海空重力仪的技术现状及新应用

修 睿，郭 刚，薛正兵，李东明，李海兵

（1.青岛海洋科学与技术试点国家实验室，青岛266237；2.北京航天控制仪器研究所，北京100039）

0 引言

重力是地球对地表物体万有引力的一个分力。如将地球物理的细节变动通过高精度、高分辨率的重力场数据变化表现出来，这些数据变化将为大地测量测绘、地球物理/地质地貌的勘探，以及空间海洋的科学研究提供重要的基础资料和基本参数，是国家的重要战略资源。根据现有技术水平，研制和构建精度更高、分辨率更好的重力场模型，从而更好地进行地球资源勘查，是测量学在未来发展过程中的一项重要任务。

重力测量仪在现代国防工业中的应用价值主要体现在以下领域：

在资源勘探领域，重力的变化反映了地下物质密度分布的不均匀，而物质密度的分布又与地质构造及矿产分布有着密切联系，因而重力测量可应用于矿产勘探领域。该类型的应用在国外已有诸多成功案例，例如加拿大雪域无人区的大型金刚石矿藏、非洲大型油气矿产的发现等。

在测绘科学领域，重力场数据可以帮助人类认识地球构造、物质分布与演化，促进对于地震监测与自然灾害等前沿科学问题的研究。重力场数据对大地测量的主要贡献在于确定地球形状、精确求定地面控制点的坐标和高程基准等方面。

在惯性导航与定位领域，例如近地表飞行导航、运载火箭轨道定位、潜艇水下导航等，精准的重力或重力梯度信息能够在很大程度上提高定位的准确度。

在军事应用领域，高精度重力数据信息可以服务于低轨航天器的轨道设计和确定，以及对地观测卫星的精密定轨；高精度重力数据可以为武器系统的发射场及途径地提供重力异常和垂线偏差信息，并对武器系统的惯性导航系统进行重力补偿，可有效降低惯性导航系统的Schuler误差和导弹落点偏差，从而提高中远程战略武器系统的精准打击能力；以重力数据库为基础的重力图形匹配技术还可为执行长期潜航任务的潜艇提供水下位置校正信息，使潜艇不必再上浮至接近水面，以保证潜艇的隐蔽性和安全性。

国际上，海空重力测量系统已经有几十年的发展历史，美国、俄罗斯、加拿大等国家都有各自正在应用的海空重力测量系统。典型产品主要包括：美国Micro⁃g LaCoste公司研制的L＆R II型、III型海空重力仪；美国Bell航空公司研制的BGM系列重力仪；俄罗斯中央电气仪表所研制的Chekan⁃AM 海空重力仪［1⁃6］。在我国，由中国国土资源航空物探遥感中心主持的航空地球物理勘查项目已经在 “十一五”和 “十二五”连续2个五年计划中获得了科技部 “863”项目的支持；由华中科技大学、中国地质大学、中国科学院武汉物理与数学研究所、中国科学院测量与地球物理研究所共同承担的 “精密重力测量研究设施”项目也已经被列为《国家重大科技基础设施建设中长期规划（2012年～2030年）》优先安排建设的16项重大科技基础设施［8⁃12］之一。

1 国外研究进展

1.1 海洋/航空重力仪

目前，国际上典型的海洋/航空重力测量产品主要包括：

（1）GT 系列重力仪

俄罗斯重力测量技术公司和国立莫斯科大学从20世纪60年代开始联合研制海洋重力仪。GT系列重力仪目前包括 GT⁃1A、GT⁃2A、GT⁃2M、GT⁃X 等型号，其中GT⁃2M是海洋重力仪。T系列重力仪系统采用了三轴平台惯导系统结构，对加速度计和相关电子设备采取了温控措施。T系列重力仪系统由电子线路箱、重力仪主机、转动台和减震器4部分组成。该系列重力仪的敏感度约为0.1mGal，动态量程为10Gal，动态范围约为±500Gal，最大姿态限制横滚角和俯仰角均为±45°。该系统的精度可达0.5mGal，分辨率为 1.5km～2.75km［1⁃2］。GT 系列重力仪产品如图1所示。

