修 睿，郭 剛，薛正兵，李東明，李海兵

（1.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，青島266237；2.北京航天控制儀器研究所，北京100039）

0 引言

重力是地球?qū)Φ乇砦矬w萬(wàn)有引力的一個(gè)分力。如將地球物理的細(xì)節(jié)變動(dòng)通過(guò)高精度、高分辨率的重力場(chǎng)數(shù)據(jù)變化表現(xiàn)出來(lái)，這些數(shù)據(jù)變化將為大地測(cè)量測(cè)繪、地球物理/地質(zhì)地貌的勘探，以及空間海洋的科學(xué)研究提供重要的基礎(chǔ)資料和基本參數(shù)，是國(guó)家的重要戰(zhàn)略資源。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)水平，研制和構(gòu)建精度更高、分辨率更好的重力場(chǎng)模型，從而更好地進(jìn)行地球資源勘查，是測(cè)量學(xué)在未來(lái)發(fā)展過(guò)程中的一項(xiàng)重要任務(wù)。

重力測(cè)量?jī)x在現(xiàn)代國(guó)防工業(yè)中的應(yīng)用價(jià)值主要體現(xiàn)在以下領(lǐng)域：

在資源勘探領(lǐng)域，重力的變化反映了地下物質(zhì)密度分布的不均勻，而物質(zhì)密度的分布又與地質(zhì)構(gòu)造及礦產(chǎn)分布有著密切聯(lián)系，因而重力測(cè)量可應(yīng)用于礦產(chǎn)勘探領(lǐng)域。該類型的應(yīng)用在國(guó)外已有諸多成功案例，例如加拿大雪域無(wú)人區(qū)的大型金剛石礦藏、非洲大型油氣礦產(chǎn)的發(fā)現(xiàn)等。

在測(cè)繪科學(xué)領(lǐng)域，重力場(chǎng)數(shù)據(jù)可以幫助人類認(rèn)識(shí)地球構(gòu)造、物質(zhì)分布與演化，促進(jìn)對(duì)于地震監(jiān)測(cè)與自然災(zāi)害等前沿科學(xué)問(wèn)題的研究。重力場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)大地測(cè)量的主要貢獻(xiàn)在于確定地球形狀、精確求定地面控制點(diǎn)的坐標(biāo)和高程基準(zhǔn)等方面。

在慣性導(dǎo)航與定位領(lǐng)域，例如近地表飛行導(dǎo)航、運(yùn)載火箭軌道定位、潛艇水下導(dǎo)航等，精準(zhǔn)的重力或重力梯度信息能夠在很大程度上提高定位的準(zhǔn)確度。

在軍事應(yīng)用領(lǐng)域，高精度重力數(shù)據(jù)信息可以服務(wù)于低軌航天器的軌道設(shè)計(jì)和確定，以及對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星的精密定軌；高精度重力數(shù)據(jù)可以為武器系統(tǒng)的發(fā)射場(chǎng)及途徑地提供重力異常和垂線偏差信息，并對(duì)武器系統(tǒng)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行重力補(bǔ)償，可有效降低慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的Schuler誤差和導(dǎo)彈落點(diǎn)偏差，從而提高中遠(yuǎn)程戰(zhàn)略武器系統(tǒng)的精準(zhǔn)打擊能力；以重力數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)的重力圖形匹配技術(shù)還可為執(zhí)行長(zhǎng)期潛航任務(wù)的潛艇提供水下位置校正信息，使?jié)撏Р槐卦偕细≈两咏?，以保證潛艇的隱蔽性和安全性。

