重力測量技術(shù)與慣性技術(shù)之間的關(guān)系

黃 鶴，胡平華，苗成義，陳曉華，詹雙豪

（北京自動化控制設(shè)備研究所，北京100074）

重力測量技術(shù)與慣性技術(shù)之間的關(guān)系

黃 鶴，胡平華，苗成義，陳曉華，詹雙豪

（北京自動化控制設(shè)備研究所，北京100074）

以加速度計為代表的慣性器件技術(shù)和以慣性穩(wěn)定平臺為代表的慣性系統(tǒng)技術(shù)，極大地推動了重力儀和重力梯度儀的發(fā)展。重力測量技術(shù)的不斷進步，也有效支撐慣性導(dǎo)航系統(tǒng)性能的不斷提升，并牽引了慣性技術(shù)研究的不斷深入。國內(nèi)慣性技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)將重力測量儀器研制作為一項長期而重要的主題，研制過程中應(yīng)充分發(fā)掘現(xiàn)有技術(shù)潛力加快研制進度，并注重產(chǎn)品小型化和輕量化設(shè)計，推進重力/重力梯度測量技術(shù)協(xié)同發(fā)展，不斷提高技術(shù)水平，拓展產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域，推進慣性技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展。

加速度計；慣性平臺；重力儀；重力梯度儀；慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

0 引言

地球重力場數(shù)據(jù)是國家的重要戰(zhàn)略資源，在國防軍事技術(shù)、空間技術(shù)、資源勘探、地球物理研究以及大地測量等領(lǐng)域具有十分重要的作用。由于重力場的變化非常細(xì)微，且受到很多因素的影響，因此對于重力儀和重力梯度儀等測量儀器的要求非常高，目前僅有少數(shù)國家能夠掌握其設(shè)計制造技術(shù)。慣性技術(shù)作為一項涉及多學(xué)科且應(yīng)用廣泛的專業(yè)技術(shù)，其多項基礎(chǔ)技術(shù)的應(yīng)用對于重力測量儀器的發(fā)展起到了重要的推動作用。而重力測量技術(shù)的不斷進步反過來也支撐和牽引慣性導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展和提升，為慣性技術(shù)的進一步發(fā)展帶來新的機遇與挑戰(zhàn)。

1 慣性技術(shù)對于重力測量儀器發(fā)展的推動作用

1.1 慣性技術(shù)對重力儀發(fā)展的推動作用

陸用重力儀難以滿足大面積地球重力普查工作的需要，不僅速度不能滿足要求，更難以在廣闊的水域和人跡罕至的陸地使用，因此需要船載和機載的移動平臺重力儀。研制移動平臺重力儀的最直接方法就是對以零長彈簧為傳感器的陸用相對重力儀進行改進研制，采用的主要技術(shù)措施除了改進傳感器減小垂直加速度影響以及引入布朗校正、交叉耦合校正和厄缶校正等誤差校正算法外，最重要的就是增加穩(wěn)定平臺隔離載體運動的影響。最初的移動平臺重力儀采用兩軸阻尼穩(wěn)定平臺，平臺上加速度計和陀螺的輸出信息通過兩軸反饋回路使平臺保持水平，顯著削弱了水平加速度對測量結(jié)果的影響。這類產(chǎn)品中得到廣泛使用的以美國生產(chǎn)的LCR系列?？罩亓x和德國生產(chǎn)的KSS系列海洋重力儀為主，精度約為1mGal。其成功的關(guān)鍵主要是采用了陀螺儀和加速度計為核心的穩(wěn)定平臺，這可以說是慣性技術(shù)在重力儀發(fā)展歷程中的第一次重要應(yīng)用。

飛機航速比船只快很多，各種擾動加速度的影響就比海上測量大得多，因此高精度航空重力儀的研制難度比海洋重力儀困難很多。隨著載波相位差分GPS的出現(xiàn)有效解決了垂向加速度計校正的問題后，平臺的穩(wěn)定性成為航空重力測量系統(tǒng)的精度和分辨率進一步提高的主要障礙。由于采用兩軸阻尼穩(wěn)定方式并不能完全消除水平加速度對重力敏感器輸出結(jié)果的影響，因此國際上進一步采用三軸慣性穩(wěn)定平臺，研制了新型的、精度更高的航空重力儀。與平臺慣導(dǎo)系統(tǒng)類似，這種重力儀穩(wěn)定平臺工作在舒拉調(diào)諧狀態(tài)，從理論上能夠完全消除水平加速度對于垂向加速度計測量結(jié)果的影響。這類產(chǎn)品是目前得到實際使用的航空重力儀中技術(shù)最先進、精度最高的。其中最為成功的為加拿大SGL公司的AIRGrav航空慣性基準(zhǔn)重力儀（見圖1）和俄羅斯莫斯科重力測量技術(shù)公司的GT-1A/2A航空重力儀。GT-1A/2A的精度達(dá)到了0.6mGal/2.2～4km（固定翼飛機），而AIRGrav更是達(dá)到了優(yōu)于0.2mGal/2.2～4km和0.2mGal/0.7～1.1km（直升機）的水平。