图1 GT系列产品Fig.1 GT series products

（2）AIRGrav 航空重力仪

AIRGrav航空重力仪由加拿大Sander公司于1992年研制，于1997年研制成功，在1999年进行了首次飞行试验，目前已经投入商业运营，主要用于石油勘探测量和探矿测量。该系统采用了三轴平台惯导系统，主要优点是姿态更加稳定，受水平加速度的影响更小。其搭载在固定翼飞机时，其精度可达0.2mGal，分辨率为2.2km～4km；搭载在直升机时，其精度可达 0.2mGal，分辨率为0.7km ～ 1.1km［1⁃3］。

（3）L＆R III型海空重力仪

2007年，美国 Micro⁃g LaCoste公司推出了L＆R III型海空重力仪。该重力仪基于L＆R II型重力仪，对机体及重力数据软件进行了改进和优化，在新型机械陀螺的基础上加入了固体光纤陀螺，使稳定平台能够自动地对航行姿态进行实时的调整补偿，从而保证重力传感器始终处于水平测量状态。同时，其重力传感器在结构设计上具有对称性，这使得仪器在测量过程中不受CC效应的影响，无需进行CC改正，能够有效避免撞击和震动带来的误差。在恶劣海况下，其测量精度可达±0.7 ～ ±1.0mGal［4⁃5］。

（4）Bell BGM⁃3 型海洋重力仪

该重力仪由美国贝尔航空公司研制生产，主要采用了高精度的贝尔航空XI型惯性级加速度计，在高动态环境下可获得精确的测量结果。BGM⁃3型海洋重力仪的数字输出精度为0.2mGal，在近海海况良好时测量精度高于0.4mGal，在进行远海测量时精度约为 0.7mGal，零漂率＜0.1mGal/d［4⁃5］，且线性度高。BGM⁃3型海洋重力仪如图2所示。

图2 BGM-3海洋重力仪Fig.2 BGM-3 marine gravimeter

（5）Chekan⁃AM 重力仪

该重力仪由俄罗斯圣彼得堡科学研究中心电气仪表所研制生产，属于该所设计的第3代重力仪系统。Chekan⁃AM重力传感器采用双石英弹性系统，内设线性CCD光电转换器，量程为15Gal，零漂率＜3mGal/月，精度为 1mGal。

（6）KSS 系列海洋重力仪

由德国Bodenseewerk公司研制生产的KSS系列海洋重力仪相继推出了 KSS5型、KSS30型、KSS50型等型号产品，是新型高精度的海洋重力仪，具有精度高、质量小、抗风浪能力强等特点，并且自动化程度高、体积小。在海况平静时，其测量精度为0.5mGal；在海况恶劣时，其重力测量精度为±1mGal；在海况非常恶劣时，其测量精度为±2mGal［5⁃6］。

（7）MGS⁃6 型海洋重力仪

MGS⁃6型海洋重力仪为LRS公司推出的产品，其设计和研制基于L＆R S型海洋重力仪，是第3代动态稳定平台重力仪。其量程为500000mGal，动态重复精度为 0.25mGal［5⁃6］，可用于在全球范围内进行重力测量。MGS⁃6型海洋重力仪如图3所示。

图3 MGS-6型海洋重力仪Fig.3 MGS-6 marine gravimeter

国外典型重力仪产品的研制情况如表1所示。

1.2 海空重力仪的车载试验

航空重力测量是在海洋重力测量的基础上发展起来的，与海洋重力测量相比，载体受环境影响的波动性较大。在将海空重力仪搭载于车辆上时，由于车辆在行驶过程中发生晃动，车辆姿态经常发生变化，因而试验对重力仪的动态适应能力要求更高。重力仪的车载试验为未来针对车载重力测量技术的研究打下了良好的基础。

美国俄亥俄州州立大学于2008年进行了针对INS/GPS重力测量系统的研究。鉴于INS/GPS重力测量系统在机载场景中可以表现出良好的性能，考虑到低速和高度，将系统移入地面车辆有助于提高重力估算的分辨率，但系统也将面临更加复杂的动态和更为苛刻的观察条件［4］。在试验中，选择在蒙大纳州西南部重复行驶以进行跑车试验，来测试车载重力测量系统的重复性和精度，平均车速高达90km/h。该系统的测量精度可达2.1mGal/2.2km～ 2.7mGal/2.2km，垂向重力扰动部分的可重复性水平达到了0.64mGal［7］。

