯度仪三种类型，综合阐述了其国际、国内发展现状，指出了我国航空/海洋重力测量仪器的后续发展方向。

航空/海洋(标量)重力仪；航空/海洋矢量重力仪；航空/海洋重力梯度仪

0 引言

地球上的任何物体都会受到地球和其他天体的引力及离心力的作用，引力和离心力的合力称为重力。重力是一个矢量，既有大小又有方向，大小用重力加速度来衡量，方向用垂线偏差来表示。重力的大小和方向都取决于地球内部物质和外部物质的分布及地球自转。由于地球的形状不规则以及质量分布不均匀，地球上各点的重力加速度会存在一定的差异。地球重力场是地球的基本物理特性之一，通过测量出地球的重力分布，既可揭示地球内部物质的分布、运动与变化状态，又可掌握地球附近空间物理事件产生和发展的规律与机理。对于现代国防、资源勘探、空间科学、海洋科学、大地测量学、地球物理学、地球动力学等基础、前沿科学研究具有非常重要的意义，对于我国的国民经济、科学技术、国防现代化建设均有重要影响[1-2]。

根据测量的物理量不同，重力测量仪器可分为标量重力仪、矢量重力仪和重力梯度仪。标量重力仪只测量重力的垂向分量(重力异常)；矢量重力仪除测量垂向分量外，还要测量重力的两水平分量(垂线偏差)，比标量重力仪测量的信息更多；重力梯度仪是测量重力矢量在三维空间的变化梯度，全张量重力梯度仪包含5个独立分量，具有对地球密度扰动更为敏感的特点，因此比重力异常具有更小尺度的空间分布特性，能够提供更全面、更丰富的重力特征信息，可反映局部区域地质特征的精细变化[1-2]。

按照测量时仪器的运动状态不同，重力测量仪器可分为静态和动态两类，静态重力测量仪器测量时要求仪器静止不动，因此，测量效率低，不能实现人员难以到达地区的重力测量；而动态重力测量仪器可安装到载体上，在载体运动过程中实现连续重力测量，主要包括航空、海洋和卫星等重力测量仪器，其中航空、海洋两类应用最为广泛。航空/海洋重力测量仪器具有可实现对人员难以到达的沙漠、沼泽、山川、森林、河湖、海洋等地区进行重力测量的优势，此外还具有测量速度快、效率高、成本低、连续均匀、中高频等特点[1-2，6]。

本文主要介绍航空/海洋重力测量仪器，包括航空/海洋标量重力仪、航空/海洋矢量重力仪和航空/海洋重力梯度仪的应用领域，国内外发展现状及后续发展趋势。

1 航空/海洋重力测量仪器应用领域

1.1 在现代国防领域的应用

航空/海洋重力测量仪器在现代国防领域具有重大而紧迫的应用需求，主要体现在以下方面。

1)在远程武器精确制导中的应用

地球重力场要素对战略武器命中精度的影响主要体现在导弹的初始对准和制导两方面。

在初始对准方面，制导系统的水平对准要用到发射点(潜基弹道导弹为水下发射阵地)的垂线偏差信息。发射点的重力参数对导弹的弹着精度有重要的影响，且射程越远影响越显著。据估算，发射点20″垂线偏差对战略导弹落点产生的偏差在600m左右[3]。

在制导方面，弹道导弹在发射阵地上空有一段近地低速飞行，对地球重力场的高频信息非常敏感，由重力场引起的加速度误差会很快积累成速度误差，形成导弹脱靶因素；当导弹进入高空高速飞行阶段，制导系统对高频重力场信息的敏感性逐渐减小，而与地球重力场的中长波信息的相关性逐渐增大。为了提高弹道导弹的命中精度，必须在制导时对弹道上的重力扰动进行补偿。据估计，地球重力场要素对战略导弹命中精度的综合影响可达2～3km[4]。美国为了发展航天技术和远程武器，早在20世纪50年代就制定了全球的重力测量计划。他们不仅在其本土的各空军基地和导弹发射场周围进行精密的重力测量，而且还远涉重洋到他们所能到达的一切水域和陆地进行测量，同时还广泛收集各国的陆地和海洋重力测量资料。目前美国的陆基和海基导弹均已实现重力场弹上实时修正，这对提高美国战略导弹命中精度起到了关键性的作用，美国海军三叉戟-II型弹道导弹命中精度已经达到百米[4]。

2)在潜艇水下长时间自主导航中的应用

据估计，如果忽略重力异常和垂线偏差的影响，那么经过72h的航行后，潜艇惯性导航系统的累积定位误差可达2～3km[4]。为了保证惯性导航系统的精度，必须采取必要的重力异常和垂线偏差补偿措施。具体补偿一般采用两种方式：一种是利用重力仪实时对重力异常和垂线偏差进行测量，将测量结果直接用于惯性导航系统的重力异常和垂线偏差补偿；另一种方式是利用已有的重力场测量数据建立相应的模型，代入惯性导航系统力学编排方程进行补偿。第一种方式的关键是惯性导航系统必须附带实时测量重力矢量的相应设备；第二种方式的关键则是潜艇活动海区必须事先完成重力场探测。