國(guó)際上，?？罩亓y(cè)量系統(tǒng)已經(jīng)有幾十年的發(fā)展歷史，美國(guó)、俄羅斯、加拿大等國(guó)家都有各自正在應(yīng)用的海空重力測(cè)量系統(tǒng)。典型產(chǎn)品主要包括：美國(guó)Micro?g LaCoste公司研制的L＆R II型、III型?？罩亓x；美國(guó)Bell航空公司研制的BGM系列重力儀；俄羅斯中央電氣儀表所研制的Chekan?AM ?？罩亓x［1?6］。在我國(guó)，由中國(guó)國(guó)土資源航空物探遙感中心主持的航空地球物理勘查項(xiàng)目已經(jīng)在 “十一五”和 “十二五”連續(xù)2個(gè)五年計(jì)劃中獲得了科技部 “863”項(xiàng)目的支持；由華中科技大學(xué)、中國(guó)地質(zhì)大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所、中國(guó)科學(xué)院測(cè)量與地球物理研究所共同承擔(dān)的 “精密重力測(cè)量研究設(shè)施”項(xiàng)目也已經(jīng)被列為《國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中長(zhǎng)期規(guī)劃（2012年～2030年）》優(yōu)先安排建設(shè)的16項(xiàng)重大科技基礎(chǔ)設(shè)施［8?12］之一。

1 國(guó)外研究進(jìn)展

1.1 海洋/航空重力儀

目前，國(guó)際上典型的海洋/航空重力測(cè)量產(chǎn)品主要包括：

（1）GT 系列重力儀

俄羅斯重力測(cè)量技術(shù)公司和國(guó)立莫斯科大學(xué)從20世紀(jì)60年代開(kāi)始聯(lián)合研制海洋重力儀。GT系列重力儀目前包括 GT?1A、GT?2A、GT?2M、GT?X 等型號(hào)，其中GT?2M是海洋重力儀。T系列重力儀系統(tǒng)采用了三軸平臺(tái)慣導(dǎo)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對(duì)加速度計(jì)和相關(guān)電子設(shè)備采取了溫控措施。T系列重力儀系統(tǒng)由電子線路箱、重力儀主機(jī)、轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)和減震器4部分組成。該系列重力儀的敏感度約為0.1mGal，動(dòng)態(tài)量程為10Gal，動(dòng)態(tài)范圍約為±500Gal，最大姿態(tài)限制橫滾角和俯仰角均為±45°。該系統(tǒng)的精度可達(dá)0.5mGal，分辨率為 1.5km～2.75km［1?2］。GT 系列重力儀產(chǎn)品如圖1所示。

圖1 GT系列產(chǎn)品Fig.1 GT series products

（2）AIRGrav 航空重力儀

AIRGrav航空重力儀由加拿大Sander公司于1992年研制，于1997年研制成功，在1999年進(jìn)行了首次飛行試驗(yàn)，目前已經(jīng)投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)，主要用于石油勘探測(cè)量和探礦測(cè)量。該系統(tǒng)采用了三軸平臺(tái)慣導(dǎo)系統(tǒng)，主要優(yōu)點(diǎn)是姿態(tài)更加穩(wěn)定，受水平加速度的影響更小。其搭載在固定翼飛機(jī)時(shí)，其精度可達(dá)0.2mGal，分辨率為2.2km～4km；搭載在直升機(jī)時(shí)，其精度可達(dá) 0.2mGal，分辨率為0.7km ～ 1.1km［1?3］。

（3）L＆R III型?？罩亓x

2007年，美國(guó) Micro?g LaCoste公司推出了L＆R III型?？罩亓x。該重力儀基于L＆R II型重力儀，對(duì)機(jī)體及重力數(shù)據(jù)軟件進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，在新型機(jī)械陀螺的基礎(chǔ)上加入了固體光纖陀螺，使穩(wěn)定平臺(tái)能夠自動(dòng)地對(duì)航行姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)整補(bǔ)償，從而保證重力傳感器始終處于水平測(cè)量狀態(tài)。同時(shí)，其重力傳感器在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上具有對(duì)稱性，這使得儀器在測(cè)量過(guò)程中不受CC效應(yīng)的影響，無(wú)需進(jìn)行CC改正，能夠有效避免撞擊和震動(dòng)帶來(lái)的誤差。在惡劣海況下，其測(cè)量精度可達(dá)±0.7 ～ ±1.0mGal［4?5］。

