海空重力测量技术进展
【编者按：本文简要分析了现有三类重力测量技术手段整体发展状况及其特点，全面阐述了国际、国内海空重力测量技术的起步、发展与现状，综述了国内外主要海空重力仪的性能技术指标，介绍了国内海空重力测量系统研制与试验情况。发表在《海洋测绘》2014年第3期上，是我们了解海空重力测量技术及其进展的指导性论文，现经作者同意编辑发表。对于从事海洋测绘的专业人士建议予以收藏，也提供给朋友们阅读了解。宁津生院士，男，安徽桐城人，大地测量学家，中国工程院院士，主要从事大地测量相关理论和方法研究。】
(文/宁津生 黄谟涛 欧阳永忠 邓凯亮)
一、引言
在大地测量学科领域确定地球重力场的主要任务，是建立全球重力场模型和确定大地水准面，特别是确定区域性高分辨率和高精度的大地水准面模型。联合使用地球表面观测重力、近地空间航空重力、卫星测高和卫星重力数据，不断推出更高精度、更高分辨率的区域性乃至全球性的地球重力场模型，仍是未来相当长时间内大地测量科学一项繁重而又基本的任务，实现这一艰巨任务有赖于全球高精度、高密度重力数据的持续获取与积累，以及为实现高精度、高密度重力数据全球覆盖的多源重力融合处理技术的发展。众所周知，目前获取地球重力数据主要有三种技术手段，一是地面静态重力测量，二是海面船载重力测量与航空重力测量，三是卫星重力测量与卫星测高反演重力测量。毫无疑问，地面静态重力测量是当前获取重力数据精度最高的技术手段，但其作业效率低；卫星测高技术历经40多年的发展，随着测高卫星数目的增多，测高数据不断积累，测高精度由最初的米级提高到目前的厘米级，分辨率由原来的上百公里提高到现在的几公里，由其推算的地球重力场参数精度和分辨率也得到了不断提高，最新版本的卫星测高重力数据集，譬如DTU10，其空间分辨率已达1′×1′，在部分海区与船测重力比对的符合度达±4mGal，卫星测高技术较好地解决了约占全球面积71%的海洋重力场的确定问题，但在大陆近岸、岛礁与南北两极等地区仍难以达到理想水平。2000年以来，新一代卫星重力计划CHAMP、GRACE和GOCE的陆续成功实施，已经使分辨率100km(180阶)全波段位模型大地水准面精度达到厘米级水平。其中，地球环境探测小卫星CHAMP已实现推求70阶位系数，相应地面分辨率为250km全球重力场模型的目标；重力恢复与气候卫星GRACE则达到了推求120阶位系数，相应地面分辨率为160km全球重力场模型的目标；2009年发射的重力梯度测量卫星GOCE则可推求250阶位系数，相应地面分辨率为80km的全球重力场模型。尽管卫星重力测量技术能够测定全球重力场，但仍只能测定地球重力场的中长波分量；卫星测高技术虽已能以数公里的分辨率测定全球海域重力场，但其测定海域高频信息的精度和分辨率仍与船载重力测量、航空重力测量方式有较大的差距。在现有技术阶段，要可靠地测定全球高精度、高分辨的高频重力场信息，仍需综合采用地面、船载和航空重力测量技术手段。船载海洋重力测量是目前获取高精度、高频海洋重力场信息最有效的方式，特别适用于卫星测高技术反演重力场精度较低的近岸与岛礁海区；而对海陆交界的滩涂地带及其浅水区域，不仅卫星测高技术难以实现，而且实施地面重力测量和船载海洋重力测量的难度也很大，航空重力测量则可以快速、经济、大面积地获取这些困难区域分布均匀、精度良好的高频重力场信息；同时，航空重力测量能够快速、机动地在一些难以开展地面或船载重力测量的特殊区域如沙漠、冰川、沼泽、高山、森林等进行作业。因此，综合运用地面重力测量、船载海洋重力测量、航空重力测量、卫星测高和卫星重力测量技术，仍将是今后相当长时间内获取全频谱精细全球重力场信息的有效技术途径。在现阶段，船载重力测量与航空重力测量技术仍是快速、高效获取全球高精度、高分辨率重力数据的必然选择。