地球重力场除可用于提高潜艇惯性导航系统的精度外，还可用于其水下惯性/重力匹配自主导航。海丘、海沟等地貌以及矿藏分布均会产生海底重力场的起伏特征。水下重力场匹配导航是指将预先测定的潜艇航行区域重力数据制成重力场背景分布图并储存在潜艇中。当潜艇航行到这些地区时，潜艇装载的传感器实时地测定重力场的有关特征值，并构成重力场实时分布图。实时分布图与预存的背景分布图在计算机中进行相关匹配计算，确定实时分布图在背景分布图中的最相似点，即匹配点，从而计算出潜艇的实时位置，达到精确导航的目的。由于重力图形匹配系统获取重力场信息时对外无能量辐射，是一种完全自主、隐蔽和抗干扰的导航方式，是名副其实的无源导航系统，能够满足核潜艇长期隐蔽航行的要求，因此其军事意义非常重大[4，12]。

3)在军用卫星高精度定轨中的应用

人造卫星是在地球重力场作用下在空间绕地球运动的，要精密定轨，必须知道精确的地球重力场参数。对于军事成像侦察卫星，定轨精度以及精确的轨道参数将直接影响其对地观测的精度[2，5]。

4)在潜艇水下航行安全中的应用

潜艇在海底地形复杂的陌生海区航行时，海底地形的起伏变化易导致触礁、触底等安全事故，严重威胁潜艇的生存。地球重力场信息可反演出海底地形，可为潜艇水下安全航行和战术规避提供重要依据，进而也可以利用复杂的海底地形实施隐蔽机动和设伏。

5)在水下和地下敌方军事设施探测中的应用

重力梯度信息能够反映质量体之间的精细密度差异，重力梯度仪是一种有效的无源探测手段，对水下大型潜器、地下工事、藏兵洞等军事设施具有较高的探测能力，能够为一体化联合作战提供战场预警监视和情报支援。美国曾在加州Vandenberg空军基地的地下导弹发射设施上方利用重力梯度仪进行勘测实验，并测到了30E(E为重力梯度单位，1E=10-9/s2)的重力梯度异常[6]。

1.2 在深地、深海资源勘探领域中的应用

地下物质密度分布不均匀会引起地球重力变化，并且地球重力场对地壳深部(0～5000m)密度结构尤为敏感，因此航空/海洋重力测量仪器在深地、深海资源勘探领域具有至关重要的作用。航空/海洋重力测量作为一种快速、轻便而且经济有效的方法，已成为国际上勘探能源和矿产资源的最重要手段之一。美国、俄罗斯、加拿大、澳大利亚等国的一些公司将航空重力测量与航空磁测结合起来探矿，在海洋油气资源和陆地矿产资源的勘探上已有很多成功案例[7]。具体应用主要包括以下方面。

1)在石油、天然气的普查和勘探中的应用

通过航空/海洋重力测量快速绘制小比例尺的重力异常图，可研究区域地质构造，划分构造单元，圈定沉积盆地的范围，预测含油、气远景区。通过绘制中比例尺的重力异常图，可划分沉积盆地内的次一级构造，识别构造样式，进一步圈定有利于油气藏形成的地段，寻找局部构造，例如地层构造、古潜山、盐丘、地层尖灭、断层封闭等有利于油气藏储存的地段。特别是当航空/海洋重力测量精度提高后，加上数据处理和解释方法的发展，可进一步快速绘制大比例尺高精度重力异常图，用于查明油气藏有关的局部构造细节，直接寻找与油气藏有关的低密度体，为钻井布置提供依据[7]。

2)在固体矿产勘探中的应用

应用航空/海洋重力探测固体矿产有两个途径：一是在有利的条件下直接寻找固体矿床；另一个是研究固体矿床赋存的岩体或构造，以推断矿体的位置。例如，利用重力法确定中酸性浸入岩及其浸入通道的断裂构造寻找金矿；利用重力法探测原生磁铁矿、硫铁矿与次生赤铁矿，造成明显局部重力异常进行铁矿勘探；利用矿藏引起的局部重力异常以及其固有的弱磁性，通过航空/海洋重力测量并辅以磁场异常测量，可有效地进行铬铁矿勘查；利用盐岩密度比围岩低的特点，可采用重力法寻找盐矿，当盐矿有一定规模时采用航空/海洋重力勘探的效果很好[7]。

3)在矿产资源长远勘探规划中的应用

重力异常特征是区域地质构造单元和地成结构等的反映。通过航空/海洋重力测量可快速准确获得地球的重力异常以及确定构造单元，能够有效地进行成矿远景预测，为进一步勘探提供指导。