表1 国外典型重力仪产品的研制情况Table 1 Development of typical gravimeter products abroad

2 国内研究进展

2.1 海洋/航空重力仪

国内也针对重力测量仪进行了积极的研发和生产，国防科技大学、北京航天控制仪器研究所、中国科学院测量与地球物理研究所等单位均已研制出了各自的代表性产品。

（1）SGA⁃WZ 系列重力仪

由国防科技大学研制的SGA⁃WZ系列重力仪是中国首款基于SINS/DGPS的航空重力仪，其对网格测线的内符合精度为3.2mGal/4.8km，经系统误差补偿后精度可达 1mGal［8］。在研制 SGA⁃WZ01型捷联式航空重力仪的基础上，国防科技大学进一步研制了新一代捷联式重力仪系统——SGA⁃WZ02。试验数据表明，SGA⁃WZ02型车载重力仪对重复测线的内符合精度为1.64mGal/1.1km、1.12mGal/1.7km，外符合精度为 2.33mGal/1.1km、1.77mGal/1.7km［9］。

（2）SAG系列海空重力仪

经过10年的自主研制，北京航天控制仪器研究所利用惯性器件、惯性技术和导航优势完成了2款重力仪产品、1款旋转式重力梯度测量系统、1款重力梯度测量用大型稳定平台的研制。其中，捷联式重力仪SAG实现了小批量生产，地面试验、航空海洋试验测得其内符合精度为1mGal。将其与GT⁃1A型重力仪的测试数据进行比对，比对精度小于1mGal。改进后的SAG⁃2M型重力仪如图4所示。

图4 改进后的SAG-2M型重力仪Fig.4 Improved SAG-2M Gravimeter

2018年3月，SAG⁃2M型海洋重力仪搭载在向阳红18号进行了为期30天的海洋动态测试试验，完成了由6条东西测线、6条南北测线组成的网格区域的走航式重力测量。本次试验的36个交叉点的内符合精度达到了0.65mGal，东西重复测线的精度达到了0.5mGal，南北重复测线的精度达到了0.37mGal。本次试验东西测线上的自由空间重力异常曲线如图5所示。图6为本航次一条东西重复测线自由空间重力异常的曲线图，以绿色曲线为基准，红色曲线相对绿色曲线的测量误差中值为0.5mGal，标准差为 0.65mGal。

图5 东西测线自由空间重力异常曲线Fig.5 Free-space gravity anomaly curves of East-West line

（3）GIPS⁃1AM 平台式海空重力仪

由中国航天科工集团33所研制的三轴平台式海空重力仪采用与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”设计方案，其重力传感器的温控精度优于0.01℃，静态测量精度优于0.5mGal，动态测量精度为1mGal。

（4）CHZ 系列海洋重力仪

CHZ系列海洋重力仪是中国科学院测量与地球物理研究所研制的轴对称型海洋重力仪，具有小型化、稳定性好、可消除CC效应等优点，能够在垂直加速度为500Gal、水平加速度为250Gal的恶劣海况下工作。实验室测量显示，该仪器的非线性误差不超过 1mGal，海试试验精度可达±1.4mGal。CHZ系列海洋重力仪如图7所示。

表2给出了我国典型的移动平台重力测量系统。

表2 我国典型的移动平台重力测量系统Table 2 Typical mobile platforms for gravity measurement system in China

2.2 海空重力仪的车载试验

目前，国内主要有以下海空重力仪产品进行了地面跑车车载试验：

（1）SGA⁃WZ 系列重力仪

由国防科技大学研制的SGA⁃WZ02型海空重力仪于2015年在湖南长沙进行了车载重力测量试验，来检验和评估将该型重力仪应用于移动车载环境下的可行性，并进行了相应的精度测量和水平分析。测量路径为长沙市区一条长度约为35km的高速公路，车辆在行驶过程中的平均车速为40km/h。试验测得基于SINS/GNSS的该重力仪系统在车载环境下的精度为2.6mGal，分辨率为0.56km，内符合精度为1.64mGal/1.1km、1.12mGal/1.7km，外符合精度为 2.33mGal/1.1km、1.77mGal/1.7km［8⁃9］。