从本质上讲，船载重力测量与航空重力测量同为基于移动平台的动态相对重力测量，二者观测设备的工作原理与数据处理模型具有高度的一致性，差异在于前者采用低动态载体，后者采用高动态载体，适用于航空重力测量数据处理的算法模型同样适用于船载重力测量，可以说船载重力测量数据的处理模型是航空重力测量数据处理模型在一定条件下的简化模型，是航空重力测量的低速特例。正是由于二者的测量数据处理具有相同的内涵，因此本文将海空重力测量定为以舰船或飞机为载体，应用重力仪(或加速度计)测定海面或近地空中重力加速度的重力测量方法，其基本原理是从重力仪所测的总加速度中分离出由载体运动等因素引起的扰动加速度。
二、国际海空重力测量技术进展
人类对地球重力场的探索可以追溯到17世纪Galileo著名的自由落体实验，18世纪开始使用摆仪开展陆地重力测量，但在20世纪以前人类仍无法获得占地球表面积约71%的海洋重力场的任何信息。20世纪初，Hecker(1903)研制出气压式海洋重力仪，Haalck(1939)对该仪器进行了改进，将Hecker原型气压式海洋重力仪±30mGal(10-5m/s2)的测量精度提高到了±5mGal，虽然该型海洋重力仪因体积大，价格昂贵，受环境温度影响较大，测量精度较低，未能投入批量生产，但具有突破性的历史意义，它标志着人类开启了海洋重力测量探索实践的大门。1923年，费宁.梅内斯(Vening Meinesz)在潜水艇上首次使用摆仪获得海洋重力测量成果，从此开始，海洋摆仪作为测定海洋重力场的主要仪器之一，得到推广使用，并且不断得到改进，直到20世纪50年代末期逐步为海面走航式重力仪所取代。一般认为，海洋重力测量的真正起步是以20世纪20年代海洋摆仪的介入为标志，海洋摆仪被视为第一代海洋重力测量仪器。
海洋重力仪的发展经历了三个阶段：摆仪、摆杆型海洋重力仪和轴对称型海洋重力仪。摆杆型海洋重力仪为第二代海洋重力仪，它完成了海洋重力测量由水下到水面、由离散点到连续线测量这一历史性演变。典型代表为美国LaCoste&Romberg公司(即现在的Micro-g LaCoste公司)生产的L&R S型重力仪和德国Graf-Askania公司生产的Gss-2型重力仪(后改称KSS型)。这两种海洋重力仪都安装在陀螺稳定平台上工作，抗外界干扰能力强。此类型重力仪存在的主要问题是由交叉耦合(CC)效应引起的测量误差较大。因此，此类重力仪通常带有附加装置，用于测量作用在重力仪传感器上的扰动加速度，并由专用的CC计算机计算CC改正值。轴对称型海洋重力仪为第三代海洋重力仪，它不受水平加速度的影响，从根本上消除了CC效应误差，可在较恶劣的海况下工作。轴对称重力传感器以力平衡型加速度计代替了摆杆，通过测量传感器在力平衡时反馈输出的电流变化得到重力的变化。目前比较有代表性的轴对称型海洋重力仪是德国Bodenseewerk公司生产的KSS-31型和美国Bell航空公司生产的BGM-3、BGM-5型两类海洋重力仪。BGM-3、BGM-5型重力仪可自动计算厄特弗斯(
受船载海洋重力测量的启发，重力测量工作者将海洋重力仪安装在固定翼飞行器上，开启了航空重力测量技术的探索征程。世界上首次航空重力测量试验由美国空军于1958年11月在加利福尼亚州爱登华兹空军基地实施，试验飞机平台为KC-135喷气式飞机，重力仪为L&R S型海洋重力仪，采用航摄相机结合多普勒雷达进行定位，测量精度达到±10mGal。此后，美国军事和制图机构以及工业部门先后开展了以直升机、固定翼飞机为载体的航空重力测量试验，前苏联、加拿大、丹麦、德国、澳大利亚等国的科研机构和地球物理公司也相继开展了航空重力测量技术研究与试验，但由于导航技术手段长期无法使飞机垂直扰动加速度的测定精度优于10mGal，因而直到20世纪80年代初期，航空重力测量技术实际上处于停滞状态。