1.3 在地球科学研究领域中的应用

航空/海洋重力测量仪器在大地测量学、地球物理学、地球动力学、海洋科学等基础前沿科学领域也具有广泛的应用需求。

在大地测量学中，重力场用于确定地球形状和高程基准，不断精化大地水准面是当前地球重力场研究的主要任务之一[2，8-10]。

在地球物理学中，重力测量为研究海洋与陆地岩石圈结构、地壳构造以及地壳均衡等提供了海底及地球内部信息。对地球重力场的精密测量有助于划分大地构造单元，推断地质构造和断层的类型和深度，分析地质体的密度特征[2，8-10]。

对于地球动力学，通过对重力场的重复观测可以提供地球形状随时间变化的数据，可以研究地球内部构造，监测内部结构变化和板块运动，预报地震[2]。

在海洋科学中，可用求定重力场的方法得出海洋大地水准面。若由卫星雷达测高法求出海面高，再结合海洋密度数据，就可获取大洋环流信息，揭示海洋洋流、环流的活动规律等。

地球重力场数据是研究固体地球演化、全球海平面、冰川融化、洋流、气候、陆地水资源、地质灾害和地震等科学问题的重要前提。

2 国外发展现状

2.1 航空/海洋标量重力仪

由于标量重力仪技术最为成熟、应用最为广泛，为此通常简称为重力仪。根据采用稳定平台的不同，航空/海洋重力仪可分为两轴陀螺稳定平台、三轴惯性稳定平台和捷联数学稳定平台三类。

两轴陀螺稳定平台航空/海洋重力仪：这是最早成熟应用的动态重力仪，早在20世纪50年代，美国LaCoste&Romberg(即现在的Micro-g LaCoste)公司生产出了世界上第一台带动态稳定平台的重力仪。该重力仪主要是采用金属零长弹簧重力敏感器，并将其安装在两轴阻尼陀螺稳定平台上，以隔离载体的水平角运动。随后，德国、俄罗斯等也开发出了此种两轴陀螺稳定平台的航空/海洋重力仪，并采用了石英弹簧重力敏感器和惯性稳定平台技术。其主要代表有美国LaCoste&Romberg公司的L&R系列和贝尔航空公司的BGM系列、德国Bodenseewerk公司的KSS系列以及俄罗斯中央科学研究所(the Central Scientific Research Institute Elektropribor)的Chekan-AM重力仪。它们的测量精度均在1mGal(Gal为重力单位， 1Gal=10-2m/s2)左右，分辨率在2km附近，动态量程小于20Gal[5-14]。

三轴惯性稳定平台航空/海洋重力仪：由于两轴陀螺稳定平台航空/海洋重力仪难以完全消除水平加速度对重力敏感器输出结果的影响，限制了仪器测量精度和动态性能的提高，为此，人们在20世纪末21世纪初研制出了三轴惯性稳定平台航空/海洋重力仪。

1992年加拿大SGL( Sander Geophysics Ltd.)公司开始了航空惯性基准重力测量系统(Airborne Inertially Referenced Gravimeter System，AIRGrav)的研制，其主机如图1所示。该系统采用三轴惯性稳定平台+石英挠性加速度计重力敏感器方案，稳定平台包括2个惯性级的加速度计和2个二自由度挠性陀螺，并将系统安装在温控箱里。平台水平姿态可控制在10″以内，这使得飞机的机动对系统的精度影响很小，并且可以进行起伏飞行。此外，平台的常平架结构可将每一个加速度计置于垂直的上下两个方向，可对加速度计和陀螺等的模型参数进行野外自标定。重力敏感器采用霍尼韦尔的QA3000小型高精度石英挠性加速度计，可克服弹簧重力敏感器工作范围小，交叉耦合效应大，易受载体运动干扰，同时体积和质量偏大等一系列问题。1999 年夏天在加拿大渥太华地区进行了首次飞行试验，目前已研制出4套系统供其使用。此型重力仪拓展到海洋重力测量(SGL公司称之为Marine AIRGrav)也具有很好的性能。其测量精度可达0.5mGal，分辨率优于2km，动态量程为-1000Gal～2000Gal[5-12，15]。

2001年莫斯科重力测量技术公司进行了GT-1A航空重力仪首次试飞。GT-1A的稳定平台由1个二自由度挠性陀螺、1个光纤陀螺和2个加速度计组成，陀螺、加速度计与常平架一起构成平台式惯性导航系统的典型配置。GT-2A航空重力仪(见图2)是GT-1A的升级版，采用更先进的隔震系统和更大量程的传感器。GT-2M海洋重力仪是GT-2A的改进版，更适于海洋重力测量，即使在恶劣海况下其水平误差角也可控制在10″～15″的水平。GT-2R是针对极区测量的改进型，采用了四天线的差分GNSS接收机。它们的测量精度可达0.6mGal，分辨率在2km附近，动态量程为10Gal[5-12，16-17]。

