航空重力仪器、技术发展现状及趋势

1、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

2、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:运动状态下,在空中如何稳定传感器的指向? 如何分离引力加速度和惯性加速度? 为

3、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,第一、第三分系统用于解决问题。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

4、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

5、重力场探测，分辨率和精度分别为10k、10；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10、。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

6、。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。）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著。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

7、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。）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。）在军用卫星高精度定轨

8、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。）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（）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

9、有至关重要的作用。具体应用主要包括以下方面：）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。）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

10、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。）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

11、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

12、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

13、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，因此未得到推广。1984年首次安装了CPI（电容式位置指示器）系统，极大减少了人工干预。1990年采用了SEASYS数字控制系统，SEASYS 1.12软件每10秒记录一次数据。1995年采用的SEASYS 2.0软件以秒间隔记录未滤波数据，SEASYS 2.1改进了弹簧张力绝对编码器，使弹簧张力旋钮速率增加到每分钟600个计数单位。大约同一时期，应特定用户对机上紧凑安装的需求，设计了迷你控制柜。采用工业级单板计算机、紧凑陀螺电源、双

14、力矩马达放大器模块和平板显示器极大地减小了控制柜尺寸。年出厂了型 海空重力仪，其采用与新型机械陀螺兼容的固态光纤陀螺，数字控制系统为 ，允许较高的平台增益以保证较快响应时间和较小的误差。采用铷振荡器提供稳定时间基准，并提供接口，计算实时厄特弗斯改正和实现时间同步。年左右出了交钥匙式型航空重力仪。与型相比，总体上没有多大改进，只是通过四周加固更适合航空应用。其突出特点是随机可提供航空重力数据处理软件。该软件可在野外处理获得测线重力异常和布格异常，以此可快速识别数据质量问题和可能的系统故障，也可及时处置作业过程中产生的问题。年以来，推出了最新的型航空重力仪。它是的升级版本，专为航空应用而设计。与

15、比较，加速度范围增大倍，平台俯仰、横滚范围分别从°、°提高到°、°，静态重复测量精度从 提高至 ，电源功耗从 降至 ，尺寸小了，重量由降至。主要的新特性包括较小较轻的传感器支架，更稳健的新型滑动环技术， 和 重 力 数 据，更大的俯仰、横滚范围，摆杆的全反馈使湍流条件下更稳健，双环路温度控制，温控电路，微处理控制，行李架式电子单元，可锁定支架等。1.2 BGM系列海/空重力仪系列海空重力仪是美国贝尔航空公司生产的。贝尔型重力仪传感器最初为惯性导航系统研制，后与美国海军海洋局等单位签订了海上重力测量协议，经过相关电子线路的改进，将仪器安装在陀螺平台上用以进

16、行海洋重力测量。年以后，该型仪器被美国海军及石油勘探公司所用。到年，该仪器已发展到 型。是在和 的高度成功经验基础上设计的第三代稳定平台重力仪。早期的 证实了利用惯性级加速度计可以显著提高船载重力测量的精度，也证实了廉价稳定平台可以改善常平架系统的性能。 可靠航行作业已达 小时，达小时，证实了第二和第三代系统的成功。贝尔重力仪在高动态环境下可获得精确测量，主要是采用了高精度的贝尔航空型惯性级加速度计。通过重力传感器子系统的不断改进，降低了系统漂移，减少了温控所需的加热器数量，增强了对电源的抗干扰能力。的其它特性包括：系统监视，提供故障自动保护能力，关闭临界回路防止二次故障；自检校回路，可使作业

17、员快速确定主要子系统的状态；模块化设计，可使野外故障件更换快速、简便，无需调整仪器；采用高可靠性的电路和部件。1.3 KSS系列海/空重力仪系列是德国生产的海洋重力仪。年前后，前西德的格拉夫公司采用增加阻尼方式改进了和型陆地重力仪，将其安装在稳定平台上以在船上进行测量。年该公司对重力仪的弹性系统作了刚性强化，增大了阻尼，建立了反馈回路滤波系统，在读数系统中加大了伺服控制装置，将改进后的重力仪命名为型。年，型转户公司后，进行了抗干扰能力、稳定性、连续工作时间、自动化处理等余处改进，命名为。重力传感器及其控制装置、陀螺稳定平台及其附属设备、数据采集系统 等组成的系统称为型海洋重力仪。型海洋重力仪是