（4）Bell BGM?3 型海洋重力儀

該重力儀由美國(guó)貝爾航空公司研制生產(chǎn)，主要采用了高精度的貝爾航空XI型慣性級(jí)加速度計(jì)，在高動(dòng)態(tài)環(huán)境下可獲得精確的測(cè)量結(jié)果。BGM?3型海洋重力儀的數(shù)字輸出精度為0.2mGal，在近海海況良好時(shí)測(cè)量精度高于0.4mGal，在進(jìn)行遠(yuǎn)海測(cè)量時(shí)精度約為 0.7mGal，零漂率＜0.1mGal/d［4?5］，且線性度高。BGM?3型海洋重力儀如圖2所示。

圖2 BGM-3海洋重力儀Fig.2 BGM-3 marine gravimeter

（5）Chekan?AM 重力儀

該重力儀由俄羅斯圣彼得堡科學(xué)研究中心電氣儀表所研制生產(chǎn)，屬于該所設(shè)計(jì)的第3代重力儀系統(tǒng)。Chekan?AM重力傳感器采用雙石英彈性系統(tǒng)，內(nèi)設(shè)線性CCD光電轉(zhuǎn)換器，量程為15Gal，零漂率＜3mGal/月，精度為 1mGal。

（6）KSS 系列海洋重力儀

由德國(guó)Bodenseewerk公司研制生產(chǎn)的KSS系列海洋重力儀相繼推出了 KSS5型、KSS30型、KSS50型等型號(hào)產(chǎn)品，是新型高精度的海洋重力儀，具有精度高、質(zhì)量小、抗風(fēng)浪能力強(qiáng)等特點(diǎn)，并且自動(dòng)化程度高、體積小。在海況平靜時(shí)，其測(cè)量精度為0.5mGal；在海況惡劣時(shí)，其重力測(cè)量精度為±1mGal；在海況非常惡劣時(shí)，其測(cè)量精度為±2mGal［5?6］。

（7）MGS?6 型海洋重力儀

MGS?6型海洋重力儀為L(zhǎng)RS公司推出的產(chǎn)品，其設(shè)計(jì)和研制基于L＆R S型海洋重力儀，是第3代動(dòng)態(tài)穩(wěn)定平臺(tái)重力儀。其量程為500000mGal，動(dòng)態(tài)重復(fù)精度為 0.25mGal［5?6］，可用于在全球范圍內(nèi)進(jìn)行重力測(cè)量。MGS?6型海洋重力儀如圖3所示。

圖3 MGS-6型海洋重力儀Fig.3 MGS-6 marine gravimeter

國(guó)外典型重力儀產(chǎn)品的研制情況如表1所示。

1.2 海空重力儀的車載試驗(yàn)

航空重力測(cè)量是在海洋重力測(cè)量的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，與海洋重力測(cè)量相比，載體受環(huán)境影響的波動(dòng)性較大。在將海空重力儀搭載于車輛上時(shí)，由于車輛在行駛過(guò)程中發(fā)生晃動(dòng)，車輛姿態(tài)經(jīng)常發(fā)生變化，因而試驗(yàn)對(duì)重力儀的動(dòng)態(tài)適應(yīng)能力要求更高。重力儀的車載試驗(yàn)為未來(lái)針對(duì)車載重力測(cè)量技術(shù)的研究打下了良好的基礎(chǔ)。