这类重力仪是目前得到实际使用的航空/海洋重力仪中技术最先进、精度最高的，正在逐渐取代双轴阻尼稳定平台式重力仪，并占据主导地位。

捷联数学稳定平台航空/海洋重力仪：捷联式重力仪与稳定平台式重力仪相比，由于没有机械平台，具有体积小、质量小、功耗小、成本低、可靠性高、操作简单等优点。得益于光学陀螺捷联惯导和高精度加速度计等相关技术的进步，从20世纪90年代开始，加拿大、美国、俄罗斯、德国等国相继开展了捷联式重力仪研制，经过多年发展，捷联式重力仪的精度正在逐步接近双轴阻尼稳定平台重力仪的精度。

加拿大Calgary大学率先于20世纪90年代初开展了基于捷联惯导系统的航空标量重力测量系统(Strapdown Inertial Scalar Gravimetry，SISG)的研究。该系统直接采用了Honeywell公司的惯性级LASEREFIII型激光陀螺捷联惯导系统。飞行试验结果表明，其测量精度可达到1.5mGal/2km(2.5mGal/1.4km)[5-12]。

德国巴伐利亚自然科学与人文科学学院(Bavarian Academy of Sciences and Humanities)的BEK(Bayerische Kommission für die Internationale Erdmessung)小组从20世纪90年代中期开始研究捷联式航空重力测量系统(Strapdown Airborne Gravimetry System，SAGS)，最新一代样机SAGS4采用了3个光纤陀螺、4个高精度石英挠性加速度计QA3000，并采取了温控、减震、电磁屏蔽等措施。但由于温度控制没有达到设计要求，飞行试验结果不理想[5-12]。

俄罗斯莫斯科重力测量技术公司同时也在开展GT-X捷联式重力仪的研制，该重力仪采用三轴一体激光陀螺，外形尺寸为Φ20cm×45cm，质量为15kg，但一直未见重力测量试验结果发表[5-12]。

多个欧洲国家采用德国iMAR公司的货架式惯性级激光陀螺惯性导航系统RQH-1003(见图3)，对其QA2000型石英挠性加速度计零偏进行温度补偿，航空重力测量的重力异常精度达到了1～3mGal，垂线偏差精度达到了2″[18-20]。

这类重力仪目前只有德国iMAR公司销售过，其他均未形成可销售的商品。

2.2 航空/海洋矢量重力仪

重力测量的另一个热点是矢量重力测量，它需要在测量重力扰动矢量垂直分量的基础上，进一步获取重力扰动矢量的2个水平分量。从20世纪70年代初以来，矢量测量一直受到众多科学家的关注。早期的重力矢量测量一般采用间接估算法，即首先进行标量重力测量，然后利用测得的重力异常数据按费宁-梅内斯(Vening-Meinesz)公式计算垂线偏差。间接估算法的缺点在于费宁-梅内斯公式理论上要求全球重力覆盖，由于覆盖不完全引起的误差将叠加在数据噪声对估算的垂线偏差的影响中，特别是在测区边缘上。为此，近十几年来普遍采用直接求差法。直接求差法的原理与重力标量测量一致，即分别利用重力仪和GNSS测得三维比力和载体加速度，将二者求差得出重力扰动矢量信息[21-22]。

美国Ohio 州立大学的Jekeli和Hwon首先对基于捷联惯导的航空重力矢量测量进行了大量仿真研究，利用加拿大Calgary大学的捷联航空重力测量数据进行了矢量测量研究，水平分量精度可达到7～8mGal，垂直分量的精度为3mGal。在美国国家地理空间情报局(National Geospatial-Intelligence Agency，NGA)的资助下，Li和Jekeli开展了地面重力矢量测量试验，其原理与航空重力测量一致，采用的是Honeywell H764G型商用捷联惯导，并于2005年在高等级公路上采集了大量试验数据。为了便于精度分析，他们获取了测线上的垂线偏差标准值，精度优于1″。最终得到的垂线偏差与标准值对比约为5～9mGal。鉴于采用的都是商用捷联惯导系统，重力传感器本身的精度不高，因此结果不太理想[23-24]。

为了能在测量时得到重力扰动的水平分量，加拿大SGL公司对AIRGrav的软件进行了技术升级。采用的误差分离算法基于相关分析，即利用大地水准面模型CGG05(Canadian Gravimetric Geoid 2005)计算得到测线上的重力扰动值，该值反映了重力扰动的长波信息，以此消除AIRGrav测量数据的偏值和漂移。6条重复测线重力扰动东向分量的内符合精度为0.286mGal，北向分量的内符合精度为0.344mGal，重力扰动东向分量的重复线测量结果如图4(a)所示。利用2个大地水准面模型CGG05和HT2以及全球重力场模型EGM2008(Earth Gravitational Model 2008)得到的重力扰动东向分量的计算结果如图4(b)所示，图中同时绘制了AIRGrav系统的测量均值。可以看出AIRGrav测量结果与模型计算结果之间的符合度也很高[25]。

