航空重力仪器技术发展现状及趋势

航空重力仪器、技术发展现

状和趋势

引语测定地球重力场的传统方法是利用重力测量仪器进行绝对重力测量和相对重力测量。绝对重力测量虽然能够得到很高精度的绝对重力值，但由于仪器体积庞大、设备复杂、对外界环境条件要求高、观测时间长、成本高等因素，其不宜在地面上进行大规模的采用。近一百多年来，在地面进行重力测量的主要手段是采用相对重力测量，即通过测定未知点与重力已知点之间的重力值之差，从而得到未知点的绝对重力值。与绝对重力测量相比，相对重力测量具有仪器体积小、设备简单、对外界环境要求低、测量时间短、成本费用低等优点，适于进行地面大规模的测量。然而在一些条件恶劣、交通不便、无人居住以及陆海交界等区域进行地面重力测量时，不仅效率低下并且很难达到精度要求，甚至有些地区根本无法进行测量。

传统的地面重力测量无法进行测定占地球面积七成之多的海洋重力场，而船载重力测量技术的出现及逐步发展使开展大面积的海洋重力测量成为可能，然而其由于速度慢并且需要载体行驶在一个平均海面上，其仍是一种效率很低的重力测量手段。令人振奋的是，卫星测高技术的出现和逐渐成熟很好地解决了获取高精度海洋重力场的问题。

一、航空重力测量基本原理

航空重力测量按其复杂程度,可依次分为航空标量重力测量、航空矢量重力测量和航空梯度重力测量。原理上它们均需解决两个基本问题:①运动状态下,在空中如何稳定传感器的指向? ②如何分离引力加速度和惯性加速度? 为此,一个航空重力测量系统必须包括如下三部分,即用于测量比力的加速度计(或重力仪,称之为重力传感器分系统)、使加速度计保持水平的系统(或计算其姿态,称为平台分系统)和测量飞机惯性加速度的定位分系统。其中,第二分系统用于解决问题①,第一、第三分系统用于解决问题②。

依据所使用的重力传感器和平台分系统的不同,航空标量重力测量系统又可分为平台式、捷联式和旋转不变式。平台式是将精密加速度计安装到稳定平台上,定向由稳定平台维持,如UCoset & Rombe飞航空重力仪采用的是两轴阻尼平台。捷联式系统采用数学平台,即计算垂直加速度计所在载体坐标系与当地水平坐标系之间的旋转矩阵风,将载体坐标系中测得的三个加速度分量转换至当地水平坐标系,这里垂直加速度计是主要重力传感器。旋转不变式系统采用三轴加速度计,理论上不存在定向问题,而是利用三个加速度计的输出计算重力的大小。类似地,航空矢量重力测量系统有两种,即平台式和捷联式,其原理与标量相同。航空梯度重力测量是利用同一稳定平台上的两组三轴加速度计测定异常位的二阶梯度,因此空中定向由稳定平台维持。为清晰起见,图1示出了上述三种方法的基本原理。

（图1 航空重力测量方法示意图）

二、航空重力仪的重要应用

自上世纪90年代开始，航空重力标量测量已进入实用阶段。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局部重力场探测，分辨率和精度分别为６～10kｍ、２～10ｍＧａｌ；我国从2005年起利用航空重力测量方法获取了海岸带的大量重力场数据，台湾利用丹麦的航空重力测量系统于2007年完成了整个台湾岛的航空重力测量，分辨率和精度分别为６～10ｋｍ、２～６ｍＧａｌ。国内外一些地球物理勘探公司出于物探需要，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。可以说，近20年来，航空重力测量得到了迅猛发展和广泛应用。除大地测量和地球物理等领域的需求推动，这些发展主要得益于三个方面：一是航空重力仪的持续发展，从海洋重力仪的改进、升级到新型航空重力仪的研发；二是基于ＧＰＳ的飞机位置、速度、加速度确定精度的不断提高；三是航空重力测量数据处理算法的日臻完善。其中，航空重力仪的发展在整个航空重力测量中起着至关重要的作用。

1.在现代国防领域的应用

航空／海洋重力测量仪器在现代国防领域具有重大而紧迫的应用需求，主要体现在以下方面。

１）在远程武器精确制导中的应用

地球重力场要素对战略武器命中精度的影响主要体现在导弹的初始对准和制导两方面。在初始对准方面，制导系统的水平对准要用到发射点（潜基弹道导弹为水下发射阵地）的垂线偏差信息。发射点的重力参数对导弹的弹着精度有重要的影响，且射程越远影响越显着。在制导方面，弹道导弹在发射阵地上空有一段近地低速飞行，对地球重力场的高频信息非常敏感，由重力场引起的加速度误差会很快积累成速度误差，形成导弹脱靶因素；当导弹进入高空高速飞行阶段，制导系统对高频重力场信息的敏感性逐渐减小，而与地球重力场的中长波信息的相关性逐渐增大。为了提高弹道导弹的命中精度，必须在制导时对弹道上的重力扰动进行补偿。

