潘國偉，曹聚亮,吳美平，鐵俊波

(國防科技大學智能科學學院，湖南 長沙 410073)

重力信號中的低頻分量主要受地球深部質(zhì)量影響，反映地殼深處地質(zhì)特征；高頻分量主要受地球淺部質(zhì)量影響，反映地殼表層地質(zhì)特征[7]。船測重力數(shù)據(jù)無法探測到海底重力信號中的高頻信息且其測得的信號強度較弱，只能用于研究有關地殼深處地質(zhì)特征的理論，無法滿足洋底地殼表層研究需求[8]。在軍事領域，潛艇的水下長航時潛航需要高精度的水下導航系統(tǒng)，其核心是高性能慣性導航系統(tǒng)，隨著慣性器件精度的提高，由慣性器件誤差引起的定位誤差所占比重逐漸減小，重力異常將成為制約高性能慣導精度的主要因素。為進一步提高慣導精度，需要進行重力異常補償，重力異常補償有兩種途徑：一是潛艇搭載重力儀進行實時重力測量，二是利用先驗重力海圖進行補償，以上兩種方法都需要發(fā)展水下重力測量技術。地球重力場還可以用于水下重力匹配導航，如采用船測重力海圖作匹配參考，需將船測重力數(shù)據(jù)向下延拓至潛航器工作深度，這一過程是發(fā)散的，會引入很大誤差，甚至可能導致匹配失敗，水下重力測量則可直接構建水下近海底重力場模型，重力輔助導航可直接使用測量深度附近的重力場數(shù)據(jù)作為參考或采用向上延拓算法延拓至工作深度，免除了向下延拓計算存在的發(fā)散問題，提高了重力匹配導航的精度[3,9-10]。

1 技術概述

水下重力測量是較早開展的海洋重力測量，1923年，文獻[11—12]指出Vening Meinesz首次在潛艇上使用海洋擺儀進行水下靜態(tài)重力測量實驗，并取得了比較滿意的效果，但潛艇重力測量存在耗時長、成本高、下潛深度有限、推廣困難等問題。為了解決這些問題，科學家們采取了很多措施對陸地重力儀進行水下適應性改進：起初，陸地重力儀被安裝在舷側三腳架或小型載人潛水鐘中，采用人工調(diào)平和讀數(shù)，入水深度很??；隨后，科學家們設計出遠程操作和讀數(shù)系統(tǒng)，將重力儀裝入水下承壓艙中，使重力儀的測量深度達到幾百米量級[13-15]。目前，水下靜態(tài)重力測量精度可與地面重力測量精度相媲美，測量深度可達到千米量級，但這種逐點測量方式單點測量時間長、單次下潛測量點數(shù)有限，不能進行大面積重力測量。20世紀60年代，陀螺穩(wěn)定平臺的出現(xiàn)和高阻尼傳感器的發(fā)展有效消除了水面艦船船體所受干擾加速度的影響，船載走航式重力測量逐漸取代水下靜態(tài)重力測量，發(fā)展至今已成為海洋重力測量的中流砥柱，是海洋重力場數(shù)據(jù)的重要來源。到20世紀90年代，船測數(shù)據(jù)已不能滿足人類探索海洋日益增長的需求，潛入水中、貼近海底、獲得更豐富的重力信息再一次成為研究熱點，但不再是簡單的回歸，為解決水下靜態(tài)重力測量成本高、效率低、覆蓋面積小等問題，人們開始開展水下動態(tài)重力測量研究[5,16-17]，并發(fā)展出兩種主流測量方案：分別采用ROV和AUV作為水下測量平臺，兩種方案各有優(yōu)缺點，表1進行了詳細對比[18-19]。

表1 ROV和AUV在水下重力測量中的優(yōu)缺點對比

2 國外水下重力測量技術進展

目前，國外利用水下靜態(tài)重力儀監(jiān)測海底重力異常隨時間的變化，據(jù)此分析和預測海底地殼變動的時間變化規(guī)律。Glenn S Sasagawa團隊設計了用于監(jiān)測海底氣田海水侵入情況的水下靜態(tài)重力儀ROVDOG，他們將安裝在常平架上的CG-3M陸地重力儀裝入水下承壓艙中，搭載在ROV上，通過船載操控系統(tǒng)遠程監(jiān)控、讀取數(shù)據(jù)，根據(jù)ROVDOG在海底的同一地點測得的隨時間變化的重力數(shù)據(jù)來推斷海水侵入氣田的情況。1998年7月，他們進行了第一次海試，在32個站點進行了75次測量，重力異常重復測量精度達到0.026 mGal；隨后他們在原來的基礎上又增加了兩個重力傳感器，能同時采集3組數(shù)據(jù)，然后輸出平均值作為測量結果；2000年8月的海試中，在68個站點進行了159次測量，重力異常重復測量精度達到0.019 mGal。此外，他們還設計了一個深度上限達4500 m的承壓艙，2000年11月搭載在Alvin載人潛航器上在2700 m的深度進行了水下測量實驗[20]。