美國(guó)俄亥俄州州立大學(xué)于2008年進(jìn)行了針對(duì)INS/GPS重力測(cè)量系統(tǒng)的研究。鑒于INS/GPS重力測(cè)量系統(tǒng)在機(jī)載場(chǎng)景中可以表現(xiàn)出良好的性能，考慮到低速和高度，將系統(tǒng)移入地面車輛有助于提高重力估算的分辨率，但系統(tǒng)也將面臨更加復(fù)雜的動(dòng)態(tài)和更為苛刻的觀察條件［4］。在試驗(yàn)中，選擇在蒙大納州西南部重復(fù)行駛以進(jìn)行跑車試驗(yàn)，來(lái)測(cè)試車載重力測(cè)量系統(tǒng)的重復(fù)性和精度，平均車速高達(dá)90km/h。該系統(tǒng)的測(cè)量精度可達(dá)2.1mGal/2.2km～ 2.7mGal/2.2km，垂向重力擾動(dòng)部分的可重復(fù)性水平達(dá)到了0.64mGal［7］。

表1 國(guó)外典型重力儀產(chǎn)品的研制情況Table 1 Development of typical gravimeter products abroad

2 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

2.1 海洋/航空重力儀

國(guó)內(nèi)也針對(duì)重力測(cè)量?jī)x進(jìn)行了積極的研發(fā)和生產(chǎn)，國(guó)防科技大學(xué)、北京航天控制儀器研究所、中國(guó)科學(xué)院測(cè)量與地球物理研究所等單位均已研制出了各自的代表性產(chǎn)品。

（1）SGA?WZ 系列重力儀

由國(guó)防科技大學(xué)研制的SGA?WZ系列重力儀是中國(guó)首款基于SINS/DGPS的航空重力儀，其對(duì)網(wǎng)格測(cè)線的內(nèi)符合精度為3.2mGal/4.8km，經(jīng)系統(tǒng)誤差補(bǔ)償后精度可達(dá) 1mGal［8］。在研制 SGA?WZ01型捷聯(lián)式航空重力儀的基礎(chǔ)上，國(guó)防科技大學(xué)進(jìn)一步研制了新一代捷聯(lián)式重力儀系統(tǒng)——SGA?WZ02。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，SGA?WZ02型車載重力儀對(duì)重復(fù)測(cè)線的內(nèi)符合精度為1.64mGal/1.1km、1.12mGal/1.7km，外符合精度為 2.33mGal/1.1km、1.77mGal/1.7km［9］。

（2）SAG系列?？罩亓x

經(jīng)過(guò)10年的自主研制，北京航天控制儀器研究所利用慣性器件、慣性技術(shù)和導(dǎo)航優(yōu)勢(shì)完成了2款重力儀產(chǎn)品、1款旋轉(zhuǎn)式重力梯度測(cè)量系統(tǒng)、1款重力梯度測(cè)量用大型穩(wěn)定平臺(tái)的研制。其中，捷聯(lián)式重力儀SAG實(shí)現(xiàn)了小批量生產(chǎn)，地面試驗(yàn)、航空海洋試驗(yàn)測(cè)得其內(nèi)符合精度為1mGal。將其與GT?1A型重力儀的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，比對(duì)精度小于1mGal。改進(jìn)后的SAG?2M型重力儀如圖4所示。

圖4 改進(jìn)后的SAG-2M型重力儀Fig.4 Improved SAG-2M Gravimeter

2018年3月，SAG?2M型海洋重力儀搭載在向陽(yáng)紅18號(hào)進(jìn)行了為期30天的海洋動(dòng)態(tài)測(cè)試試驗(yàn)，完成了由6條東西測(cè)線、6條南北測(cè)線組成的網(wǎng)格區(qū)域的走航式重力測(cè)量。本次試驗(yàn)的36個(gè)交叉點(diǎn)的內(nèi)符合精度達(dá)到了0.65mGal，東西重復(fù)測(cè)線的精度達(dá)到了0.5mGal，南北重復(fù)測(cè)線的精度達(dá)到了0.37mGal。本次試驗(yàn)東西測(cè)線上的自由空間重力異常曲線如圖5所示。圖6為本航次一條東西重復(fù)測(cè)線自由空間重力異常的曲線圖，以綠色曲線為基準(zhǔn)，紅色曲線相對(duì)綠色曲線的測(cè)量誤差中值為0.5mGal，標(biāo)準(zhǔn)差為 0.65mGal。

