论文专区▏多型号海洋重力仪的海上比测结果分析
【编者按：本文通过对GT-2M、KSS-31M和ZLS三种不同型号海洋重力仪开展同船环境下的同步系统测试工作，依据海洋地质调查规范要求对获得的测试结果进行预处理，在分析相同测量环境下各重力仪得到数据的空间变化特征和测线交点差的基础上，探讨其相应的技术性能和工作特点。可认为这三种不同类型重力仪的测试结果总体上差别不大，但在船只变速、转向和恶劣海况等因素影响下所表现出的技术特点有较大差异。本文发表在《海洋测绘》2015年第5期上，现编发给朋友们阅读了解。张向宇，1987年出生，女，黑龙江虎林人，工程师，硕士，国土资源部海底矿产资源重点实验室，中国地质调查局广州海洋地质调查局，主要从事海洋重磁数据处理技术研究。】
文/张向宇 徐行 廖开训 王劲松 关永贤
一、引言
德国的KSS-31M型海洋重力仪和美国的L&R型海洋重力仪是近二十年来国内外海洋调查中的主流海洋重力测量设备，被国内外海洋调查和研究机构所广泛使用。随着科学技术的进步，陆、海、空和卫星重力测量技术也不断地发展，相关的技术性能也随之逐步改善[1]。对不同类型重力仪在同一平台上进行同步的系统比测，是了解不同工作原理的重力仪测量技术与性能最为直接的方法；由于开展此类技术比测需要一定的装备资源和较好的工作平台，因此至今为止只有极少数的调查与研究机构开展过此类的技术尝试[2-3]。目前，大多数研究者对海洋重力测量技术与方法的研究局限于对同套设备不同工作环境下的测试和分析[4-7]，这使得全面认识海洋重力测量技术与方法受到局限。
为了系统地了解现今主流海洋重力仪的技术性能和工作特点，广州海洋海洋地质调查局利用对两套GT-2M型海洋重力仪验收的机会，策划了一次多型号4台套重力仪的同船海上比测实验。其它2套设备分别为KSS-31M海洋重力仪和ZLS海洋重力仪。这些仪器的传感器和陀螺稳定平台技术相差较大，但相应的测量精度、量程和动态反应均比较接近。本次试验的目的是为了更加深刻地认识不同型号重力仪在同船作业时，在不同航速和海况下、在测线上和转向过程中的各型号海洋重力仪的工作特点，从而为开展相关技术方法研究和未来装备选型提供基础资料。本文是对此次海上比测工作的技术方法和数据分析的简介。
二、测线布设和实施情况
海试区域选在南海北部珠江口海域，由广州海洋地质调查局“探宝号”综合物探调查船于2015年3月6日～10日执行海试任务，历时5天，共采集16条测线，工区位置及测线布设见图1。其中测线D1、D2、D3、D4测线为往年KSS31和LaCoste重力仪采集过测线的重复测量测线，旨在检验数据的可靠性；Z1、Z2、Z3、L1、L2、L3、L4测线布设在重力梯度变化较大的区域，旨在检验重力仪的测量精度；L3A、L3B、L3C、L3D、L3E测线为L3测线的不同航速往返重复测量测线，旨在检验不同测量环境下的仪器状态。
出航前，各重力仪在安装通电调试完成后，均进行了静态环境下的稳定性试验，为期约一个月，四台重力仪的月漂移量均小于2.0×10-5m／s2（1×10-5m/s2＝1ｍGal）。3月6日早9点出航前和3月10日15点返航后，特别安排船只在广州海洋地质码头同一泊位上进行重力基点比对测量。以上程序均按海洋地质调查规范执行。
三、数据处理
本次数据处理依据新版海洋地质调查规范[8]进行，具体步骤及参数如下：
⒈ 数据提取
从野外采集数据文件中提取有关数据项：年、儒略日、时间、重力仪读数，因各类型重力仪原始数据格式不同，GT-2M重力仪提取dG_Tvc项数据作为读数，该项数据是已做过厄特沃斯改正和正常场改正后的数值。
⒉ 滤波延迟校正
GT-2M型海洋重力仪滤波延迟时间分别分为150s，300s和600s三档，本次选择150s滤波数据。KSS-31M型海洋重力仪滤波延迟时间为76s，ZLS型海洋重力仪滤波延迟时间为300s。
⒊ 零点漂移改正
重力仪读数的零点漂移均按线性变化处理，根据出海测量前、后在港口码头对比重力基点时所读取的基点重力值，进行重力基点高程改正后，按时间线性分配到重力仪读数值上。4台重力仪在5个工作日内的平均日漂移量分别为：GT-2M（SN.032）为0.06ｍGal、GT-2M（SN.033）为0.12ｍGal、KSS-31M为0.30ｍGal、ZLS为0.02ｍGal，其中KSS-31M重力仪漂移量超标。
⒋ 厄特渥斯校正
全部测线采用即时航向、航速作厄特渥斯改正。厄特渥斯改正公式为：
式中，V为航速，以m/s为单位；A为航向角；φ为测点地理纬度。
因GT-2M重力仪读数已进行过厄特沃斯改正，故此项改正只针对KSS-31M和ZLS重力仪。
⒌ 正常场改正
依据规范正常重力场应由1985年正常重力公式计算，其计算公式为：
式中，g正i为测点正常重力值，单位为ｍGal；φi为WGS-84大地坐标系中测点地理纬度，单位为度。
由于GT-2M海洋重力仪读数已进行过正常场改正，但其所用改正公式为Herlmert公式，故依照规范，应先逐点由经纬度信息反算出Herlmert正常场改正值后，将该改正值从读数中去掉，并再对修改过的读数由1985正常重力公式计算正常场改正值。