80年代后期随着GPS动态相位差分精密定位技术的实现，使以mGal级精度分离作用于飞机载体上的运动加速度与地球重力加速度成为可能，航空重力测量技术得到了迅猛发展，并逐步实现了商业化运行。目前，国际上已有两种类型的航空标量重力仪得到了较好的商业应用。第一类为基于阻尼二轴平台的航空重力仪，以L＆R S型、SII型海空重力仪为代表，这是上世纪90年代以来国际上广泛使用的航空重力仪，美国海军科学研究所、丹麦国家测量和地籍局、瑞士苏黎世联邦技术学院、加拿大地理信息学院大地测量系和Carson、Sander、Fugro等地球物理公司均拥有此类航空重力测量系统。其最新型号为TAGS-6和MGS-6，由Micro-g LaCoste公司分别于2010、2013年推出，是对该公司2007年前后推出的交钥匙式TAGS航空重力仪的全面升级。第二类为基于舒勒调谐平台或惯性平台的航空重力仪，以Sander地球物理公司于1997年研制成功的AIRGrav航空重力仪，以及由俄罗斯莫斯科重力测量技术科技公司于2002年研制成功的GT-1A航空重力仪为代表，GT-1A于2010年前后升级为GT-2A，GT系列的海洋重力仪分别为GT-1M、GT-2M。后一类型的航空重力仪较前一类具有更高的测量精度和分辨率，可满足地质调查和资源勘查的需求。由于该类航空重力仪良好的性能表现，Fugro、Sander等公司正逐渐放弃采用L＆R海空重力仪而转向采用平台式惯导系统的海空重力仪。
常规的稳定平台式航空重力标量测量系统主要包括两部分，其一是航空重力仪，用于测量总的加速度，即重力加速度与飞机平台产生的运动加速度之和；其二是GNSS定位系统，用于确定平台运动加速度；重力加速度则由两者的差值确定。该类系统最有代表性的是经过改装的L&R海空重力仪。近些年国外航空重力测量系统开始引入惯性导航系统INS(Inertial Navigation System)，直接将INS固定在飞机机体上，或将其作为惯导稳定平台，与GPS结合在一起，构成新型的航空重力测量系统。该类系统有两种测量重力的实现方案：一种实现方案是把INS作为另外一个独立的精度较高的重力传感器的惯导稳定平台。如加拿大的AIRGrav系统，俄罗斯的GT-1A、GT-2A系统就是这类新型的惯导平台式航空重力标量测量系统的代表，其测量精度通常在1mGal左右，空间分辨率为2-4km。另一种实现方案是不采用物理平台，直接将惯性导航系统INS固定在飞机机体上，与差分模式全球导航定位系统DGPS组合一起，构成新型的所谓捷联惯导式航空重力测量系统SINS/DGPS。加拿大的SINS/DGPS(Strap-down Inertial Navigation System /Differential Global Positioning System)系统和德国的SAGS(Strap-down Airborne Gravity meter System)系统就属于这类捷联式航空重力仪系统。以加拿大Calgary大学为代表的多家研究机构从20世纪90年代相继开展了捷联航空重力仪的研制与试验，取得了与AIRGrav航空重力仪和L＆R航空重力仪大致相当的精度，其测量精度为2-4mGal，空间分辨率在3-5km左右。该类航空重力仪具有体积小、成本低、功耗小、可靠性高、操作简易等优点，但对硬件的温控技术、惯性传感器的性能指标和数字信号滤波器的设计要求比较苛刻。这种类型系统由于将三轴正交的加速度计和陀螺固定于机体上，可用于测量重力加速度矢量(比力)，DGPS测量飞机运动加速度用于运动平台加速度改正，因此捷联式系统不仅可做重力标量测量，也可做重力矢量测量。但由于不采用物理的稳定平台，而是直接固定于机体上，即采用所谓的“数学平台”，因此对加速度计及陀螺的精度、温控、漂移和稳定性等性能指标均有较高要求。
