技术论文|多型航空重力仪同机测试及其数据分析
一、引言
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LaCoste&Romberg(L&R)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，使以毫伽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 海空重力仪为代表，这是20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，我国西安测绘研究所于2002 年研制成功的CHAGS航空重力测量系统亦属此类。该类航空重力仪的最新型号为TAGS-6，由Microg LaCoste公司于2010年推出，是对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，此类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重力仪而转向采用平台式惯导系统的重力仪，Sander公司现已拥有4套AIRGrav航空重力仪，我国国土资源航空物探遥感中心于2007年引进了GT-1A航空重力仪，形成了成熟的生产作业能力。此外，以加拿大Calgary大学为代表的多家研究机构从20世纪90年代初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，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苛刻，我国国防科大研制成功的SGA-WZ01捷联航空重力仪即属此类。
随着航空重力测量技术的日臻成熟，以及国防和大地测量科学对海洋地球重力场信息快速、精细获取的迫切需求，国家基础海洋测绘主管部门启动了海洋航空重力测量业务运行体系建设工作。2012年4～5月，利用运8飞机同时加装4型5套重力仪，在某海域开展了海洋航空重力测量试验。本文对试验整体实施情况进行了简要概述，并对所获取的试验数据进行了处理分析，得出了具有决策价值的试验结论。
二、基本概况
⒈ 飞机平台及加装重力仪
试验使用的运8飞机平台，为四发涡轮螺桨中程多用途运输机。平台同时加装了4型5套重力仪，其中2套为国外引进的商用航空重力仪，分别为俄罗斯产GT-1A航空重力仪，见图1;美国产TAGS航空重力仪(L&R S158)，GT-1A航空重力仪为惯性平台航空重力仪，TAGS航空重力仪是基于L&R最新型的SII海空型重力仪开发的“交钥匙”(意即一体化)航空重力仪，见图2，是在原S 型海洋重力仪基础上发展起来带有阻尼二轴平台的第二代动态稳定平台空海型重力仪;第3 套为从美国引进的L&RSII型船载海空重力仪(L&R S167)，该重力仪的重力传感器与TAGS航空重力仪的传感器完全一致，仅有的差异是弹簧张力计数器传动装置齿轮比、硬件参数设置和数据处理软件不同，是我国此类船载海洋重力仪首次进行航空测量试验;第4套为国防科技大学研发的SGA-WZ01 捷联航空重力仪，该型重力仪已进行过数次飞行试验;第5套为中船重工707所研发的GDP-1型动态重力仪，该型重力仪为首次参加航空测量试验。
⑴试验配套保障方案与飞行技术要求
航空重力测量设备在作业期间必须保持不间断供电，以确保重力仪传感器内部处于恒温状态，进而保证重力仪的正常工作状态。本次试验采取地面专用供电装置与飞机供电相结合的方式确保持续供电，即空中作业时由飞机供电，非测量作业期间由地面专用供电装置供电。
在试验机场架设2台双频GPS基准站，数据采样率分别设为1Hz和10Hz，基准站坐标采用精密单点定位数据处理技术获得。飞机上共安装2个双频GPS天线，5套重力仪各自配套的GPS接收机通过信号公分器共享GPS天线信号，并按1Hz采样频率采集记录定位数据，并由船载重力仪配套的双频GPS以10Hz的采样频率记录定位数据。
选择离机场较近的2000国家重力基准网中的已知重力点，利用陆地相对重力仪按二等重力测量技术要求，将绝对重力值联测到机场停机坪的重力控制点处。
试验飞行技术要求为:选择气流较为平稳的时段实施作业，避免在强对流气象条件下飞行作业，风力不大于五级;工作时飞机的俯仰角不大于15°，坡度角不大于15°;飞行高度1500m，飞行速度400km/h，飞行中保持匀速直线、等高度飞行，避免剧烈颠簸;飞机每次均停于停机坪同一位置，便于起飞前和起飞后进行基点联测。
⑵测线方案设计
在试验时间和飞行架次总量有限的条件下，为了充分测试各型重力仪的性能技术指标，测线布设的数量和分布必须依据测试目标进行科学合理的设计。本次试验通过设计重复线来检测航空重力仪动态测量的可重复性和一致性，进而评定其可靠性，通过利用交叉点不符值来评估航空重力仪的整体测量精度，通过布设不同方向测线和重复线正反向飞行来检测航空重力仪的方位影响特性，通过重力仪的滤波周期和飞行速度设计测线的长度和分布。
基于上述原则，试验共布设南北向测线12条，测线长度约260km;东西向测线8条，测线长度约为290km;布设重复线5组，其中南北向重复线2组，为J1、J6;东西向重复线2组，为M2、M6测线;东北、西南向重复线1组， 为Z测线， 测线长度约为400km。测线布设示意图见图3。
图3 测线布设示意图见
⒊ 数据获取
机上作业时，5套重力仪同步工作，由各自配套的采集控制处理设备记录相应重力仪系统各类传感器同步测量数据，其中SII型船载海空重力仪的采集处理设备由通用走航式海洋测量作业平台改造而成。全部设计测线分5个架次完成飞行测量，实际飞行测线轨迹见图4，各型重力仪获取有效测线数据详情见表1。
图4 实际飞行测线轨迹见
