重力梯度仪的现状和前景

中国惯性技术学报

JOURNAL OF

CHINESE INERTIAL

TECHNOLOGY

1999年第1期No.11999

重力梯度仪的现状和前景

蔡体菁，周百令

摘要：本文论述了重力梯度仪在惯性导航、地球科学、地质科学中的重要作用以及重力梯度仪的现状和前景，着重评述了旋转加速度计重力梯度仪、静电加速度计重力梯度仪和超导重力梯度仪的现状和发展，最后指出了对重力梯度仪的应用和发展需要进一步研究的问题。

关键词：重力梯度仪

中图分类号：U666.1 文献标识码：A

文章编号：10056734(1999)01003904

Status and prospects of gravity gradiometers

CAI Tijing，ZHOU Bailing

(Department of Instrument Science and Engineering,

Southeast University,Nanjing 210096,China)

Abstract：The paper discusses the role of gravity gradiometer in inertial navigation,earth science,geological science and status of gravity gradiometers,comments on the status and prospects of rotating accelerometer gravity gradiometer,electrostatic accelerometer gravity gradiometer and superconducting gravity gradiometer,points out some problems which need to be studied further for the application and development of gravity gradiometers.

Key words:gravity gradiometer

1　引言

在惯性导航中，陀螺稳定平台上的加速度计测量的是比力，即惯性加速度与重力向量之差。为了区分载体运动的惯性加速度和重力加速度，惯性导航仪器必须有重力场的数学模型，现在通常的惯性导航系统是利用简单的参考椭球来描述重力场的。对于全球大地水准面的形状而言，参考椭球是一个好的近似，但是对于局部地区，例如，地形复杂的区域，就不能很好地描述。随着人们对惯性导航系统精度要求的不断提高，迫使我们对重力场的知识要有更深入的了解。

自50年代初惯性导航系统第一次成功地应用以来，惯性仪器得到迅猛发展，目前，高精度的惯性导航系统中最新的惯性仪表，如静电陀螺仪的精度可达10-6 °/h，

加速度计的精度可达10-9g。惯性导航系统精度的进一步提高主要取决于对重力知识的了解程度，重力异常(实际重力与参考重力的大小之差)将是高性能惯性导航系统的最大剩余误差。对于水面舰船，重力异常分量约有30～50 mgal的偏差(l mgal=10-5 m/s2)。当一个无阻尼惯性导航系统沿地球表面运动穿越重力异常场时，重力场垂直偏差(实际重力与参考重力方向的角度误差)将产生振幅增长的Schuler振荡，惯性导航系统的速度和位置误差将随时间增大。为了系统误差不发散，惯性导航系统必须利用外部信息，例如，速度传感器，多普勒雷达等来限制这发散的误差。在运动载体上实时测量垂直偏差无疑是最有吸引力的。根据爱因斯坦等效原理，在一个与运动物体固联的局部坐标系中，无法区分物体上一点的惯性力和重力，然而在一个直线加速度场中可以通过测量两点间的加速度之差测量重力的变化，即重力梯度，再通过对重力梯度的空间积分就可得到重力。因此，用测量重力势二阶导数的重力梯度仪实时测量重力梯度张量分量，就能够获得准确的重力值和垂直偏差，把它们提供给惯性导航系统，就能达到精确导航的目的。

重力梯度仪不仅可以提高惯性导航的精度，而且对空间科学、地球科学、地质科学等科学技术的发展起着重要作用。空间生命科学、空间材料和药品的加工都要利用微重力环境，重力梯度仪可用来对微重力环境进行检测。对于地球和地质科学来讲，绘制和了解重力场的空间变化是非常重要的，地球重力场的横向变化能提供研究地球内部结构的情况，例如，与地震有关的过程、山的构造、地壳板块边界的变形都产生短波长重力信号。地球重力场暂态的信息也可告诉我们与地幔对流、火山活动、地壳变形有关的动力过程。重力梯度仪用于卫星重力测绘与其它技术相比有其独特的优势，即它能提供最高分辨力的全球重力图。我们可以把全球重力测量与海平面高度测量(TOPEX/Poseidon)结合起来，研究海洋流动对全球大气的影响，改进大气模型。总之，识别重力场短波长分量的能力对地球科学、地质科学的发展具有非常重大的意义。

2　重力梯度仪的现状

1971年美国空军提出要制造精度为1E的移动基重力梯度仪，70年代中期美国Hughes、Draper实验室和Bell Aerospace Textron的专家们分别研制出三种不同类型的精度为1E(1E=10-9s-2)的重力梯度仪实验室样机：旋转重力梯度仪、液浮重力梯度仪和旋转加速度计重力梯度仪［1］；80年代初Maryland大学研制出了精度为0.01E的单轴超导重力梯度仪实验室样机，与此同时，许多研究机构，如美国Bendix field Engineering、Stanford大学、Smithsonian Astrophysical Observatory(SAO)、Sperry Defense System、意大利Piano Spaziale Nazionale(PSN)和英国Strathclyde大学，都在研究超导重力梯度仪［2］；80年代后期俄罗斯专家也研制出了精度为0.1E的旋转、液浮和旋转加速度计重力梯度仪实验室样机；80年代末法国Office National d'Etudes et de Recherches Aerospatiales (ONERA)研制出了精度为0.01E的静电加速度计重力梯度仪［3］；90年代美国Johns Hopkins大学和澳大利亚西澳大学的专家们开始研究用于重力梯度仪的蓝宝石谐振器加速度计［4，5］。

重力梯度信号通常是很弱的(例如，在离地面300公里的高度上，沿当地垂直方向上的平均重力梯度为3000E)，这对传感器、信号转换、信号放大以及环境噪声隔离的现有技术水平提出了严峻的挑战。经过许多专家二十多年来的不断研究，目前已走出