论文专区▏海空重力测量及应用技术研究进展与展望（一）：目的意义与技术体系

【编者按】作为海空重力测量及应用技术研究进展的开篇，首先简要介绍了该项技术的研究背景，然后详细论述了海空重力测量信息的应用价值及开展该项技术研究的目的意义和应用需求，分析了海空重力测量的技术特点，提出了海空重力测量及应用技术体系的基本架构，明确了该项技术的研究内容、作业技术流程及各个技术环节的相互关系。本文发表在《海洋测绘》2017年第2期上，现编发给朋友们阅读了解。刘敏，男，1980年出生，湖南衡阳人，博士研究生，主要从事海洋重力场测定理论方法及应用研究。 

文/刘敏 黄谟涛 欧阳永忠 邓凯亮 翟国君 陆秀平 吴太旗 陈欣

一、引言

海洋重力场是地球重力场的重要组成部分，也是海战场环境的重要组成要素之一。海洋重力场信息在海洋资源开发、地球科学研究、战场环境建设和作战保障等各个领域都具有非常重要的应用价值^[1-5]。高精度海洋重力观测信息是研究确定海域地质构造和矿产资源分布规律，查明地质体储存状态必不可少的基础资料^[6-8]，同时也是保障航天飞行器精密定轨、潜地战略导弹精确制导和潜器水下匹配长航时导航不可或缺的关键要件^[9-12]。

随着建设海洋强国发展战略的逐步实施和海军发展战略转型的持续推进，我国海洋经济建设和海战场环境建设对海洋重力场信息的保障需求日趋紧迫。为了应对新形势带来的新挑战，最近一个时期，我国地方涉海部门和军事保障部门都在投入大量人力和物力，用于开展海洋重力场信息采集装备的研制和观测数据的分析处理工作。作为获取海洋重力场信息的两种主要技术手段，海面重力测量和航空重力测量技术倍受人们的关注，特别是有关航空重力测量技术的研究和应用日趋活跃,已成为当前国内外地球重力场最具热度的研究领域之一^[13-18]。

利用重力传感器开展走航式海面重力测量始于20世纪50年代^[1-3]，尽管这项技术的发展和应用已经有半个多世纪的历史，但有关海面重力测量数据的精细化处理，特别是海洋重力测量动态效应改正问题研究一直没有停步^[3,18-19]。航空重力测量作为一种新型的地球重力场信息探测技术手段，由于设备组成结构和工作模式的特殊性，其测量过程的动态性更加突出，数据处理的流程更加复杂，处理难度更高。因此，尽管这项新技术已经得到国内外学者的持续关注和深入研究，并在较大范围内得到推广应用，但我们也看到，在航空重力测量数据处理研究领域，仍有许多关键性的技术难题没有破解，特别是在我国，由于航空重力测量技术发展起步相对较晚，其数据处理理论与方法体系还在建立和完善过程中，因此需要研究探索的关键问题更多，面临的技术挑战更大^[18,20]。

二、研究目的意义

⒈ 海洋重力场信息的应用价值日趋凸显

海洋占地球表面面积超过70%，海洋重力场是地球重力场的主体，海洋重力场信息在大地测量学、空间科学、海洋学、地球物理学、地球动力学等诸多学科领域都具有重要的应用价值[3]。大地水准面是大地测量定义高程系统的重要参考面，研究确定和不断精化海洋大地水准面一直是测定海洋重力场的主要目的之一^[4]；由于地球重力场与地球内部质量密切相关，因此海洋重力测量可为确定地球内部质量密度分布提供数据支持；海洋重力异常既可应用于地球动力学板块构造理论研究，又可应用于海底地壳年龄、地球内部质量迁移、板块冰后回跳等多种地球物理现象的解释；海洋重力测量信息在海洋矿产资源开发、惯性导航、水下匹配辅助导航等工程应用领域也发挥着非常重要的作用。随着空间技术的发展，海洋重力测量的实用价值更加凸显，因为自然天体（月亮、行星）和人造天体（卫星、飞行器）的轨道计算都离不开地球重力场信息的支持。需要特别指出的是，地球重力场已经成为影响战略导弹飞行轨迹的一个非常重要的因素。计算分析表明，对于射程1万公里的战略导弹，地球扰动重力场引起的导弹落点偏差最大可达2～3公里^[11-12]。因此，为了提高潜地战略武器的命中精度，充分发挥战略武器的威慑力，必须全面掌握海洋重力场的精细结构。我军巨浪系列潜地导弹重力场保障系统研制迫切需要高精度海洋重力场信息的支持。

