论文专区▏海空重力测量技术体系建设与研究若干进展（一）：需求论证设计与仪器性能评估技术
黄谟涛1，陆秀平1，欧阳永忠2，翟国君1，邓凯亮1，吴太旗1，刘敏1，陈欣1
1.海军海洋测绘研究所，2.广东邦鑫勘测科技股份有限公司
【摘要】简要分析介绍了海洋重力场信息的应用价值、海空重力测量技术的科学含义、研究内容、体系架构和研究目标，重点分析评述了作者所在研究团队在海空重力测量技术体系建设领域取得的一些有理论意义和实用价值的研究成果，主要从各项关键技术的研究背景、研究思路、难点突破、成果应用前景等几个方面进行了分析和总结，回答了该研究领域涉及理论方法和工程应用的一系列科学问题。其目的之一是向读者成体系地推荐我们多年积累的研究成果，目的之二是想借此机会通过回顾和梳理研究团队的发展轨迹和科学感悟，在新的起点上定位未来的发展方向、发展目标和发展思路。分三个部分进行介绍，本文为第一部分，主要涉及需求论证设计和仪器性能评估两个领域的研究成果。
【关键词】海空重力测量；技术体系；需求论证；特征模型；性能评估；关键指标
一、引言
地球重力场是地球最重要的基本物理场之一，通过测定和分析地球重力场的分布特征，既可揭示地球内部质量的分布、运动及变化形态，又可掌握地球近地空间物理事件产生及发展的原因、规律和机理。作为地球重力场的重要组成部分，海洋重力场信息在地球科学研究、海洋资源开发、全球空间基准统一、航天工程保障、海战场环境建设与作战运用等多个领域都具有非常重要的应用价值[1]。
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。依据所测重力场参量的不同，海洋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，它们的观测参量分别对应于重力加速度的垂向分量（重力异常）、相互正交的三维扰动重力矢量和重力梯度张量。海空重力测量是指以水面舰船或飞机为载体的一种动态重力测量技术，是船载重力测量与航空重力测量的统称[2-3]。本文涉及的研究内容仅限于海空标量重力测量，以下统一简称为海空重力测量。
经过多年的发展和积累，作为一个相对独立的学科分支，海空重力测量已经发展形成一个比较完整的技术体系，其研究内容涵盖重力信息获取、数据分析处理和数字产品制作与应用等技术全流程。其中，重力信息获取环节又包括重力传感器技术、测量技术设计与数据采集技术；数据分析处理环节主要包括数据预处理、精细处理和精度评估技术；数字产品制作与应用部分主要包括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单元、精密定位单元和测量仪器性能测试与评估等；测量规划设计技术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；数据预处理技术可细分为常规改正处理和环境效应改正处理等；数据精细处理技术可细分为数据滤波和误差补偿等；数值模型构建技术可细分为地面重力向上延拓、航空重力向下延拓和多源数据融合等内容。刘敏等给出了海空重力测量及应用技术体系的基本架构[4]。
海军海洋测绘研究所是我国从事海空重力测量技术研究的主要科研机构之一。长期以来，该所重力研究团队（以下简称团队）始终密切关注国内外海洋重力场探测技术的发展动态，紧紧围绕部队作业、作战保障和学科发展三个方面的应用需求，以不断拓展和完善海空重力测量技术体系为研究目标，以海洋重力场信息作战运用、海上测量作业技术设计、仪器性能评估、数据精细化处理、多源重力数据融合处理、数值模型构建与综合应用等若干关键技术为研究重点，持续开展分析论证、技术攻关和实验验证，努力破解海空重力测量作业、数据处理与数据融合应用中的技术难题，致力于构建完善的海洋重力场精密探测作业标准与数据获取体系、数据分析与处理体系、数据产品制作与应用体系，为提升我国海空重力测量技术能力和水平做出了应有的贡献，取得了一批有理论意义和实用价值的研究成果。图1给出了该研究团队最近几年的关注重点与海空重力测量技术体系建设目标的对应关系，它既体现了研究团队的总体研究思路和体系设计思想，也可认为是本研究领域当前及下一阶段的发展路线图。
图1 海空重力测量技术研究思路与研究内容总体架构