在5个架次的测量飞行中，GT-1A航空重力仪和TAGS(L&R S158)两型重力仪全程工作正常，获取了全部测线数据;国防科大SGA-WZ01型捷联航空重力仪获取的5个架次测量数据中，后2个架次的数据因陀螺寿命到期，数据无效;中船重工707所GDP-1型重力仪因配套的采集记录设备防震设计不稳定，造成1个架次数据失效。SII船载海空重力仪(L&RS167)因特殊原因，只参加了2个架次的测量飞行，但意义深远，标志着该型船载海空重力仪完全可在不改变其船测功能的前提下实现航空重力测量功能。
三、数据处理与分析
⒈ 处理项目及结果
前已提及，本次试验通过重复线来检测航空重力仪动态测量的可重复性、一致性，通过交叉点不符值来评估整体测量精度，通过不同方向测线和重复线来分析评估航空重力仪的方位影响特性。
在统一起算基准、滤波周期、平差处理与质量评估模型和对比分析项目与方法的基础上，基于GPS差分定位模式开展了5套重力仪的试验数据处理与分析。同时，采用PPP定位模式对除GT-1A航空重力仪外的其他4套重力仪进行了处理，并与差分定位模式处理结果进行了对比分析。本文不讨论具体的航空重力测量数据处理算法模型，只讨论5套重力仪各自的重复线对比、测线网交叉点不符值平差前的统计特性、两种定位模式测量成果对比和各型重力仪作业效率的计算与分析结果。表2～4分别为GT-1A、TAGS(L&R S158)、SGA-WZ01航空重力仪重复线分析比较结果，SII型船载海空重力仪 (L&R S167)、GDP-1重力仪重复线表现特征与TAGS(L&R S158)相似，具体结果不再单独列出。表5为各型重力仪重复线整体对比分析结果，表6为各型重力仪平差前的整体性能分析结果。
⒉ 分析与结论
由表2～5可知，每组重复线两两对比，GT-1A航空重力仪、TAGS重力仪(L&R S158)、GDP-1型重力仪表现了如下特点。
①南北向重复线两两对应测点的重力异常差值平均值与差值中误差均显著小于东西向重复线两两比较结果。
②西北至东南同向飞行重复线两两对应测点的重力异常差值平均值与差值中误差显著小于西北至东南反向飞行重复线两两比较结果。
而SGA-WZ01捷联航空重力仪无论是南北向、东西向还是西北至东南向，各组重复线两两对应相比，重力异常的差值平均值与差值中误差分别在同一量级，无显著差异。
上述结果表明:GT-1A航空重力仪、TAGS重力仪(L&R S158)、GDP-1型重力仪的观测结果中，含有与航向相关的动态效应影响分量，或是目前所采用的硬件结构设计，或是所采用的数据处理模型未能消除与航向有关的动态效应的影响;而SGA-WZ01捷联航空重力仪或是从硬件上采用了消除与航向相关的动态效应影响的设计，或是所采用的数据处理模型较好地补偿了与方向有关的系统误差影响。
依据表2～5，可以得出结论:SGA-WZ01捷联航空重力仪具有最佳的一致重复测量性能，其后依次为GT-1A航空重力仪、TAGS航空重力仪(L&RS158)( SII 型船载海空重力仪具有同等性能)、GDP-1型重力仪。
结合试验各测试项目及表6 所列结果，可以得出如下结论:
①从设备操作维护、工作可靠性、获取数据成果质量到作业效率等方面的全面测试与对比分析，表明俄罗斯GT-1A航空重力仪性能最优，其设备操作维护简易，可实现机上无人操控自动作业，所获得的测量成果精度最佳，作业效益最高，TAGS航空重力仪(L&R S158)其次。海洋航空重力测量装备引进选型应以GT-1A(GT-2A)为首选。
②L&R SII型船载海空仪(L&R S167)可在不改变其船测功能的前提下，通过少量的经费投入，即可改造为航空重力仪，其测量精度、测量效率与TAGS航空重力仪(L&R S158)相当。
③SGA-WZ01型捷联航空重力仪具有与GT-1A相类似的操控性能，其重复线的测量精度甚至优于GT-1A，可实现机上无人操控作业，测网成果精度稍低于GT-1A，作业效率与GT-1A相当，可作为国产航空重力仪定型研制首选。GDP-1型重力仪首次航空重力测量试验效果良好，尽管在供电、防震方面需进一步完善设计，但未来亦可在航空重力仪、船载重力仪方向有很好的工程化应用前景。
④除GT-1A航空重力仪的数据处理采用配套引进的商用软件，无法对定位数据按PPP模式进行处理外，其余4套重力仪基于差分定位模式处理所获得的测量成果与基于PPP模式处理所获得的测量成果对比分析，后者的精度毫不逊色于前者，充分证明了在航空重力测量中，GPS精密单点定位技术完全可取代差分定位技术。航空重力测量取消设置差分基准站，可减少作业人员，降低设备配置，并使航空重力测量作业区域范围不受定位技术的制约。
四、结束语
本次航空测量试验，在同一飞机平台上获取了国内外4型5套航空重力仪的同机作业数据。不仅全过程测试了俄罗斯GT-1A航空重力仪和美囯TAGS(L&R S158)航空重力仪两型国际上最为经典的商用航空重力仪的运行性能，全面掌握了两型重力仪的性能技术指标，为引进国外航空重力测量装备选型提供了决策依据，而且对国内自主研制的SGA-WZ01捷联式航空重力仪、GDP-1重力仪进行了全面检验，进一步验证了两型重力仪技术方案的正确性，为两型重力仪加速实现工程化提供了极有价值的试验评估条件。与此同时，为开展不同类型航空重力测量数据处理、多源重力数据融合处理技术研究以及航空重力仪研制，提供了一批极丰富的试验数据。
致谢:本次试验得到了中国国土资源航空物探遥感中心、国防科大机电工程与自动化学院和中船重工707研究所的大力协助，在此向各单位领导和技术人员表示诚挚的谢意。
作者：欧阳永忠 邓凯亮 陆秀平 吴太旗 晏新村 常国斌
（责任编辑：冯晓雯）
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