２）在潜艇水下长时间自主导航中的应用

为了保证潜艇惯性导航系统的精度，必须采取必要的重力异常和垂线偏差补偿措施。具体补偿一般采用两种方式：一种是利用重力仪实时对重力异常和垂线偏差进行测量，将测量结果直接用于惯性导航系统的重力异常和垂线偏差补偿；另一种方式是利用已有的重力场测量数据建立相应的模型，代入惯性导航系统力学编排方程进行补偿。地球重力场除可用于提高潜艇惯性导航系统的精度，还可用于其水下惯性／重力匹配自主导航。

３）在军用卫星高精度定轨中的应用

人造卫星是在地球重力场作用下在空间绕地球运动的，要精密定轨，必须知道精确的地球重力场参数。对于军事成像侦察卫星，定轨精度以及精确的轨道参数将直接影响其对地观测的精度。

４）在潜艇水下航行安全中的应用

潜艇在海底地形复杂的陌生海区航行时，海底地形的起伏变化易导致触礁、触底等安全事故，严重威胁潜艇的生存。地球重力场信息可反演出海底地形，可为潜艇水下安全航行和战术规避提供重要依据，进而也可以利用复杂的海底地形实施隐蔽机动和设伏。

2．在深地、深海资源勘探领域中的应用

地下物质密度分布不均匀会引起地球重力变化，并且地球重力场对地壳深部

（０～５０００ｍ）密度结构尤为敏感，因此航空／海洋重力测量仪器在深地、深海资源勘探领域具有至关重要的作用。具体应用主要包括以下方面：１）在石油、天然气的普查和勘探中的应用

通过航空／海洋重力测量快速绘制小比例尺的重力异常图，可研究区域地质构造，划分构造单元，圈定沉积盆地的范围，预测含油、气远景区。通过绘制中比例尺的重力异常图，可划分沉积盆地内的次一级构造，识别构造样式，进一步圈定有利于油气藏形成的地段，寻找局部构造。特别是当航空／海洋重力测量精度提高后，加上数据处理和解释方法的发展，可进一步快速绘制大比例尺高精度重力异常图，用于查明油气贮藏有关的局部构造细节，直接寻找与油气藏有关的低密度体，为钻井布置提供依据。

２）在固体矿产勘探中的应用

应用航空／海洋重力探测固体矿产有两个途径：一是在有利的条件下直接寻找固体矿床；另一个是研究固体矿床赋存的岩体或构造，以推断矿体的位置。

３）在矿产资源长远勘探规划中的应用

重力异常特征是区域地质构造单元和地成结构等的反映。通过航空／海洋重力测量可快速准确获得地球的重力异常以及确定构造单元，能够有效地进行成矿远景预测，为进一步勘探提供指导。

3.在地球科学研究领域中的应用

航空/海洋重力测量仪器在大地测量学、地球物理学、地球动力学、海洋科学等基础前沿科学领域也具有广泛的应用需求。在大地测量学中，重力场用于确定地球形状和高程基准，不断精化大地水准面是当前地球重力场研究的主要任务之一。在地球物理学中，重力测量为研究海洋与陆地岩石圈结构、地壳构造以及地壳均衡等提供了海底及地球内部信息。对于地球动力学，通过对重力场的重复观测可以提供地球形状随时间变化的数据，可以研究地球内部构造，监测内部结构变化和板块运动，预报地震。在海洋科学中，可用求定重力场的方法得出海洋大地水准面。地球重力场数据是研究固体地球演化、全球海平面、冰川融化、洋流、气候、陆地水资源、地质灾害和地震等科学问题的重要前提。

三、航空重力仪器的发展现状

1.海/空重力仪

海/空重力仪此处是指经升级或改进后适用于航空应用的海洋重力仪或者海洋/航空并用的重力仪。主要有美国Micro-g公司的LaCoste&Romberg(L&R)系列、贝尔公司的BGM系列以及德国Bodenseewerk公司的KSS系列。

1.1 L&R系列海/空重力仪

该系列是最有代表性的海/空重力仪，目前用户数最多，已出厂100多套。大约1955年，L&R仪器首次安装在潜艇上用于海洋重力测量，当时称为“常平架重力仪”，采用黄铜制成的空气阻尼器和96TPI（每英寸螺旋数）测量螺旋.1965年出厂了第一台稳定平台式重力仪，随后将空气阻尼器由黄铜改成铝，更好地防止了阻尼器的内部长霉。1968年更换了杠杆系统，将测量螺旋从96TPI升级到184TPI，使仪器测程从 12000mGal增加到20000mGal，满足了全球范围重力测量需求。1972年前后，自动读数器由机械伺服计算升级到电子计数，增加了数据采集系统，并采用磁带代替纸图记录。

1981年至1987年生产了三套直线型重力仪。它们不受震动影响，无需减震装置，但造价高，而且出厂后仪器的漂移需要很长时间才能稳定，因此未得到推