近20年来，航空重力测量技术受三方面的驱动得到了迅猛发展和广泛应用，一是航空重力仪的持续改进，即由传统的海洋重力仪改造升级发展为测量原理更先进的新型航空重力仪，现已形成了以美国Micro-g LaCoste公司的L&R系列(L&R S、SII，TAGS、TAGS-6、MGS-6)、贝尔公司的BGM系列(BGM-3、BGM-5)、德国Bodenseewerk公司的KSS系列(KSS-5、KSS-30、KSS-31、KSS-32)、俄罗斯的GT系列(GT-1A/1M、GT-2A/2M)及CHEKAN-AM、加拿大Sander地球物理公司的AIRGrav等为杰出代表的海空重力仪产品；二是基于GPS技术测定载体位置、速度、加速度精度的不断提高；三是航空重力测量数据处理算法的日臻完善。从而使航空重力标量测量进入到规模化实用阶段。美国、加拿大、法国、丹麦等先后利用航空重力测量方法完成了北极、阿尔卑斯山、瑞士、蒙古等国家和地区的测量，获得了分辨率和精度分别为6～10km、2～10mGal的局部重力场探测数据，满足了局部大地水准面精化和重力场模型构建的需求。特别值得指出的是，始于2007年，美国正在执行一项称之为“美国垂直基准重定重力测量(GRAV-D Project: Gravity for the Redefinition of the American Vertical Datum)”计划，其主要工作任务是，在一些地面重力数据稀少的困难地区，开展航空重力测量，该计划拟延续到2020年，目前已经使用Micro-g LaCoste公司生产的TAGS型重力仪获取了大量的航空重力测量数据，其测量规模在国际上是前所未有的。此外，一些地球物理勘探公司采用航空重力测量方法获取了分辨率更细和精度更高的局部重力场数据，满足了资源勘探的需求。
三、国内海空重力测量技术进展
新中国成立后，随着对能源需求的不断增加, 原地质部于1960年5月组建了我国第一支海洋地球物理勘探队伍，由此揭开了我国海洋重力调查的序幕。我国的海洋重力调查早期采用自行研制的三角架、潜水重力钟进行浅滩重力测量，后又研制成功遥控重力仪，直至采用SG型海底重力仪进行浅水区的重力测量，此类基于陆地重力仪的观测方式虽然精度较高，但效率过低，无法满足现实需求。从上世纪60年代末期开始，中科院、地质矿产部、国家海洋局等海洋调查单位，先后引进了西德Graf-Askania公司的Gss-2、KSS-5海洋重力仪开展走航式海洋重力调查。
我国走航式海洋重力仪的自主研制工作亦始于上世纪60年代初期，1963年，中国科学院测量与地球物理研究所研制成功我国首台HSZ-2型海洋重力仪。1969年，国家海洋局向地震局地震研究所提出了ZYZY型摆杆式海洋重力仪的研制需求，1977年两台初步样机交付国家海洋局试用，1981年2月通过技术鉴定，其海上测量精度为±2.5mGal，测量精度接近KSS-5型海洋重力仪的水平。在此基础上，受国家海洋局的委托，国家地震局地震研究所联合中国科学院测量与地球物理研究所，于1984年研制成功了DZY-2型海洋重力仪，并通过技术鉴定，于次年安装在“向阳红10号”上，获得了2万多海里的重力观测记录，精度为±2.4mGal。1986年11月，中国科学院测量与地球物理研究所历经6年的艰苦努力，研制成功了CHZ型海洋重力仪，通过了中国科学院组织的技术鉴定，该型海洋重力仪为轴对称式海洋重力仪，具有零长弹簧、力平衡反馈、硅油阻尼、数字滤波及数据采集系统，本质上不受CC效应的影响，能在垂直加速度500Gal(10-2m/s2)及水平加速度200Gal的恶劣海况下工作。经与进口的KSS-30型海洋重力仪三次同船实测比较，CHZ型海洋重力仪的测量中误差为±1.35mGal，而KSS-30型海洋重力仪的测量中误差为±2.27mGal。