此外，国防科技大学还研制了基于SINS/VEL的新型陆地重力测量系统。试验数据表明，该测量方法的内部一致性水平为1.17mGal，外部一致性水平为1.91mGal，验证了在不同条件下进行陆地车辆重力测量的巨大潜力［10⁃11］。

（2）SAG 型重力仪

由北京航天控制仪器研究所研制的SGA⁃2M型海空重力仪分别于2012年和2013年在北京、武汉两地进行了跑车试验。试验选取了长度约为30km的市区平坦公路，试验车的车速保持在15km/h左右，车载运动环境下的测量精度主要受限于GPS的精度。试验测得该重力仪内符合精度优于1mGal，外符合精度优于2mGal，在车载静态环境下的测量精度优于0.2mGal。图8为跑车试验的结果曲线［12］。

图8 车载动态重力测量结果曲线Fig.8 Curves of vehicle dynamic gravity measurement

（3）CHZ 型重力仪

由中国科学院测量与地球物理研究所研制的CHZ型重力仪分别在实验室、野外及海上进行了若干试验，以检测仪器的性能。车载试验选取城市或乡间道路进行测量，并重复进行了3次试验。试验未发生突然掉格的现象，静态测量精度达到了1mGal。

3 海空重力仪的新应用

随着无人机、无人水面艇和深海潜航器技术的日趋成熟，开展无人平台重力测量和水下动态测量成为了可能。但目前，无人平台重力测量和水下动态测量仍存在若干技术问题亟待解决。

3.1 无人平台重力测量

从运载体的发展趋势来看，重力测量搭载平台从有人系统向无人系统发展，无人机和无人水面艇重力测量是海空重力测量的重要补充手段。

以水面无人搭载平台为例，传统的大型舰船在测量过程中只往返于网格测区，耗费时间和能源。大型舰船无法在海岸带浅水区域及边远岛礁复杂海域开展重力测量，而无人水面艇能够通过在海洋环境下的自主航行来完成任务，是一种小型水面运动平台。利用测量母船携带的水面测量小艇同步进行海洋重力测量，能够有效提高测量效率。特别地，无人水面艇的应用将极大程度地提高测量效率，同时消除登艇操作人员的安全隐患，节约人力资源。

作为一种新型的无人化平台，与传统水面舰船相比，无人水面艇具有以下优势［13⁃17］：

1）小型轻量，反应速度快。无人水面艇的总长度为6m～20m，排水量在数吨至数十吨之间，相比同级舰船速度更快。

2）环境适应性强。无人水面艇排水量小，适合在港口、近岸等浅水区域活动作业，更能克服由海况干扰所产生的影响。

3）舰艇丰富。艇型设计自由灵活，如三体船型、滑行艇型等可搭载重力测量设备。

4）推进方式多样。传统的舰船推进方式、全电力推进方式，以及太阳能/风能/海洋能等环保能源推进方式均可使用。

5）作业效率高。采用多艘无人水面艇建立分布式探测网格，进行协同作业，可以快速、低成本地完成大范围的军用及民用任务。

6）全天时。可全天时地在重点海域执行科研勘探、侦察监视、目标搜索识别、快速响应与实时打击等任务。

从目前的发展水平来看，无人水面艇的功能集成日渐增加，船型由单体向多体等高性能船舶方向发展，并被越来越多地应用于军用和民用领域。

采用无人水面艇等无人载荷平台来搭载相对重力仪进行重力测量，相比于有人测量船，具有更广阔的使用范围，同时也要求重力仪提供更大的动态范围和更高的动态频率。在研制方面需要解决如下技术难题：

1）提升石英挠性加速度计的动态适应性。相较于弹簧式重力传感器，石英挠性加速度计具有动态适应性强的优点。为满足高动态海洋环境下重力测量作业的需求，石英挠性加速度计目前的动态适应性还需要进一步提高。这需要在现有重力测量用加速度计的基础上，从结构设计、补偿方法、伺服回路设计、工艺过程等方面做出改进，研制出动态适应性满足需求的高精度重力传感器。