尽管美国、加拿大、德国等开展了大量的重力矢量测量研究工作，但到目前为止，仍没有一款商业化的航空/海洋矢量重力仪。

2.3 航空/海洋重力梯度仪

重力梯度仪主要用于测量重力梯度张量。20世纪70年代，为了满足高精度导航和导弹发射的需要，美国军方投资数十亿美元研发动态重力梯度仪，产生了休斯敦航天飞机、Draper实验室和贝尔宇航(Bell Aerospace，现属于Lockheed Martin公司)三家机构的三种梯度仪进行竞争的“决赛”计划。“决赛”的胜利者是贝尔的旋转加速度计重力梯度仪，而参与竞争的其余2个设计分别为Draper试验室的浮球重力梯度仪和休斯敦航天的旋转质量块型重力梯度仪。贝尔重力梯度仪最初主要用于辅助美国海军核潜艇的隐蔽导航，1982年完成了第一台海洋重力梯度仪交付，一度为美国国防秘密。冷战结束，这项军事技术得到解密并开始用于地质勘探及地球物理研究等其他领域，成为世界上第一种也是唯一一种投入实际使用的航空/海洋重力梯度仪[5]。

20世纪80年代中期，贝尔宇航公司在军用海洋重力梯度仪系统的基础上研制了首套航空移动平台重力梯度测量系统(Gravity Gradiometer Survey System，GGSS)，装载于C-130运输机，开展了广泛的测量试验。90年代，澳大利亚BHP公司与美国Lockheed Martin公司联合研制出了部分张量重力梯度仪FALCONTM，测量精度10E。21世纪初，Lockheed Martin公司在GGSS的基础上，研制了航空重力梯度测量系统Air-FTGTM，测量精度10E。近年来，Lockheed Martin公司又推出了性能更好的eFTG重力梯度仪系统。2005年，英国ARKeX公司从Lockheed Martin公司获得FTG硬件技术，重新开发数据处理功能，研制了FTGeXTM系统，测量精度也为10E水平[5-12]。

另一种投入实际使用的重力梯度仪是法国ONERA实验室的静电加速度计重力梯度仪，在欧洲航天局(ESA)2009年发射的GOCE(Gravity Field and Steady-State Ocean Circular Explorer)卫星上成功应用[26]。

目前的研究热点主要是超导重力梯度仪和冷原子干涉重力梯度仪。超导重力梯度仪已达到准实用化水平，主要包括英国ARKeX公司的EGG(Exploration Gravity Gradiometer)系统、美国Gedex公司和马里兰大学(University of Maryland)联合研制的Gedex HD-AGGTM(High-Definition Airborne Gravity Gradiometer)系统、Rio Tinto公司和西澳大学(UWA)联合研制的VK-1系统等[27]。

冷原子干涉重力梯度仪的研制进展也很快，NASA已完成了可移动的重力梯度仪工程样机的研制[28]；斯坦福大学已成功研制出了一台用于测量Txx、Tyy张量的车载水平重力梯度仪(见图5)，其移动测量精度可达7E[29]；AOSensor公司为美国弹道导弹战略核潜艇(SSBN)研制的重力梯度仪，已完成陆地车载平台试验，并装备到潜艇上，是目前报道的唯一一款用在运动平台上的原子干涉重力梯度仪[30]。

目前国际上重力梯度仪研究主要集中在三个方向，一是进一步提高传统旋转加速度计重力梯度仪的精度，满足近期对于重力梯度测量的应用需求；二是研制应用超导技术的重力梯度仪，这一方案极有可能成为下一代重力梯度仪的主方案；三是着眼于未来，研究原子干涉重力梯度仪等采用物理学前沿技术的新型重力梯度仪。

3 国内研究进展

3.1 航空/海洋标量重力仪

国内最早是从20世纪60年代开始海洋重力仪的研制。1965年，中国科学院测量与地球物理研究所(后文中简称为“中科院测地所”)研制出了我国首台HSZ-2型海洋重力仪。1977年，地震研究所研制出我国首台ZYZY型摆杆式海洋重力仪。1984年，中科院测地所与地震研究所合作研制出DZY-2型海洋重力仪，并于当年安装在“向阳红10号”上参加了我国首次南极科学考察，获得了2万多海里的重力观测记录，精度达到2.4mGal。1986年，中科院测地所成功研制了CHZ型海洋重力仪，该仪器采用了轴对称式机械结构，应用垂直悬挂零长弹簧秤作为重力传感系统，先后进行了数千海里测线的海上试验，测量精度接近1mGal。但进入90年代，由于各方面的原因，上述研制工作基本停滞。直至21世纪初，中科院测地所开始恢复CHZ型重力仪的研制工作，目前已研制出新型样机，并进行了多次海洋重力测量试验，试验精度接近1mGal[8]。