國外水下動態(tài)重力測量現(xiàn)在仍處在實驗階段，還未達到商業(yè)化實用水平。1995年加州大學的Mark A Zumberge等在圣迭戈海溝開展了基于二級拖體的水下近海底重力測量實驗，核心部件為L&RS型?？罩亓x，平均入水深度935 m，測量位置接近海底，航速1～2節(jié)，其水下拖體結構如圖1所示。兩個球形壓力箱分別保護電氣系統(tǒng)和傳感器系統(tǒng)，玻璃浮球和復合泡沫材料為拖體提供浮力，上升把手便于母船吊裝，穩(wěn)定尾有利于拖體保持平衡，拖曳索連接處可以自由旋轉，能夠有效減小外部晃動作用在拖體上的干擾加速度。圖2展示了其二級拖體結構，一級拖體安裝有深度計、下探聲吶等設備，便于母船根據(jù)反饋信息收放拖纜，防止重力儀與海底發(fā)生碰撞，此外，它還起到配重作用，可以有效隔離母船的干擾加速度，使重力儀大致處于懸浮狀態(tài)，提供平穩(wěn)的重力測量環(huán)境。

加州大學的實驗探索了新的重力測量模式，但其對重力儀的測速定姿定位并不精確，在重力解算中進行了一系列的近似：一是通過母船位置和拖曳裝置的直角三角形幾何關系估算重力儀的位置并通過聲吶進行修正；二是忽略水平加速度引起的重力測量誤差；三是重力儀的速度由母船的速度和絞車收放線纜的速度計算所得；四是近似認為重力儀的航向與母船航向相同。文獻[5—6,21]將測量結果用于建立簡單的洋底地理特征模型，但由于沒有精確的位置信息，這些測量結果不能進行重力場建?；蚱渌枰_重力數(shù)據(jù)的應用場合。

1995年James R Cochran等將一臺BGM-3航空重力儀安裝在DSV Alvin載人潛航器上，在東太平洋一處海底山附近進行了近海底水下動態(tài)重力測量實驗，單條測線長達8 km，重復測線間的側向偏差控制在20～30 m之內(nèi)，航速為1～2節(jié)，距離海底3～7 m。通過設置重力異常固定參考點，測得同一位置不同航次的內(nèi)符合精度優(yōu)于0.3 mGal，測線上重力異常的分辨率為130～160 m。他們采用3個水聲應答器進行水下導航，導航過程中出現(xiàn)的短暫丟幀采用插值法補齊位置數(shù)據(jù)。與加州大學的工作相比，他們實現(xiàn)了視距范圍內(nèi)測量，可以同步觀測海底地形地貌信息，將重力數(shù)據(jù)與其他地球物理信息進行聯(lián)合研究[8]。在2000年的改進型實驗中，他們?yōu)闈摵狡魈砑恿薉VL輔助導航，將測線上重力異常的分辨率提高到100 m[22]。

日本東京大學的Hiromi Fujimoto等在AUV水下動態(tài)重力測量領域做了大量的工作。2000年，他們將一臺改造的CG-3M重力儀安裝在一艘名為R-ONE Robot的AUV上進行實驗：重力儀被安裝在光學陀螺穩(wěn)定平臺上，溫控系統(tǒng)將溫度保持在60℃，并為其配備了減震系統(tǒng)，更重要的是，AUV配備了INS/DVL組合導航系統(tǒng)，并用水聲定位作為補充，用于進行精確的導航定位和厄特沃斯修正。他們在實驗室進行了水箱實驗，又在港口進行了船載系泊實驗，精度可達1 mGal。由于陀螺性能和系統(tǒng)機械原因，水下航行試驗并未成功。2009年，他們重啟項目，在原來的基礎上進行改進和完善，換用了Micro-G Lacoste公司新式的重力儀L&RS-174，這是從Lacoste?？罩亓x改造而來的版本：量程縮小為原來的1/10，即±20 Gal，去除溫控和磁屏蔽，盡可能減小重力儀體積，然后將重力儀安裝在陀螺穩(wěn)定平臺上，在穩(wěn)定平臺外加溫控和磁屏蔽，光纖陀螺穩(wěn)定平臺通過PID控制器在靜態(tài)條件下能將重力儀垂向精度穩(wěn)定在0.000 4°以內(nèi)，溫控系統(tǒng)將溫度精確地控制在60.4℃，用坡莫合金包裹住重力儀和穩(wěn)定平臺的直流伺服電機，將磁場影響由0.2 mGal降低到0.001 mGal；承壓艙為直徑50 cm的鈦合金球體，最大能夠承受4200 m的水深壓力。AUV對系統(tǒng)進行供電，測量船通過與AUV之間的聲學通信鏈路實現(xiàn)水下系統(tǒng)的控制與監(jiān)測，測量得到的原始數(shù)據(jù)經(jīng)過低通濾波后以100 Hz存儲濾波后結果，AUV水下動態(tài)重力測量示意圖如圖3所示。