⒍ 空间重力异常计算
测点空间重力异常计算公式为：
式中，Δgfi为测点空间重力异常值，G0为始基点绝对重力值，gi为测点重力仪读数，g0为改正后基点重力仪读数值，g零i为测点零点漂移改正值，g厄i为测点厄特沃斯改正值，g正i为正常场改正值，以上各项单位均为ｍGal。
⒎ 圆滑处理
重力仪读数因滤波不完全，均存在一定程度的抖动，因此需再做滤波处理，这里采用三次多项式拟合低通滤波，因3种仪器原始数据抖动程度不一，故使用不同长度窗口，GT-2M重力仪采用3000m窗口，KSS-31M重力仪和ZLS重力仪采用5000m窗口。窗口越小，对原始数据的损失越小，尤其是对异常细节的展示越好，但窗口较小时，会导致无法有效去除噪声，故通常我们会选用不同长度窗口做多次试验后采用最为合理的滤波结果。
四、数据分析
将处理后自由空间重力异常成平面剖面图显示，见图2。
从图2中可知，四台重力仪得到的自由空间重力异常总体趋势较为一致，对构造引起的重力异常都能够予以反映。表1给出四台仪器自身和仪器间交点差最大值和均方根差值的统计结果。可以看到，仪器自身交点差最大的为ZLS重力仪，其它3台重力仪处理后数据精度相近，均好于ZLS重力仪，其中以GT-2M（SN.033）为最佳，因此从交点差统计的角度来看，重力仪处理后数据精度由好到差依次为：GT-2M（SN.033）→GT-2M(SN.32)→KSS-31M→ZLS。而不同仪器间交点差最大的为KSS-31M重力仪，从图2中也可以看到，KSS-31M重力仪与其它3台重力仪得到的结果存在一个系统差值，约为2ｍGal，这与KSS-31M重力仪零点漂移超标有关。同时通过分析可知，若去除掉KSS-31M重力仪存在的系统差，其得到的仪器间交点差会小于ZLS重力仪，而两台GT-2M重力仪之间的交点差是最小的。表中编号1～4分别代表GT-2M(SN.32)、GT-2M（SN.033）、KSS-31M、ZLS重力仪(同表3、4)。
将D1部分测线4台仪器圆滑前自由空间重力异常（可反应原始读数状态）进行展布，该测线采集时为旁风旁浪，风力5级，海况较差。成图前将各重力仪异常值进行归一（逐点减去第一个测点处异常值），结果见图3。
从图3中看到，由于四台仪器本身所用滤波器原理和窗口大小不一（GT-2M为150s，KSS-31M为76s，ZLS为300s），导致圆滑程度各不相同，但从异常形态上可清晰看到，KSS-31M重力仪与两台GT-2M重力仪异常形态较一致，但其数据抖动程度略大，ZLS重力仪得到的数据较其它三台重力仪存在一定差别，尤其是在异常曲线的峰值处，因ZLS重力仪存在交叉耦合效应，所用滤波器窗口较大，导致其从一定程度上损失真实信息。但在其它海况较为平静的测线上，四台重力仪的异常曲线一致性较好，通过比较说明GT-2M重力仪抗海况能力优于其它两种重力仪。
在海上试验过程中，对L3测线往返进行六次测量（最大偏线小于20m），其间几次变换航速，具体见表2，将每台仪器六次测量得到的自由空间重力异常成平剖图显示，见图4。
从图4中看到，同一重力仪多次测量得到的异常曲线形态都较一致，但明显GT-2M（SN.033）重力仪得到的异常曲线离散程度最低，为了量化重复测线上重力仪测量误差，对仪器自身及不同仪器间多次测量偏差进行统计，仪器自身的偏差统计取同一仪器分别在L3A、L3B…L3E测线上与L3测线对应测点（以距离最近原则选取）处的自由空间重力异常差值，不同仪器间的偏差统计取同一测线上同一测点处不同仪器得到的自由空间重力异常差值，结果见表3和表4。
从表中可知，同一重力仪重复测量偏差程度最大的为GT-2M（SN.032）重力仪，最小的为GT-2M（SN.033）重力仪，而KSS-31M与另三台重力仪在同一测线上的偏差均较大，这还是与零点漂移超标有关，两台GT-2M重力仪在同一测线上的偏差最小。
五、结束语
在本次多型号海洋重力仪海上比测的工作计划中，系统地安排了在不同海况和作业环境下的测试项目。依据海洋地质调查规范处理多台海洋重力仪采集的数据后，对结果进行了分析与研究，总结得到以下几点认识：
⑴在相同的动态测量条件下，4台重力仪处理后自由空间重力异常值一致性较好。海况较好时3种重力仪得到的数据差异不大，但海况较差时得到的数据精度有所不同，此时ZLS采集到的数据存在一定程度地失真。
⑵在不同航速往返重复测量的测线上，GT-2M海洋重力仪多次测量数据的偏差最小。
⑶测线的交点差统计结果表明GT-2M型海洋重力仪得到的数据精度略好，而ZLS型海洋重力仪得到的数据精度较其它两种重力仪稍差。
导致上述差异的主要原因是各类型海洋重力仪本身的传感器及陀螺平台工作原理的不同。从GT-2M型重力仪与目前主流型号的海洋重力仪技术性能方面的综合比较来看，其更为优越。
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