最早从事航空重力仪研制的单位是总参西安测绘研究所。自1995年起承担航空重力测量系统CHAGS的研究，在引进L&R型航空重力仪的基础上，自行研发了航空重力数据处理软件，并于2002年通过鉴定。实际飞行测试内符合精度约为3mGal，外符合精度优于5mGal，基本可以满足大地水准面测量等应用的要求，但是还不能达到地质调查、资源勘探等高精度高分辨率应用的要求[8]。

21世纪初，惯性技术专业研究所开始进入重力测量仪器研制领域。起初是中船重工集团公司天津航海仪器研究所根据海军长时间无源导航和战略导弹重力保障等需求，在“十五”期间便开展了海洋重力仪的研制，采用与俄罗斯Chekan-AM重力仪类似的两轴惯性稳定平台+金属零长弹簧重力敏感器方案。经3个五年计划的研制，目前已完成多套工程样机研制(GDP-1型动态重力仪，如图6所示)，进行了1次4000余公里的航空重力测量试验和3次共计数万公里的海洋重力测量试验，试验测试结果表明，航空重力测量精度可达2mGal，海洋重力测量精度可达1mGal。

在中国国土资源航空物探遥感中心(后文中简称为“航遥中心”)深地资源勘查等需求的牵引下，国防科技大学从“十一五”开始研究基于激光陀螺和石英挠性加速度计的捷联式航空重力仪，于2010年研制出我国首套具有自主知识产权的捷联式航空重力仪原理样机(SGA-WZ01)，经8个架次的飞行试验表明，内符合精度约为1.5mGal/160s。在“十二五”期间，研制出了第二代捷联式航空重力仪SGA-WZ02(见图7)，2015年在新疆完成的飞行试验表明，重复测线内符合精度达到1mGal/160s[31]。

北京航天控制仪器研究所自2010年启动航空/海洋重力仪SAG的研制工作。该款重力仪采用了激光陀螺捷联数学平台+石英挠性加速度计重力敏感器的技术方案(见图8)。自2013年起，与航遥中心、中科院测地所、海洋局海洋二所、中科院南海所等单位联合进行了大量的航空和海洋重力测量试验。在航空重力测量试验中，精度与同机搭载的GT-1A基本相当。在海洋重力测量试验中，精度与同船搭载的L&R海洋重力仪相当[32]。

北京自动化控制设备研究所是国内唯一从事三轴惯性稳定平台式航空/海洋重力仪研制的单位，采用与加拿大SGL公司AIRGrav重力仪相同的三轴惯性平台+石英挠性加速度计式重力敏感器技术方案，在已装备的航空惯性导航系统的基础上改进研制而成。目前已完成多套工程样机(GIPS-1AM，见图9)的研制，经海洋重力测量试验表明，其内符合精度优于1mGal。该重力仪小型轻质化特点突出，主机(含重力传感器、稳定平台和电子线路等)外形尺寸仅为400mm×270mm×200mm，质量小于23kg[33]。

总体而言，国内多个研制单位均已完成了样机的研制，并进行了海洋或飞行试验，但均未形成成熟的商业化产品。

3.2 航空/海洋矢量重力仪

目前国内研究主要集中在标量重力测量上，对矢量重力测量的研究较少。解放军信息工程大学、武汉大学等对航空矢量重力测量的相关理论进行了研究，并对用载波相位差分GPS系统测量载体运动加速度进行了试验研究[21-22，33]。国防科学技术大学在“十二五”期间对航空/海洋矢量重力仪开展了研究工作，采用SINS/DGPS方案，利用SGA-WZ01和SGA-WZ02重力仪的飞行试验数据对矢量测量算法进行了验证，取得了实质性的进展。

3.3 重力梯度仪

国内在重力梯度仪方面的研究起步较晚，基础薄弱，与国外先进水平相比差距较大。

天津航海仪器研究所、北京航天控制仪器研究所和华中科技大学等单位在21世纪初开始旋转加速度计型重力梯度仪的研制，经过3个五年计划的研制，完成了重力梯度测量技术的相关理论研究，以及高分辨率加速度计、重力梯度敏感器和重力梯度测量稳定平台等样机的研制。到 “十二五”末，作为重力梯度仪核心元件的高分辨率加速度计的分辨率达到优于1×10-8g的水平，重力梯度敏感器实验室静态分辨率达到70E的水平，取得了较为显著的进展。

国内主要是华中科技大学在开展超导重力梯度仪的研制，目前已完成试验室原理样机研制。

中科院武汉物数所、华中科技大学、浙江大学和浙江工业大学等单位先后开展了原子重力梯度仪的研究工作。其中武汉物数所于2003年开始冷原子干涉仪的相关实验研究，2005年研制了原子干涉仪原理样机，2010年研制了原子重力仪原理样机，分辨率达到6×10-9g。“十二五”期间，研制了测量Tzz张量的垂向原子重力梯度仪原理样机，测量精度达到7.5E；与此同时还研制了用于测量Txx、Tyy张量的水平原子干涉重力梯度仪原理样机，测量精度达到7.4E。在基于铅质量块的重力场调制实验中，2台梯度仪的实测值和理论值均一致，实现了重力梯度测量的原理性验证[35-36]。