18、继型之后推出的一种轴对称型海洋重力仪，它具有精度高、重量轻、抗风浪强、自动化程度高、体积小等优点。是新型的高性能海空重力仪，主要包括安装有重力传感器（ ）的陀螺稳定平台及数据采集和控制系统两部分。特点之一是高精度，采用直线型技术和最高精度的机械结构及软件控制电路，使重力数据不受交叉耦合误差影响，采用转弯操纵程序，使测线转弯后在较短恢复时间内获得最好测量精度；特点之二是易操作和易维护，通过键盘、和互联网连接可自由编程，标准组件更换后无需调整，系统连续自检测并可打印输出状态，破损安全运行在逻辑上避免了破损情况下的系统毁坏；特点之三是，如果能够给系统提供合适的导航数据，可联机预处理厄特弗斯改正、空间

19、改正、布格改正等。2.航空惯性基准重力仪2.1 AirGrav航空重力仪航空重力仪（称为航空惯性基准重力仪）由加拿大物探公司于年研制成功。该仪器的核心是一个舒勒调谐三轴平台惯导系统，其包含三个互相垂直的惯性级加速度计和两个二自由度挠性陀螺，整个惯导系统装在温控箱里。舒勒调谐惯性平台可使垂向加速度计的指向精度在各种飞行状态下控制在角秒以内，因此飞机运动对重力仪的测量精度影响很小。因三轴加速度计具有很宽的动态范围，当飞机垂直运动剧烈时不会饱和，故飞机可按地形做起伏飞行。的优良特性主要有：更好的分辨率和精度（对于固定翼飞机，对于直升机），采样率高达；不要求平飞测量，可在白天飞行条件下作业；可获取高质

20、量重力数据；重量小于，可与其它地球物理仪器（如磁力仪）同时测量，适合于多种飞机平台；飞机拐弯对测量影响不大，拐弯数据事后可用。2.2 GT航空重力仪型航空重力仪是俄罗斯莫斯科重力测量技术公司于年研制成功的组合型标量重力仪，其基本原理与类似，也采用舒勒调谐三轴平台惯导系统，同样对加速度计和相关电子设备采取了温控措施。重力仪由重力传感器（含稳定平台）、电路箱、旋转台、减震器及其它附属设备组成。重力传感器位于中间部位，安放在旋转台上，其上是电路箱。稳定平台由两个陀螺仪和两个水平加速度计组成，另一个陀螺仪进行方位控制，第三个加速度计获取垂向加速度变化。三轴陀螺稳定平台坐标系与坐标系一致，故数据可用于对

21、平台的辅助对准和消减误差，使平台保持水平。旋转台用于保持稳定平台的方位保持不变。减震器是一个圆形装置，采用特殊截止频率消除震动噪声。重力传感器连同电路箱重，体积××；旋转平台体积××；减震器直径，高整个重力仪高约，重约。重力仪的数据采样率为 ，再采样率为，以与双频 数据组合消除飞机垂直加速度和厄特弗斯改正影响。的主要特点包括：测量精度高（ ）；强烈湍流条件下的可靠性能；较高的作业效率；不需要操作员的全自动测量和记录；野外质量控制；功耗低，体积小，结构紧凑坚固等。重力仪目前包括、和三个型号，其中 是海洋重力仪。3.航空重力梯度仪洛克马丁重力梯度仪洛克马丁重

22、力梯度仪最初属于美国国防部设计的保密系统，用于辅助美国海军俄亥俄级三叉戟潜艇的隐蔽导航。年系统解密并用于物探。为获得更低噪声以及较高可靠性，近来对关键信号作了数字化处理，进一步减小了尺寸和重量，使其可用于直升机作业。洛克马丁重力梯度仪已获得商用，主要有两类，一类是全张量重力梯度仪（），可在固定翼飞机或船上使用，其包括三个重力梯度测量仪（），每个由两组对向的加速度计组成；另一类是部分张量重力梯度仪，由八个加速度计组成，可在固定翼飞机或直升机上使用。上述两种航空重力梯度仪的精度约为，空间分辨率约为，由于其均脱胎于美国的军事技术，是美国出口管制产品。四、航空重力测量技术的展望1. 利用航空重力测量技术获取海洋重力场信息的应用价值日趋凸显海洋占地球表面面积超过 70%，海洋重力场是地球重力场的主体，海洋重力场信息在大地测量学、空间科学、海洋学、地球物理学、地球动力学等诸多学科领域都具有重要的应用价值。大地水准面是大地测量定义高程系统的重要参考面，研究确定和不断精化海洋大地水准面一直是测定海洋重力场的主要目的之一; 由于地球重力场与地球内部质量密切相关，因此海洋重力测量可为确定地球内部质量密度分布提供数据支持; 海洋重力异常既可应用于地球动力学板块构造理论研究，又可应用于海底地壳年龄、地球内部质量迁移、板块冰后回跳等多种地球物理现象的解释; 海洋重力测量