圖5 東西測(cè)線自由空間重力異常曲線Fig.5 Free-space gravity anomaly curves of East-West line

（3）GIPS?1AM 平臺(tái)式?？罩亓x

由中國(guó)航天科工集團(tuán)33所研制的三軸平臺(tái)式?？罩亓x采用與AIRGrav重力儀相同的 “三軸慣性平臺(tái)+石英撓性加速度計(jì)式重力敏感器”設(shè)計(jì)方案，其重力傳感器的溫控精度優(yōu)于0.01℃，靜態(tài)測(cè)量精度優(yōu)于0.5mGal，動(dòng)態(tài)測(cè)量精度為1mGal。

（4）CHZ 系列海洋重力儀

CHZ系列海洋重力儀是中國(guó)科學(xué)院測(cè)量與地球物理研究所研制的軸對(duì)稱型海洋重力儀，具有小型化、穩(wěn)定性好、可消除CC效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠在垂直加速度為500Gal、水平加速度為250Gal的惡劣海況下工作。實(shí)驗(yàn)室測(cè)量顯示，該儀器的非線性誤差不超過(guò) 1mGal，海試試驗(yàn)精度可達(dá)±1.4mGal。CHZ系列海洋重力儀如圖7所示。

表2給出了我國(guó)典型的移動(dòng)平臺(tái)重力測(cè)量系統(tǒng)。

表2 我國(guó)典型的移動(dòng)平臺(tái)重力測(cè)量系統(tǒng)Table 2 Typical mobile platforms for gravity measurement system in China

2.2 ?？罩亓x的車載試驗(yàn)

目前，國(guó)內(nèi)主要有以下?？罩亓x產(chǎn)品進(jìn)行了地面跑車車載試驗(yàn)：

（1）SGA?WZ 系列重力儀

由國(guó)防科技大學(xué)研制的SGA?WZ02型?？罩亓x于2015年在湖南長(zhǎng)沙進(jìn)行了車載重力測(cè)量試驗(yàn)，來(lái)檢驗(yàn)和評(píng)估將該型重力儀應(yīng)用于移動(dòng)車載環(huán)境下的可行性，并進(jìn)行了相應(yīng)的精度測(cè)量和水平分析。測(cè)量路徑為長(zhǎng)沙市區(qū)一條長(zhǎng)度約為35km的高速公路，車輛在行駛過(guò)程中的平均車速為40km/h。試驗(yàn)測(cè)得基于SINS/GNSS的該重力儀系統(tǒng)在車載環(huán)境下的精度為2.6mGal，分辨率為0.56km，內(nèi)符合精度為1.64mGal/1.1km、1.12mGal/1.7km，外符合精度為 2.33mGal/1.1km、1.77mGal/1.7km［8?9］。

此外，國(guó)防科技大學(xué)還研制了基于SINS/VEL的新型陸地重力測(cè)量系統(tǒng)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該測(cè)量方法的內(nèi)部一致性水平為1.17mGal，外部一致性水平為1.91mGal，驗(yàn)證了在不同條件下進(jìn)行陸地車輛重力測(cè)量的巨大潛力［10?11］。

（2）SAG 型重力儀

由北京航天控制儀器研究所研制的SGA?2M型?？罩亓x分別于2012年和2013年在北京、武漢兩地進(jìn)行了跑車試驗(yàn)。試驗(yàn)選取了長(zhǎng)度約為30km的市區(qū)平坦公路，試驗(yàn)車的車速保持在15km/h左右，車載運(yùn)動(dòng)環(huán)境下的測(cè)量精度主要受限于GPS的精度。試驗(yàn)測(cè)得該重力儀內(nèi)符合精度優(yōu)于1mGal，外符合精度優(yōu)于2mGal，在車載靜態(tài)環(huán)境下的測(cè)量精度優(yōu)于0.2mGal。圖8為跑車試驗(yàn)的結(jié)果曲線［12］。