2012年，這套系統(tǒng)進行了第一次海試，AUV定速定深進行了兩次重復測線測量實驗，測試結果表明，與之前在此水域進行的水面重力測量結果相比，該系統(tǒng)能夠探測出更精細的由地形起伏所產(chǎn)生的重力變化，重復線精度可達0.1 mGal。在150 s低通濾波、航速2節(jié)的條件下，測線上重力異常分辨率可達75 m。2014年，第二代系統(tǒng)進行了一次海試，下潛一次，在長約8 h的時間里進行了15條測線的調(diào)查，高效地獲得了高質(zhì)量的數(shù)據(jù)[23-29]。

3 國內(nèi)水下重力測量技術進展

早期我國的海洋重力調(diào)查主要設備為自行研制的三腳架、潛水重力鐘等，后來又研制成功遙控重力儀、SG型海底重力儀等設備，主要勘探區(qū)域為近海淺灘[11]。1958—1961年，由中原和廣東物探大隊等單位將陸地重力儀改裝為海底重力儀，在南海沿海進行了小范圍重力測量。1965年石油部組成海洋地質(zhì)調(diào)查一大隊，使用西安石油地質(zhì)儀器廠以金屬彈簧重力儀改裝的海底重力儀，在渤海海域進行了1∶20萬的海底重力測量，并據(jù)重力資料進行了含油構造的解釋與研究[30]。1981年，為了探討渤?；捉Y構特征，中科院海洋研究所調(diào)查船“海燕號”用КДГ-Ⅱ型海底石英重力儀和國產(chǎn)ZH641型金屬彈簧重力儀在渤海進行了聯(lián)合觀測[31]。1995年，地質(zhì)礦產(chǎn)部物化探研究所采用引進和自主開發(fā)相結合的方法，開發(fā)研制出我國首批用于淺海高精度重力測量的設備，用于環(huán)渤海各油田淺海高精度重力測量中，取得了豐富的信息，對這些地區(qū)的油氣進一步開發(fā)提供了重要依據(jù)[32]。此外，國內(nèi)還有很多其他從事水下重力測量研究的單位，中國地質(zhì)科學院地球物理地球化學勘查研究所的盧景奇工程師曾撰文介紹其多年從事海底重力測量工作時從大量海上作業(yè)摸索總結出來的經(jīng)驗，并在淺海重力測量中得到了有效的應用[33]。到目前為止，我國所開展的都是水下靜態(tài)重力測量實驗，且基本都在淺海海域，尚未進行水下動態(tài)重力測量實驗。但已開始相關的理論研究，分別對AUV方案和ROV方案展開了論證分析，為下一步的樣機研制積累了一定的基礎。

4 結 語

水下動態(tài)重力測量與靜態(tài)重力測量相比難度更大，需要解決一系列技術問題：①高精度重力傳感器是重力儀的核心部件，發(fā)展低漂移、高精度的重力傳感器才能進一步提高水下動態(tài)重力測量精度；②水下無法接收GPS信號，需要設計新的多傳感器數(shù)據(jù)融合方案完成重力儀的水下定位和載體的運動加速度測量；③多傳感器數(shù)據(jù)融合需要數(shù)據(jù)同步的時間基準，船載和航空重力測量是依靠GPS秒脈沖信號進行數(shù)據(jù)對齊的，水下動態(tài)重力測量需要另行尋找可靠的時間基準對來自多源傳感器的數(shù)據(jù)進行有效融合；④深海環(huán)境復雜，重力儀入水要進行一系列水下適應性改進，需要設計專門的水下承壓艙，密封保護重力儀內(nèi)部精密電子器件，防止海水侵蝕和水壓破壞，還要解決設備的供電問題和水面水下通信問題；⑤為提高比力測量精度，慣導力學編排方程中的重力項應進行重力異常補償，最好的方法是利用解算出的重力異常進行實時補償，因此，應該提高重力解算速度，發(fā)展實時重力測量和重力異常補償技術。

目前，國內(nèi)水下動態(tài)重力測量技術理論研究已取得可喜進展，后續(xù)工作的重點是：①加快水下動態(tài)重力測量儀原理樣機研制，并通過海試實驗探索重力儀與ROV、AUV等水下運動載體結合的多種水下動態(tài)重力測量模式，為后續(xù)提高水下動態(tài)重力測量儀精度提供實驗參考；②實現(xiàn)水下動態(tài)重力測量儀的定型和批量生產(chǎn)，盡快盡多地開展大面積水下重力測量，獲得重力場數(shù)據(jù)，建立地球水下重力場模型。