华中科技大学、浙江大学和浙江工业大学也开展了基于单阱双抛和2套小型化重力仪叠加技术的测量Tzz张量的垂向原子干涉重力梯度仪的研究，并取得了一系列重要进展。华中科技大学在原子干涉仪重力测量方面灵敏度达到5.5×10-9g/Hz1/2，重力梯度灵敏度达到670E/Hz1/2。浙江大学的原子干涉重力仪精度达到10-8m/s2[37]。

国内测量方案囊括了国际主流的重力梯度仪方案，工作方式包括原子喷泉和原子团自由下落，组成方式包括双重力仪和单重力仪双原子团，测量方式包括了水平测量和竖直测量等，成功研制出了原子干涉重力梯度仪演示样机，但与国际先进水平相比，国内的重力梯度仪技术相对落后。

4 结束语

国外航空/海洋重力仪早在20世纪90年代就已达到实用水平，包括两轴稳定平台式和三轴稳定平台式的，其中三轴稳定平台式的综合性能最好。目前主要是在研制捷联数学平台式重力仪以及进一步提高三轴稳定平台式重力仪的性能。国内已研制出两轴稳定平台式、三轴稳定平台式和捷联数学平台式重力仪工程样机，并经航空和海洋重力测量试验验证，基本可满足实际应用需求。

在航空/海洋矢量重力仪方面，国外开展了大量的研究工作，但一直没有商业化的产品出售。国内也开展了航空/海洋矢量重力仪的理论研究和样机研制，积累了一定的研制基础。

在重力梯度仪方面，国外发达国家在20世纪80年代就已进入实用阶段，前期主要是美国Lockheed Martin公司研制的旋转加速度计重力梯度仪，近期的超导重力梯度仪和冷原子干涉重力梯度仪也已达到准实用化水平。国内经过数十年的追赶，目前已完成旋转加速度计重力梯度仪实验样机研制和实验室静态试验测试，在超导重力梯度仪和原子干涉重力梯度仪方面也均已完成实验室原理样机的研制。

目前，国内航空/海洋重力测量仪器的研制已经取得了可喜进展，显著缩短了与国外先进国家的差距。后续研究重点主要是：1)开展航空/海洋重力仪实用化研制和实际应用研究，形成商业化产品，打破国外垄断；2)开展航空/海洋矢量重力仪工程样机研制和相关应用技术研究，投入工程应用；3)开展旋转加速度计重力梯度仪工程样机研制，填补我国重力梯度仪的空白，同时开展超导重力梯度仪和原子干涉重力梯度仪等的研制，赶上国际先进水平。

[1] 熊盛青，周锡华，郭志宏，等.航空重力勘探理论方法及应用[M].北京：地质出版社，2010.

[2] 黄谟涛，翟国君，管铮，等.海洋重力场测定及其应用[M].北京：测绘出版社，2005.

[3] 赵希亮，尤宝平，金绍华，等.潜地战略导弹对海洋重力场精度需求分析[J].海军大连舰艇学院学报，2015,38(6):53-54.

[4] 黄谟涛，翟国君，欧阳永忠，等.海洋磁场重力场信息军事应用研究现状与展望[J].海洋测绘，2011,31(1):71-76.

[5] 常国宾，李胜全.惯性技术视角下动态重力测量技术评述(一) :比力测量与载体动态的影响[J].海洋测绘，2014，34(3):77-82.

[6] 张昌达.航空重力测量和航空重力梯度测量问题[J].工程地球物理学报，2005,2(4): 282-291.

[7] 张永明，盛君，张贵宾.航空重力测量技术的现状及应用[J].勘探地球物理进展，2006,29(2): 94-97.

[8] 宁津生，黄谟涛，欧阳永忠，等.海空重力测量技术进展[J].海洋测绘，2014,34(3):67- 72.

[9] 孙中苗，翟振和，李迎春.航空重力仪发展现状和趋势[J].地球物理学进展，2013，28(1):1-8.

[10] 夏哲仁，孙中苗.航空重力测量技术及其应用[J].测绘科学，2006,31(6):43-46.

[11] 王静波，熊盛青，周锡华，等.航空重力测量系统研究进展[J].物探与化探，2009,33(4):369-373.

[12] 徐遵义，晏磊，宁书年，等.海洋重力辅助导航的研究现状与发展 [J].地球物理学进展，2007,22(1):105-111.

[13] Forsberg R, Olesen A V, Einarsson I.Airborne gravimetry for geoid determination with Lacoste Romberg and Chekan gravimeter[J].Gyroscopy and Navigation, 2015, 6(4):265-270.