从上世纪80年代初开始，我国相关部门持续开展海洋重力测量数据处理理论与技术方法研究，自主研发了智能化的配套采集处理设备，构建了完备、高精度的海洋重力测量作业技术与装备体系，形成了成系统、成建制的生产作业能力。
我国航空重力测量实质性技术工作始于20世纪80年代末。1988年，中科院测量与地球物理研究所在江西景德镇市，使用CHZ型海洋重力仪在国产Z-8直升机上进行了我国最早的航空重力测量试验，共获得5个不同高度悬停点的重力观测成果，测量精度为±2.3mGal，与地面基点的平均偏差为-0.4mGal。
西安测绘研究所联合相关单位历经近10年的论证与攻关，基于引进的L&R型海空重力仪，研制成功了我国首套航空重力测量系统CHAGS(Chinese Airborne Gravimetry System)，于2002年11月通过技术鉴定。该系统包括L&R海空重力仪、GPS接收机、高度传感器、姿态传感器、数据采集等部件。2002年，该系统以安-30飞机为载体，在山西大同地区进行了3次飞行试验，飞行高度2800-3400m，飞行速度400km/h，测线间距5-10km，测定山区平均重力异常的内符合精度为±3.32mGal，分辨率为10km，与地面重力测量数据的比对精度优于±5.0mGal。为检验CHAGS系统对轻小型固定翼飞机的适应性及其在严寒气候条件下的作业性能，2003年11月，采用国产新型航测飞机作为载体在哈尔滨进行了飞行试验。试验结果表明，交叉点重力异常不符值的标准差为1.9mGal，相应的半波长分辨率约为9km。2007年，西安测绘研究所基于L&R SII型海空重力仪，完成了第二套CHAGS系统的集成，并于当年8月在我国某山区，采用国产新型航测飞机，与第一套CHAGS进行了同机对比测量试验。试验区域属于中等山区，最高海拔2100多米，测量期间的平均飞行速度为250km/h，飞行高度为2800m。试验结果表明，L&R SII型与L&R S型航空重力仪相比，采样点重力异常之差值的标准差为4.0mGal，单套重力仪的测量精度约为2.8mGal，每套系统获得的5'×5'格网平均重力异常的精度为2.9mGal。总体上，L&R SII型航空重力仪与L&R S型精度相当，但具有更快的仪器稳定速度。这两套航空重力测量设备已分别于2005年、2010年交付测绘单位，开展了系列航空重力测量作业生产。CHAGS系统可满足大地水准面确定等应用需求，但是还不能达到地质调查、资源勘探等高精度应用的要求。
2007年初，中国国土资源航空物探遥感中心在山东寿光地区，对俄罗斯GT-1A型航空重力仪和美国TAGS型航空重力仪进行了对比飞行测试。试验采用Cessna 208飞机，飞行速度为220km/h，飞行高度平均为450m，并通过高精度的地面重力测量来评价两型航空重力仪的性能。试验结果表明，无论从内符合精度、重复线精度、地面外符合检验精度，还是测量分辨率，GT-1A均优于TAGS。基于试验测试结果，中国国土资源航空物探遥感中心最终选择引进GT-1A航空重力仪。至今已形成了成熟的生产作业能力，完成了数十万测线公里航空重力测量生产任务。