二、需求论证与规划设计技术
⒈回答了为什么测的问题
一切研发和创新活动都源于应用需求的牵引，明确而具体的应用需求会进一步激发科研创新的活力。从宏观上讲，海空重力测量信息的应用价值是不言而喻的，但微观上，海洋重力场信息在不同领域究竟有什么样的具体用途，需要做深入细致的分析研究和论证。在军事应用领域，美国海军早在20世纪50年代末就明确了海洋重力场信息的两大主要应用方向：一是潜艇惯导系统误差校正（含匹配导航），另一个是潜地战略导弹发射保障。美军曾认为，潜艇和导弹惯导系统重力校正问题是海军当时面临的一个非常重要的技术挑战。为了上述两个目的，美国海军从1957年开始启动“全球重力计划”项目，投入大量的人力和物力，采用包括水下、水面、空中等各种技术手段在全球海域开展重力场信息采集作业，历经超过50年时间，直到2007年才正式宣布结束该计划的主要活动。美军曾对外宣称该重力计划取得了巨大成功，为提升美海军战斗力做出了重大贡献。为了发展自主的国防保障技术，我国学者也在持续跟踪研究和开发海洋重力场信息的军事应用价值，早在1991年，研究团队主要成员黄谟涛就利用标准弹道计算软件，通过模拟仿真计算方法分析研究了重力异常场对战略导弹飞行轨迹的影响[5]，并陆续在后续的国家海洋调查测量专项中不断深化该专题的研究工作。最近几年，此项研究工作取得重要进展，研究团队通过解析和简化飞行器导航误差解表达式，定量估计了地球重力场对远程飞行器飞行轨迹的影响，并以一定量值的落点偏差为限定指标，研究论证了空中扰动重力的计算精度要求。在此基础上，通过对地面重力异常截断误差及数据传播误差的估计和分析，研究确定了地（海）面网格平均重力异常的观测分辨率和计算精度指标要求[6]。上述工作较好地回答了为什么要开展海洋重力场精密探测的应用需求问题，并明确给出了数字保障产品的技术指标要求，其突破点主要体现为：成功建立了末端应用需求与前端数据保障之间的量化关系，见图2。
图2 海空重力测量末端应用需求与前端数据保障对应关系
⒉回答了怎么测、测到什么程度的问题
如何依据前期论证给出的重力场信息保障产品指标要求，制定出具体可行的海上测量作业方案，是开展海空重力测量规划设计面临的主要技术挑战。从理论上讲，要想制定出合理有效的作业方案，必须首先对拟实施测量区域的重力场变化特征做全面的分析和研究，也就意味着前期必须有比较密集的历史测量资料做支撑。但现实情况是，我们制定作业方案的最终目的是为了在未测海区开展快速高效的海空重力测量，以填补这些区域的数据空白。如果已经拥有了比较密集的历史资料，那么再合理、再优化的作业方案也都失去了实用意义。很显然，重力场变化特征分析与作业方案设计之间是一对内在的矛盾体，如何破解这一矛盾，就成为开展海空重力测量规划设计的关键。石磐研究员带领的研究团队曾在上个世纪80年代对海洋重力场的变化特征做过初步研究[7]，并依据其研究结果设计了当时比较有权威性的海上作业方案[8]，为推动我国海洋重力测量技术的发展发挥了重要作用。但必须指出的是，由于受当时技术条件的限制，他们实施统计分析计算所采用的基础数据只是分布在45个1°´1°区块内的一万多个重力测点，因此其研究结果对全球或区域重力场变化特征的代表性非常有限。时间过去30多年后，面对前述矛盾体带来的技术困境，作者所在研究团队敏锐觉察到了现代卫星测高数据全海域覆盖和均匀分布特性带来的技术优势，创新提出了综合利用全球最新卫星测高重力数据集和局部船测数据，开展海洋重力场统计特征分析计算的研究思路，见图3，通过对超过1250万个1¢´1¢网格卫星测高重力异常数据的统计计算，首次获得对应于海底地形6种细类别（平原，丘陵，小山区，中山区，大山区，特大山区）和4种粗类别（浅海大陆架，海盆，大陆坡，岛弧、海山和海沟）的海洋重力异常代表误差模型参数，并利用局部海域船测重力数据对卫星测高重力代表误差模型进行了修正，最终得到一组有代表性的海域重力场统计特征模型参数（研究论文待发表）。经可靠性检验，证明研究团队获得的统计模型参数较好地反映了全球海域重力场的基本特征，具有较高的推广应用价值。在此基础上，研究团队将该组统计模型参数作为海面网格数据代表误差的上限控制指标，开展海洋重力测量作业规划设计，提出了更加精细化的海洋重力测量测线布设方案[6]，并将其纳入修订后的海洋重力测量作业规程。图4给出了海洋重力测量测线布设方案论证的技术流程。