2）改进抗恶劣环境的减震系统。无人水面艇重力测量对重力仪减震器提出了较为特殊的要求，需要针对原测量船型的重力仪系统的减震器形式及参数进行重新设计，以适应水面小艇在航行时遇到的由海浪引起的颠簸、由发动机引起的震动等恶劣环境。

3）拓宽重力仪的工作温度范围。重力传感器及关键电子元器件性能的稳定发挥与温度的稳定性关系密切，而无人水面艇重力测量属于外场作业范畴，对使用环境要求严苛。为保证重力测量仪器的测量精度，需要将重力仪设备的工作温度范围拓宽至-10℃～45℃，同时需要保证核心重力传感器及电路的温控稳定性达到0.001℃。

4）设计高精度的重力提取算法。大型测量船在进行常规海洋重力测量时，通常选择平静海况。此时，重力提取算法通过在一定周期内对连续的重力观测值取均值及设计滤波器，可消除由波浪导致的误差。但在采用无人水面艇进行重力测量时，在恶劣海况下，无人水面艇受到的垂向干扰加速度将被数倍放大。为保证测量精度，须针对高动态海洋环境和小型艇的应用条件，重新设计重力提取算法。

3.2 水下动态重力测量技术

从水下导航技术的发展趋势来看，针对深远海的重力勘探，在更大范围内实现水下动态重力测量，是一种更加高效的测量方式。

随着陆地资源逐渐被开发殆尽，海洋开发呈现出了持续、快速的增长趋势，海洋作业范围也逐渐由海面作业延伸到了水下作业，如海底生物资源探查、矿产资源采样、海底地形勘测、沉物打捞、地震/地热活动监测、海洋环境监测、海洋工程维护和堤坝安全监测等。深水、超深水和极地等环境下地质资源的勘探与开发必须综合应用地球物理方法，从而获得最佳的经济效益和勘探效率［18⁃19］。高精度重力勘探、水下导航技术是海洋科学考察、资源开发、深海空间站建设等工程不可或缺的技术手段，为海底的资源勘探和开发提供了重要的定位、导航与通信支撑功能。

目前，海洋重力测量主要采用船载方式进行，即将重力仪安装于传统舰船内，由其进行动态测量。重力仪提供连续的观测值，获取速度、姿态和位置信息，并通过重力提取算法和滤波对数据进行处理，以消除漂移误差。在深远海环境中，重力仪无法通过GPS获取高度通道信息。因此，针对深远海条件下的水下导航需求，设置外部辅助信息源，构建水下组合导航系统，提升重力仪搭载潜航器的水下定位、定速、定姿精度，是未来需要解决的技术问题。

针对深远海环境，水下导航通常采用多种传感器协同工作的方式，如SINS、GPS、Doppler测速仪DVL、长基线LBL、短基线SBL、地形匹配TAN、磁航向仪MCP及探测仪等。通常而言，主要可采用以下3种方式实现深远海、中高精度的复合导航［20⁃25］：

1）惯性/声学组合导航。在水下利用DVL和USBL等方式，实时修正惯性系统的误差。

2）SINS、磁场无源导航。当载体航行至水下物理变化较为明显的部分区域时，可利用外部信息修正导航系统的误差。

3）跨介质、多平台协同导航。在深远海测量中，利用声学装置向水下平台提供GNSS信息，可辅助系统修正导航系统的误差。

4 结论

目前，国外重力测量技术已经较为成熟，重力测量仪器已经基本满足了使用精度的要求。国内移动平台重力仪的研制也已经取得可喜的进展，在海洋/航空重力仪方面，其性能已经可以与国外先进国家相媲美。

从未来的发展趋势来看，车载移动重力测量和水下动态测量技术在作业过程中更接近测量目标，可提高重力测量的分辨率；采用无人平台的重力测量能够极大地提高作业效率，节约成本。上述车载、水下、无人重力测量技术将进一步扩充移动重力测量技术的应用领域，同时为重力信息的应用领域提供更加丰富、完备的测量数据。