[14] Krasnov A A, Sokolov A V, Rzhevskiy N N.First airborne gravity measurements aboard a dirigible[J].Seismic Instruments, 2015, 51(3):252-255.

[15] Krasnov A A, Odintsov A A, Semenov I V.Gyro stabilization system of a gravimeter[J].Gyroscopy and Navigation, 2010, 1(3)：191-200.

[16] Smoller Y L, Yurist S S, Golovan A A, et al.Using a multiantenna GPS receiver in the airborne gravimeter GT-2A for surveys in polar areas[J].Gyroscopy and Navigation, 2015, 6(4):299-304.

[17] Koneshov V N, Klevtsov V V, Soov V N.Upgrading the GT-2A aerogravimetric complex for airborne gravity measurements in the arctic[J].Physics of the Solid Earth, 2016, 52(3):452-459.

[18] Ayres-Sampaio D, Deurloo R, Bos M, et al.A comparison between three IMUs for strapdown airborne gravimetry[J].Survey Geophys, 2015, 36(4):571-586.

[19] Becker D, Nielsen J E, Ayres-Sampaio D, et al.Drift reduction in strapdown airborne gravimetry thermal correction[J].Journal of Geodesy, 2015, 89(11):1133-1144.

[20] Becker D, Becker M, Olesen A V, et al.Latest results in strapdown airborne gravimetry using an iMAR RQH unit[C]//4thIAG Symposium on Terrestral Gravimetry, 2016:19-25.

[21] 赵德军.航空矢量重力测量的理论与方法[D].郑州:解放军信息工程大学, 2005.

[22] 王丽红.航空矢量重力测量中载体矢量加速度的确定方法[M].郑州:解放军信息工程大学, 2008.

[23] Li X, Jekeli C. Ground-vehicle INS /GPS vector gravimetry[J].Geophysics，2008，73(2):I1-I10.

[24] Jekeli C， Kwon J H.Results of airborne vector(3-D)gravimetry[J].Geophysical Research Letters, 1999, 26(23):3533-3536.

[25] Sander L, Ferguson S.Advances in SGL AIRGrav acquisition and processing[C]//Richard Lane.Airborne Gravity 2010,Abstracts from the ASEG-PESA Airborne Gravity 2010 Workshop.Australia: Onshore Energy Minerals Division, Geoscience Australia, 2010:172-177.

[26] Touboul P, Foulon B, Rodrigues M, et al.In orbit nano-g measurements, lessons for future space missions[J].Aerospace Science and Technology, 2004, 8(5):431-441.

[27] Moody M V, Paik H J, Canavanc, E R.Three-axis superconducting gravity gradiometer for sensitive gravity experiments[J].Review of Scientific Instruments, 2002, 73(11):3957-3974.

[28] Snadden M J, McGuirk J M, Bouyer P, et al.Measurement of the earth’s gravity gradient with an atom interferometer-based gravity gradiometer[J].Physical Review Letters, 1998, 81(5):971.

[29] Wu X.Gravity gradient survey with a mobile atom interferometer[D].Stanford University, 2009.

[30] Brown D, Mause L, Young B, et al.Atom interferometric gravity sensor system[C]//Position Location and Navigation Symposium.IEEE，2012.

[31] Cai S K, Wu M P, Zhang K D, et al.The first airborne scalar gravimetry system based on SINS/DGPS in China[J].Science China: Earth Sciences， 2013， 56(12):2198-2208.

[32] Wang W J, Luo C, Xue Z, et al.Progress in the development of laser strapdown airborne gravimeter in China[J].Gyroscopy and Navigation, 2015, 6(4):271-277.

[33] 胡平华，黄鹤，赵明,等.GIPS-1AM高精度惯性稳定平台式海空重力仪的设计与试验[J].导航定位与授时，2015,2(3):16-22.

[34] 王峥.联合捷联式惯性导航与全球导航卫星数据的航空矢量重力测量方法[J].测绘学报，2016,45(11):1384.

[35] Wang P, Li R B, Yan H, et al.Demonstration of a Sagnac-type cold atom interferometer with stimulated Raman transitions[J].Chinese Physics Letters, 2007, 24(1):27.

[36] Zhou L, Xiong Z Y, Yang W,et al.Measurement of local gravity via a cold atom interferometer[J].Chinese Physics Letters, 2001, 28(1):013701.

[37] Duan X C, Zhou M K, Mao D K, et al.Operating an atom-interferometry-based gravity gradiometer by the dual-fringe-locking method[J].Physical Review A, 2014, 90(2):023617.

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

国家自然科学基金重大科研仪器研制项目(41527803)

胡平华(1964-)，男，博士，研究员，主要从事惯性技术、重力测量仪器方面的研究。E-mail:huph01@sina.com

10.19306/j.cnki.2095-8110.2017.04.002

P223

A

2095-8110(2017)04-0010-10