图3 海空重力测量需求分析论证技术流程
图4 海洋重力测量测线布设方案论证技术流程
三、仪器性能评估技术
⒈回答了如何评估观测仪器的可靠性和测量成果的合格性问题
重力传感器是海空重力测量的主体，仪器性能的高低直接决定海空重力测量数据的质量[9]。要想获得可靠、高质量的海空重力观测数据，必须建立完善的、能够反映当今国际先进水平的海空重力仪技术指标评估体系。因为无论是新型海空重力仪研制、测试和验收，还是常规外业观测数据质量评估，都需要完备的测量仪器指标体系做支撑。尽管我国现行各类海空重力测量规范或标准均对海空重力仪技术指标提出了具体要求，但明显存在要求不够明确、规定不够统一、执行不够规范的问题[10]。现行作业标准的相关要求主要体现为三个方面[11-14]：①动态重复测量精度优于1mGal；②海/空作业测量精度优于1.5/2.0mGal；③零点月漂移小于3mGal，基本呈线性。上述规定显然无法全面反映测量作业对海空重力仪的性能要求。其理由是：①现行指标要求不够具体也不够全面；②现行规定与新的应用需求和新型海空重力测量装备发展趋势不相适应。以零点漂移指标为例，尽管现行作业标准都对重力仪零点月漂移总量做出了比较明确和一致的规定，但对月漂移的变化特性只是提出了定性的指标要求，即保持线性变化。显然，这样的要求不具有约束力，也不具备可操作性。因单一限定重力仪零漂总量不能确保作业过程零漂参数变化的稳定性，故现行作业标准的相关规定是不完善的，也是不全面的，必须相应增加零点漂移非线性变化部分的限制要求。针对此问题，研究团队提出了由传感器格值标定相对精度、零点月漂移、月漂移非线性变化中误差和非线性变化限差等4个指标组成的海空重力仪稳定性评估体系，同时通过分析论证给出如下具体的技术性能指标要求：①零点月漂移量从3mGal放宽到4.5mGal；②月漂移非线性离散度小于0.3mGal；③月漂移非线性变化限差0.9mGal；④格值标定相对精度：理论上优于10-5，航空重力优于10-4，海洋重力优于10-3。另外，现行标准对动态重复测量标称精度和实际作业测量精度的规定，均以中误差作为海空重力测量精度唯一的评价指标也是不全面的。因为采用传统评价方法的前提假设是：观测误差属于服从正态分布的随机变量（也称偶然误差、随机误差或白噪声）。但实际情况并非完全如此[2-3]，由于测量动态环境的特殊性，海空重力测量从出测前的仪器校准到海上或空中观测作业，再到测量结束后的数据处理各个环节，都不可避免地受到各种系统性和随机性误差源的干扰，观测噪声中必然包含偶然性和系统性误差成分。因此，现实中严格呈现偶然误差特性的测量误差（特别是重力观测数据经滤波处理以后形成的重复观测互差值）几乎是不存在的，不同观测误差系列之间的差异性除了体现为拥有不同的中误差参数外，还表现为它们包含了不同比例的误差成分。针对此问题，研究团队提出了由测点重力中误差、系统差和平均误差等3个指标组成的测量精度评估体系，同时通过分析论证给出如下具体指标要求：①仪器标称精度：中误差不超过1.0mGal，系统差不超过0.3mGal，平均误差不超过0.8mGal；②海上/空中测量精度：中误差不超过1.5/2.0mGal，系统差不超过0.3 mGal；平均误差不超过1.2/1.6mGal。对应于上述两个指标评估体系的总体架构见图5。
图5 海空重力仪性能指标评估体系总体架构
需要指出的是，明确指标要求只是发挥作业标准指导性作用的一个方面，对技术指标提出具体的验证和评估要求，也是作业标准非常重要的组成部分。为了构建完整的海空重力测量质量控制与评估技术体系，研究团队在前期工作基础上，进一步提出了海空重力仪性能指标的验证和评估方案，分别给出了重力仪零点趋势性漂移、有色观测噪声与随机误差的分离方法[15]，以及利用重复测线和交叉测线、内部和外部检核对海空重力仪标称精度和测量精度指标进行验证和评估的具体技术流程，推导出了海空重力测量重复测线精度评估新公式，纠正了国内外现行计算公式的错误[16]。研究团队的上述工作为后续修订海空重力测量作业标准奠定了坚实的技术基础。
⒉组织了两次大规模的多型海空重力仪器比对试验