在海空重力仪自主研制方面，国家地震局地震研究所的DZY-2型海洋重力仪、中科院测量与地球物理研究所的CHZ型海空重力仪，曾在上世纪70、80年代取得过较大的进展。但进入90年代后，由于体制、经费等方面的原因，这两型重力仪未能得到进一步发展，仅生产出几台样机，未能实现批量生产和形成规模化应用。2008年以后，中科院测量与地球物理研究所开始了CHZ型重力仪的恢复与重建工作，2011年获国家重大仪器开发专项支持，正式启动了海空重力仪的研制。2006年，依托国家“863”计划重大项目的支持，中国国土资源航空物探遥感中心联合国防科大、中船重工707所等单位，开展了SGA-WZ01型捷联航空重力仪、GDP-1型动态重力仪的研制工作，已经推出了工程化原理样机，正在开展系列化的海空试验。2010年，北京航天控制仪器所启动了平台式和捷联式航空重力仪的研制，2013年结合中国国土资源航空物探遥感中心生产任务，开展了捷联式航空重力仪飞行试验，测试数据初步分析结果表明，该型重力仪的测量精度达到了与GT-1A航空重力仪精度相当的水平。
2012年，我国相关部门会同中国国土资源航空物探遥感中心等单位，在南海某海域组织实施了国内乃至国际上规模最大的一次多型航空重力仪同机测试试验。试验采用运8飞机平台，同机加装4型5套航空重力仪，按照设计飞行高度1500m、飞行速度400km/h的技术要求，飞行5个航重架次，获得有效测线27条，测线里程7200km。试验加装的4型5套重力仪中，2套为国外引进的商用航空重力仪，分别为俄罗斯产GT-1A型航空重力仪，美国产TAGS型航空重力仪(L&R S158)；1套为从美国引进的L&R SII型船载海空重力仪(L&R S167)，该型重力仪的重力传感器与TAGS型航空重力仪的传感器完全一致，是我国此类船载海洋重力仪首次进行航空测量试验；另2套为国内自主研制的SGA-WZ01捷联航空重力仪和GDP-1型动态重力仪。本次试验获得了丰富而极具研究价值的试验数据，并且所在区域已于2011年开展了1:25万比例尺船载海洋重力测量，再加上卫星测高反演海洋重力数据，为开展航空重力测量数据处理各种动态效应改正模型精化、GPS PPP定位模式在航空重力测量中的应用、航空重力测量数据向下延拓，以及海域多源重力数据融合处理等技术研究与检验评估提供了充分的数据支持。
2013年，我国相关部门在2012年航空重力测量试验基础上，再次会同国防科大和中船重工707所等单位，组织开展了多型海洋重力仪同船测试试验。该试验同时加装了SGA-WZ01型捷联重力仪和GDP-1型重力仪，以及引进的俄罗斯CHEKAN重力仪和美国产L&R S II型海空重力仪(S167)等4套重力仪，完成了3个有效航次，获取有效测线59条，测线里程9434公里。通过采用重复线比对统计、交叉点不符值统计、不同重力仪成果比对统计和环境适应性分析等4种方法，试验对比计算分析了L&R SII、SGA-WZ01和GDP-1等3型重力仪的测量精度，结果表明，2型国产重力仪船载重力测量精度与L&R SII型海空重力仪相当。
四、结束语
在地球科学研究和资源勘查对高精度高分辨率地球重力场信息日益增长的需求牵引下，经过50多年的发展，海空重力测量精度得到了显著提高，新型观测仪器和GNSS卫星导航定位技术的发展已经使海空重力测量系统的精度提高了近一个数量级，达到了2～4mGal，船载海洋重力测量甚至达到了更高的精度水平，国际海空重力测量系统的研发及其生产应用达到了前所未有的盛况。特别令人欣慰的是，我国国产海空重力测量系统的研发实现了关键技术的重大突破，达到了国际同类产品相应的精度水平，但我们也应清醒地认识到，海空重力测量的精度即使是当今的最高水平也难以与陆地重力测量相媲美，与测量环境和定位过程相关的某些不确定因素仍然制约着海空重力测量技术的发展与普及。因此，在不断提升海空重力测量系统硬件研制技术水平，进一步强化系统运行稳定性和可靠性的基础上，还应大力加强海空重力测量数据处理理论与技术方法研究，以提高国产海空重力测量系统的综合性能，破解进口海空重力测量系统完全垄断国内市场的被动局面。