圖8 車載動(dòng)態(tài)重力測(cè)量結(jié)果曲線Fig.8 Curves of vehicle dynamic gravity measurement

（3）CHZ 型重力儀

由中國(guó)科學(xué)院測(cè)量與地球物理研究所研制的CHZ型重力儀分別在實(shí)驗(yàn)室、野外及海上進(jìn)行了若干試驗(yàn)，以檢測(cè)儀器的性能。車載試驗(yàn)選取城市或鄉(xiāng)間道路進(jìn)行測(cè)量，并重復(fù)進(jìn)行了3次試驗(yàn)。試驗(yàn)未發(fā)生突然掉格的現(xiàn)象，靜態(tài)測(cè)量精度達(dá)到了1mGal。

3 ?？罩亓x的新應(yīng)用

隨著無(wú)人機(jī)、無(wú)人水面艇和深海潛航器技術(shù)的日趨成熟，開(kāi)展無(wú)人平臺(tái)重力測(cè)量和水下動(dòng)態(tài)測(cè)量成為了可能。但目前，無(wú)人平臺(tái)重力測(cè)量和水下動(dòng)態(tài)測(cè)量仍存在若干技術(shù)問(wèn)題亟待解決。

3.1 無(wú)人平臺(tái)重力測(cè)量

從運(yùn)載體的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，重力測(cè)量搭載平臺(tái)從有人系統(tǒng)向無(wú)人系統(tǒng)發(fā)展，無(wú)人機(jī)和無(wú)人水面艇重力測(cè)量是?？罩亓y(cè)量的重要補(bǔ)充手段。

以水面無(wú)人搭載平臺(tái)為例，傳統(tǒng)的大型艦船在測(cè)量過(guò)程中只往返于網(wǎng)格測(cè)區(qū)，耗費(fèi)時(shí)間和能源。大型艦船無(wú)法在海岸帶淺水區(qū)域及邊遠(yuǎn)島礁復(fù)雜海域開(kāi)展重力測(cè)量，而無(wú)人水面艇能夠通過(guò)在海洋環(huán)境下的自主航行來(lái)完成任務(wù)，是一種小型水面運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。利用測(cè)量母船攜帶的水面測(cè)量小艇同步進(jìn)行海洋重力測(cè)量，能夠有效提高測(cè)量效率。特別地，無(wú)人水面艇的應(yīng)用將極大程度地提高測(cè)量效率，同時(shí)消除登艇操作人員的安全隱患，節(jié)約人力資源。

作為一種新型的無(wú)人化平臺(tái)，與傳統(tǒng)水面艦船相比，無(wú)人水面艇具有以下優(yōu)勢(shì)［13?17］：

1）小型輕量，反應(yīng)速度快。無(wú)人水面艇的總長(zhǎng)度為6m～20m，排水量在數(shù)噸至數(shù)十噸之間，相比同級(jí)艦船速度更快。

2）環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。無(wú)人水面艇排水量小，適合在港口、近岸等淺水區(qū)域活動(dòng)作業(yè)，更能克服由海況干擾所產(chǎn)生的影響。

3）艦艇豐富。艇型設(shè)計(jì)自由靈活，如三體船型、滑行艇型等可搭載重力測(cè)量設(shè)備。

4）推進(jìn)方式多樣。傳統(tǒng)的艦船推進(jìn)方式、全電力推進(jìn)方式，以及太陽(yáng)能/風(fēng)能/海洋能等環(huán)保能源推進(jìn)方式均可使用。

5）作業(yè)效率高。采用多艘無(wú)人水面艇建立分布式探測(cè)網(wǎng)格，進(jìn)行協(xié)同作業(yè)，可以快速、低成本地完成大范圍的軍用及民用任務(wù)。

6）全天時(shí)?？扇鞎r(shí)地在重點(diǎn)海域執(zhí)行科研勘探、偵察監(jiān)視、目標(biāo)搜索識(shí)別、快速響應(yīng)與實(shí)時(shí)打擊等任務(wù)。