⒉ 海空重力测量技术主导地位难以动摇

目前探测海洋重力场信息的技术手段主要有：海面船载重力测量、航空重力测量、卫星重力测量和卫星测高反演重力等^[3]。尽管卫星重力测量技术能够以较高的精度测定全球重力场，但受卫星高度的限制，其只能测定地球重力场的中长波分量；卫星测高技术虽然能以数公里的分辨率反演全球海域重力场，但由其推算的海域重力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一定的差距，在离海岸较近的浅水区域，这种差距尤为明显。由此可见，在现有技术条件下，要想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，既适用于宽阔海域的深水区测量，也可用于卫星测高技术反演重力场精度较低的近岸和岛礁周边海区测量；而对于海陆交界的滩涂地带及其浅水区域，卫星测高技术很难获取高精度的观测量，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船载重力测量的特殊区域如滩涂、岛礁周边等进行作业。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。而在现阶段，船载重力测量与航空重力测量技术仍是快速、高效获取海域高精度、高分辨率重力数据的必然选择，其主导地位在可预见的将来都不会改变^[15-18,21]。

据统计，目前我国只有大约不到一半的陆地国土面积完成了1:20万的重力测量，另有不到一半的国土面积完成了1:50万和1:100万的重力测量，在青藏高原、新疆天山地区存在近200万平方公里的重力测量空白区，在其它沙漠、沼泽、森林覆盖及海陆交界地区仍存在许多盲区，航空重力测量技术是解决这些地区重力测量的最佳手段。而在海洋区域，我国至今也只初步完成了覆盖第一岛链海区的海洋重力场精密探测，其它海域的重力场资料还相当匮乏。最近几年，随着国家海洋强国战略的推进，国家陆海基准建设等大型军民融合工程陆续展开，我军海战场环境的建设步伐明显加快，国家相关部门正在开展和规划我国近海及邻近海域大规模的船载海洋重力测量和航空重力测量工作。可见，海空重力测量技术在我国的实际需求极其旺盛，开展海空重力测量技术研究对于国民经济和国防现代化建设都具有重要的现实意义^{[12,18,20-231]}。

⒊ 我国海空重力测量技术体系有待完善

我国海洋重力测量工作起步于20世纪60年代中期，当时开展此项工作的目的主要限于海洋矿产资源的勘查。为了满足航天技术发展和战略武器作战保障的应用需求，70年代末，我国军事部门开始启动大面积的海洋重力场精密探测工作，由此揭开了我国海洋重力场研究为国防现代化建设服务的序幕^[24]。经过几十年的发展和积累，我国已经建立起了比较完整的海洋重力测量技术体系，在海洋重力数据采集、分析、处理和应用等多个技术环节都取得了较大的突破，有效提升了我国地球重力场测量技术的整体发展水平^[3,20]。我国航空重力测量研究工作起步于20世纪80年代末^[25]，但直到21世纪初，这项测量新技术在我国才得以推广应用^[15,26]。经过十几年的发展和积累，我国也已经基本完成了航空重力测量技术体系的构建，各项研究工作一直保持着比较良好的发展态势。但必须指出的是，尽管经过多年的努力和投入，我国的海空重力测量技已经取得了较大的发展和进步，但发展过程中存在的问题和差距也是显而易见的。最为突出的问题是，无论是海面重力测量，还是航空重力测量，我国目前使用的重力测量传感器仍然全部依赖进口。虽然这种核心技术受制于人的局面可望在近期得到一定程度的改善，但受工艺制造水平的限制，我国海空重力测量国产化装备的可靠性和稳定性指标，在短期内还很难达到国际一流水准。其次是，由于重力传感器长期依赖进口，对测量仪器工作原理和作用机制缺乏全面、深入的了解和掌握，因此，必然会带来一些设备使用上的难题和数据处理过程中的盲点，特别是作业流程更为复杂的航空重力测量领域，这方面存在的问题尤为突出。另外，最近十几年，针对海空重力测量数据处理中的关键技术难题，尽管已经有不少国内外学者开展了一系列的分析论证、技术攻关和实验验证工作，取得了一些有价值的研究成果^{[13-18,27,28]}。但我们也看到，由于海空重力测量技术涉及的专业领域相当广泛，无论是从研究角度还是从应用角度讲，已有的研究工作仍有许多需要改进、完善和拓展之处。一方面，海空重力测量动态效应精密改正问题还没有完全解决，需要继续开展测量环境效应建模和数据精细化处理技术研究；另一方面，随着海空重力测量装备国产化进程的推进，建立起与我国自主装备相适应的海空重力测量技术体系，是一种必然的选择，也是一种挑战。

三、技术特点与体系架构

⒈ 海空重力测量技术特点

海空重力测量是一种以水面舰船或飞机为载体的动态重力测量技术，依据所测重力场参量的不同，海空重力测量有标量重力测量、矢量重力测量和重力梯度测量三大类别之分，它们分别观测重力加速度的垂向分量（或重力异常）、相互正交的三维扰动重力矢量和重力梯度张量。本文的研究对象仅限于海空标量重力测量，以下统一简称为海空重力测量。