为了推动我国海空重力测量装备的国产化进程，2012年，研究团队联合国内多家单位，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海空重力仪同机比对试验[17]。飞行试验采用运8飞机平台，同机加装了4型5套海空重力仪，其中3套为国外引进的商用海空重力仪，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（S158）和L&R SII型海空重力仪（S167）；另2套分别为由国防科技大学自主研制的SGA-WZ01型捷联式重力仪和由中国船舶重工集团公司第707研究所研制的GDP-1型平台式重力仪。2013年，研究团队再次联合国内多家单位，在南海某海域组织实施了一次多型海空重力仪同船比对试验，同船加装了4型4套海空重力仪，分别为俄罗斯产Chekan型海洋重力仪，美国产L&R SII型海空重力仪（S167），国内自主研制的SGA-WZ01型捷联式重力仪和GDP-1型平台式海空重力仪。两次试验均获得了丰富而极具研究价值的比对测试数据，开创了国内大型海空重力测量仪器同机同船测试的先例，不仅全面掌握和验证了多型海空重力仪的技术性能，同时为后续的海空重力测量关键技术研究工作提供了非常难得的数据支持，研究团队最近几年取得的诸多创新性成果绝大多数都得益于两次比对试验带来的多角度分析和深层次思考，得益于两次比对试验数据精细化处理带来的需求牵引，我们从试验数据分析中发现了许多以前从未发现的问题，并通过技术攻关成功解决了这些问题。
⒊提出了检测和校正重力仪格值误差的作业方法
我们在分析处理多型海空重力仪同机测试数据时，发现多台重力仪的观测成果出现了一些比较反常的现象[17]，在4套完成东西向重复线测量的海空重力仪中，除了SGA-WZ01型捷联航空重力仪以外，其他3套重力仪重复线观测数据的比对结果均呈现比较明显的系统性偏差（即互差平均值），最大偏差超过10mGal，而且比较大的偏差都出现在东西方向的测线上，东北-西南斜向测线次之，南北向偏差较小。如此显著的系统性偏差在以往的飞行试验中非常少见，我们反复分析了引起此类系统性偏差的可能原因，基本排除了动态环境干扰和效应补偿不足或过头的可能性，最后将注意力聚焦于各型重力仪格值的不确定性。经计算验证，内部和外部检核结果都证实，我们的分析和判断是正确的，即3套重复线测量成果出现系统性偏差主要源自重力仪格值的标定误差。为了消除格值误差对重力观测结果的影响，研究团队提出了利用东西正反向重复测线检测并校正海空重力仪格值误差的计算模型和补偿方法，同时分析讨论了该方法的校正精度及其适用条件，利用多型海空重力仪同机测试数据对该方法的合理性和有效性进行了数值验证，证明该方法对消除海空重力测量数据系统性偏差具有显著作用。
四、结束语
本文是介绍作者所在研究团队在海空重力测量技术体系建设方面多年积累研究成果系列文章的第1篇，首先简要分析概述了海洋重力场信息的应用价值、海空重力测量技术的科学含义、研究内容、体系架构和研究目标，然后重点分析评述了研究团队在海空重力测量需求论证与规划设计及测量仪器性能评估两个领域所取得的重要研究成果，这些成果基本反映了我国在相关研究领域的最新发展动态和水平。期待读者能从中得到有益的启迪，以便共同聚焦这些研究领域的前沿技术和难点问题，协同关键技术攻关，一起努力推动我国海空重力测量技术的发展。研究团队在其他领域取得的研究成果将在后续论文中做详细介绍。
参考文献：
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【作者简介】第一作者黄谟涛，1961年出生，男，海南文昌人，高级工程师，博士生导师，主要从事海洋重力场测定理论方法研究；本文为基金项目，国家自然科学基金（41474012,41374018），国家重点研发计划（2016YFC0303007；2016YFB0501704），国家重大科学仪器设备开发专项 (2011YQ12004503)；文章来自《海洋测绘》（2018年第4期），版权归《海洋测绘》所有，若其他公众平台转载，请备注论文作者，并说明来自“溪流之海洋人生”微信公众平台。
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