從目前的發(fā)展水平來(lái)看，無(wú)人水面艇的功能集成日漸增加，船型由單體向多體等高性能船舶方向發(fā)展，并被越來(lái)越多地應(yīng)用于軍用和民用領(lǐng)域。

采用無(wú)人水面艇等無(wú)人載荷平臺(tái)來(lái)搭載相對(duì)重力儀進(jìn)行重力測(cè)量，相比于有人測(cè)量船，具有更廣闊的使用范圍，同時(shí)也要求重力儀提供更大的動(dòng)態(tài)范圍和更高的動(dòng)態(tài)頻率。在研制方面需要解決如下技術(shù)難題：

1）提升石英撓性加速度計(jì)的動(dòng)態(tài)適應(yīng)性。相較于彈簧式重力傳感器，石英撓性加速度計(jì)具有動(dòng)態(tài)適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。為滿足高動(dòng)態(tài)海洋環(huán)境下重力測(cè)量作業(yè)的需求，石英撓性加速度計(jì)目前的動(dòng)態(tài)適應(yīng)性還需要進(jìn)一步提高。這需要在現(xiàn)有重力測(cè)量用加速度計(jì)的基礎(chǔ)上，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、補(bǔ)償方法、伺服回路設(shè)計(jì)、工藝過(guò)程等方面做出改進(jìn)，研制出動(dòng)態(tài)適應(yīng)性滿足需求的高精度重力傳感器。

2）改進(jìn)抗惡劣環(huán)境的減震系統(tǒng)。無(wú)人水面艇重力測(cè)量對(duì)重力儀減震器提出了較為特殊的要求，需要針對(duì)原測(cè)量船型的重力儀系統(tǒng)的減震器形式及參數(shù)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，以適應(yīng)水面小艇在航行時(shí)遇到的由海浪引起的顛簸、由發(fā)動(dòng)機(jī)引起的震動(dòng)等惡劣環(huán)境。

3）拓寬重力儀的工作溫度范圍。重力傳感器及關(guān)鍵電子元器件性能的穩(wěn)定發(fā)揮與溫度的穩(wěn)定性關(guān)系密切，而無(wú)人水面艇重力測(cè)量屬于外場(chǎng)作業(yè)范疇，對(duì)使用環(huán)境要求嚴(yán)苛。為保證重力測(cè)量?jī)x器的測(cè)量精度，需要將重力儀設(shè)備的工作溫度范圍拓寬至-10℃～45℃，同時(shí)需要保證核心重力傳感器及電路的溫控穩(wěn)定性達(dá)到0.001℃。

4）設(shè)計(jì)高精度的重力提取算法。大型測(cè)量船在進(jìn)行常規(guī)海洋重力測(cè)量時(shí)，通常選擇平靜海況。此時(shí)，重力提取算法通過(guò)在一定周期內(nèi)對(duì)連續(xù)的重力觀測(cè)值取均值及設(shè)計(jì)濾波器，可消除由波浪導(dǎo)致的誤差。但在采用無(wú)人水面艇進(jìn)行重力測(cè)量時(shí)，在惡劣海況下，無(wú)人水面艇受到的垂向干擾加速度將被數(shù)倍放大。為保證測(cè)量精度，須針對(duì)高動(dòng)態(tài)海洋環(huán)境和小型艇的應(yīng)用條件，重新設(shè)計(jì)重力提取算法。

3.2 水下動(dòng)態(tài)重力測(cè)量技術(shù)

從水下導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，針對(duì)深遠(yuǎn)海的重力勘探，在更大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)水下動(dòng)態(tài)重力測(cè)量，是一種更加高效的測(cè)量方式。