海空重力测量区别于传统陆地重力测量的最大特点是，前者不可能像后者那样可以在稳定的基础上进行静态观测，而只能在不断运动状态下进行动态观测。这一显著特点也决定了海空重力测量技术发展具有更高的难度。由于测量载体难免受风、流、压等环境因素及机器振动、航向、航速变化等扰动因素的干扰，海空重力观测量必将受到水平加速度、垂直加速度、厄特弗斯（Eötvös）及交叉藕合效应等多项干扰加速度的影响，这些干扰加速度的变化幅度往往比实际重力加速度大百倍甚至千倍。因此要想获得有用的重力场信息，必须设法从海空重力观测量中剔除掉这些动态效应影响。

除了不可避免会受到上述几种扰动加速度和环境效应的影响以外，与传统的陆地重力测量方式相比较，海空重力测量还具有以下几方面的突出特点。

⑴陆地重力测量是以离散点方式进行静态观测的一种点状测量技术，可按需要布设不同密度的测点，能够满足不同应用领域的均匀布点要求。海空重力测量则是以走航方式进行动态观测的一种线状测量技术，只能按需要布设测线网，可在测线上获取任意密度的测点，但在测线与测线之间无测点，无法严格满足均匀布点的要求。

⑵陆地重力测量可以在测点上建立固定的标志，故重力测点的位置测量不需同时进行，数据处理时也不需要将重力观测资料和测点位置信息放在一起处理。海空重力测量无法在每个测点上建立固定的标志，故重力观测与测点定位必须同步进行，数据处理时也必须将这两部分资料一并处理。

⑶陆地重力测量可以根据需要在同一测点上进行任意多次的重复观测，测量误差来源比较单一；在数据处理时，可以利用多余观测通过最小二乘平差方法求得重力网中各个测点的最或然值，并估算出各个测点的精度。海空重力测量作业无法在同一测点上进行第二次观测，只在主测线和检查测线的相交点处产生一次多余观测，而且由于定位误差的影响，理论上的测线交叉点在实地并不完全重合，故交叉点不符值中除包含重力观测误差以外，还包含由定位误差引起的重力不符值；海空重力测量误差一般只能依赖于数量非常有限的测线交叉点不符值，通过测线网平差方法来进行补偿。此外，海空重力测量也只能根据测线交叉点不符值来估算整个测量网的总体精度，无法具体确定单一测点的测量精度。

⒉ 海空重力测量及应用技术体系架构

如前所述，海空重力测量是船载重力测量与航空重力测量的统称，之所以将它们组合在一起作为一个整体研究对象，是因为它们同属于以移动平台为载体的相对动态重力测量方法，二者的工作原理都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，两者采用的测量仪器、作业流程和数据处理方法具有较高的一致性，适用于航空重力测量的仪器设备和数据处理算法模型几乎同样适用于船载重力测量。二者的差异主要体现为：前者采用低动态载体，后者采用高动态载体；前者的作业周期要远远长于后者。这一事实一方面说明，航空重力测量要求重力仪具有更高的抗干扰能力，船载重力测量则要求重力仪具有更高的长期稳定性；另一方面也说明，一些具有较大零点漂移量固有特性的新型重力仪适用于航空重力测量，但不一定适用于海洋重力测量作业。

根据海空重力测量作业流程和信息流响应机制，可将海空重力测量技术研究内容划分为重力信息获取、数据分析处理和数字产品制作与应用三大部分。其中，重力信息获取部分主要涵盖重力传感器技术、测量技术设计和数据采集技术；数据分析处理部分主要涵盖数据预处理、精细处理和精度评估技术；数字产品制作与应用部分主要涵盖数值模型构建和数据应用。重力传感器技术又可细分为重力观测系统、精密定位系统和仪器术性能测试与评估等，测量技术设计可细分为海洋重力场特征分析、海空重力测量需求分析与测线布设等内容，图1给出了海空重力测量及应用技术体系的基本架构。信息获取是海空重力测量的主要关键环节，数据分析处理是连接前端原始信息与后端产品应用的重要纽带。海空重力测量成果精度水平除了取决于重力传感器和载体定位定姿系统的技术性能外，在很大程度上也取决于海空重力测量数据处理技术方法体系的完善程度。在后续文章中，我们将详细介绍海空重力测量及应用技术体系各个环节的研究进展情况。

图1　海空重力测量技术体系框架图

四、结束语

海空重力测量不仅涉及重力传感器和高精度动态定位定姿技术，还涉及重力信号提取、观测数据分析、环境效应改正、测量误差补偿等多种数据处理技术。经过多年的发展和积累，海空重力测量已经形成了一套比较完整的作业技术流程和理论方法体系。随着人类对地球资源探测及军事应用需求的持续增长，海空重力测量技术正面临极大的发展机遇和挑战。本文全面分析了海空重力测量信息的应用需求，归纳总结了海空重力测量的技术特点，构建了海空重力测量及应用技术体系的基本架构，确定了该项技术的研究内容、作业流程及各个技术环节的相互关系。需求牵引是海空重力测量技术发展的强大动力，海空重力测量技术进步又会进一步拓展海洋重力场信息的应用深度和广度，两者相辅相成，必将持续推动海空重力测量及应用技术向着更高的水平发展。

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