隨著陸地資源逐漸被開(kāi)發(fā)殆盡，海洋開(kāi)發(fā)呈現(xiàn)出了持續(xù)、快速的增長(zhǎng)趨勢(shì)，海洋作業(yè)范圍也逐漸由海面作業(yè)延伸到了水下作業(yè)，如海底生物資源探查、礦產(chǎn)資源采樣、海底地形勘測(cè)、沉物打撈、地震/地?zé)峄顒?dòng)監(jiān)測(cè)、海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、海洋工程維護(hù)和堤壩安全監(jiān)測(cè)等。深水、超深水和極地等環(huán)境下地質(zhì)資源的勘探與開(kāi)發(fā)必須綜合應(yīng)用地球物理方法，從而獲得最佳的經(jīng)濟(jì)效益和勘探效率［18?19］。高精度重力勘探、水下導(dǎo)航技術(shù)是海洋科學(xué)考察、資源開(kāi)發(fā)、深?？臻g站建設(shè)等工程不可或缺的技術(shù)手段，為海底的資源勘探和開(kāi)發(fā)提供了重要的定位、導(dǎo)航與通信支撐功能。

目前，海洋重力測(cè)量主要采用船載方式進(jìn)行，即將重力儀安裝于傳統(tǒng)艦船內(nèi)，由其進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量。重力儀提供連續(xù)的觀測(cè)值，獲取速度、姿態(tài)和位置信息，并通過(guò)重力提取算法和濾波對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以消除漂移誤差。在深遠(yuǎn)海環(huán)境中，重力儀無(wú)法通過(guò)GPS獲取高度通道信息。因此，針對(duì)深遠(yuǎn)海條件下的水下導(dǎo)航需求，設(shè)置外部輔助信息源，構(gòu)建水下組合導(dǎo)航系統(tǒng)，提升重力儀搭載潛航器的水下定位、定速、定姿精度，是未來(lái)需要解決的技術(shù)問(wèn)題。

針對(duì)深遠(yuǎn)海環(huán)境，水下導(dǎo)航通常采用多種傳感器協(xié)同工作的方式，如SINS、GPS、Doppler測(cè)速儀DVL、長(zhǎng)基線LBL、短基線SBL、地形匹配TAN、磁航向儀MCP及探測(cè)儀等。通常而言，主要可采用以下3種方式實(shí)現(xiàn)深遠(yuǎn)海、中高精度的復(fù)合導(dǎo)航［20?25］：

1）慣性/聲學(xué)組合導(dǎo)航。在水下利用DVL和USBL等方式，實(shí)時(shí)修正慣性系統(tǒng)的誤差。

2）SINS、磁場(chǎng)無(wú)源導(dǎo)航。當(dāng)載體航行至水下物理變化較為明顯的部分區(qū)域時(shí)，可利用外部信息修正導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差。

3）跨介質(zhì)、多平臺(tái)協(xié)同導(dǎo)航。在深遠(yuǎn)海測(cè)量中，利用聲學(xué)裝置向水下平臺(tái)提供GNSS信息，可輔助系統(tǒng)修正導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差。

4 結(jié)論

目前，國(guó)外重力測(cè)量技術(shù)已經(jīng)較為成熟，重力測(cè)量?jī)x器已經(jīng)基本滿足了使用精度的要求。國(guó)內(nèi)移動(dòng)平臺(tái)重力儀的研制也已經(jīng)取得可喜的進(jìn)展，在海洋/航空重力儀方面，其性能已經(jīng)可以與國(guó)外先進(jìn)國(guó)家相媲美。

從未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，車載移動(dòng)重力測(cè)量和水下動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)在作業(yè)過(guò)程中更接近測(cè)量目標(biāo)，可提高重力測(cè)量的分辨率；采用無(wú)人平臺(tái)的重力測(cè)量能夠極大地提高作業(yè)效率，節(jié)約成本。上述車載、水下、無(wú)人重力測(cè)量技術(shù)將進(jìn)一步擴(kuò)充移動(dòng)重力測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，同時(shí)為重力信息的應(yīng)用領(lǐng)域提供更加豐富、完備的測(cè)量數(shù)據(jù)。