AIRGrav除了采用三軸慣性穩(wěn)定平臺外，還有一個顯著特點是其重力敏感器沒有采用傳統(tǒng)的彈簧機構(gòu)，而是使用了霍尼韋爾的石英撓性加速度計QA3000，其零偏和標(biāo)度因數(shù)年重復(fù)性分別為40μg和8.0×10-5，屬于導(dǎo)航級慣性器件，通過采用高精密溫控等技術(shù)措施使其能夠滿足精度優(yōu)于1mGal重力儀的使用需求。重力敏感器是重力儀的核心，傳統(tǒng)重力敏感器采用零長彈簧原理，漂移小、精度高，但是工作范圍小，交叉耦合效應(yīng)大，易受外界載體運動干擾，同時體積和重量偏大，一定程度上制約了其在運動載體上的應(yīng)用。采用加速度計作為重力敏感器，則能很好的克服這一系列問題，不僅工作范圍大、交叉耦合誤差小，而且體積小、重量輕，為新一代高精度航空重力儀的發(fā)展創(chuàng)造了更為有利的條件。

隨著慣性技術(shù)的發(fā)展，近十年來國際上以新型光學(xué)陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)和高精度加速度計技術(shù)為基礎(chǔ)，開展了數(shù)學(xué)平臺重力儀的研制。其中具有代表性的是加拿大的SISG系統(tǒng)和德國的SAGS系統(tǒng)，同時俄羅斯也在抓緊研制名為GT-X的捷聯(lián)式航空重力儀系統(tǒng)（見圖2）。在多家研究機構(gòu)于2000年組織的航空重力測量飛行試驗中，SISG的內(nèi)符合精度達(dá)到了1.5mGal、分辨率為2km。

圖1 加拿大SGL公司的AIRGrav重力儀Fig.1 AIRGrav（Airborne Inertially Referenced Gravimeter）manufactured by Sander Geophysics Limited(SGL)of Canada

圖2 俄羅斯GT-X捷聯(lián)式航空重力儀系統(tǒng)Fig.2 GT-X StrapdownAirborne Gravimetry System of Russia

高精度加速度計技術(shù)、平臺慣導(dǎo)技術(shù)和捷聯(lián)慣導(dǎo)技術(shù)等慣性技術(shù)在重力測量儀器中的應(yīng)用，不僅提高了對重力擾動的垂直分量的測量精度和效率，而且還可以測量重力擾動的水平分量，從而為將重力儀從傳統(tǒng)的重力標(biāo)量測量儀器發(fā)展到重力矢量測量儀器提供了技術(shù)基礎(chǔ)。目前國外光學(xué)捷聯(lián)重力儀對重力擾動水平分量測量的精度約為7mGal～8mGal（相當(dāng)于垂線偏差1.5"左右），而AIRGrav重力儀測量重力擾動水平分的精度則具備了優(yōu)于0.5mGal（相當(dāng)于垂線偏差0.1"）的能力。

1.2 慣性技術(shù)對重力梯度儀發(fā)展的推動作用

重力梯度儀主要用于測量重力梯度張量。20世紀(jì)70年代，為了滿足高精度導(dǎo)航和導(dǎo)彈發(fā)射的需要，美國軍方投資數(shù)十億美元研發(fā)動態(tài)重力梯度儀，產(chǎn)生了休斯敦航天飛機、Draper實驗室和貝爾宇航Textron（現(xiàn)屬于洛克希德-馬丁公司）三家機構(gòu)的三種梯度儀進行競爭的“決賽”計劃。“決賽”的勝利者是貝爾的旋轉(zhuǎn)加速度計重力梯度儀。貝爾重力梯度儀最初主要用于輔助美國海軍核潛艇的隱蔽自主導(dǎo)航，1982年完成了第一臺海洋重力梯度儀交付，一度為美國國防秘密。冷戰(zhàn)結(jié)束后，這項軍事技術(shù)得到解密并開始用于地質(zhì)勘探及地球物理研究等領(lǐng)域，并研制成功世界上第一種投入實際使用的航空重力梯度儀。促成此項重力梯度儀研發(fā)計劃的主要動力在于克服慣導(dǎo)自身缺點、提升慣導(dǎo)性能以滿足高精度軍用自主導(dǎo)航需求，因此可以說是慣性技術(shù)發(fā)展的需求牽引了重力梯度測量技術(shù)的復(fù)興。

此后，重力梯度儀取得了較快的發(fā)展，目前正在研制的重力梯度儀多達(dá)20余種。其中，靜電重力梯度儀（見圖3）是繼貝爾旋轉(zhuǎn)加速度計重力梯度儀之后第二種獲得實用的動態(tài)重力梯度儀，應(yīng)用于歐洲宇航局（ESA）2009年發(fā)射的重力場和靜態(tài)洋流探索衛(wèi)星（GOCE）。目前國際上重力梯度儀研究主要集中在三個方向，一是進一步提高旋轉(zhuǎn)加速度計重力梯度儀的精度，滿足近期對于重力梯度測量的應(yīng)用需求；二是研制應(yīng)用超導(dǎo)技術(shù)的重力梯度儀，這一方案極有可能成為下一代重力梯度儀的主方案；三是著眼于未來，研究原子干涉重力梯度儀等采用物理學(xué)前沿技術(shù)的新型重力梯度儀。

圖3 法國ONERA研制的一種靜電加速度計重力梯度儀Fig.3 Akind of Electrostatic SupportAccelerometer Gravity Gradiometer manufactured by ONERAof France

上述重力梯度儀的研制過程中，始終面臨著兩個關(guān)鍵的問題：穩(wěn)定平臺性能和加速度計精度。這兩個是慣性技術(shù)研究面臨的基礎(chǔ)問題。慣性技術(shù)對此兩方面開展的大量研究和實踐，對于重力梯度儀的研制發(fā)揮了很好的支撐和推動作用。

從原理上講，重力梯度測量相較于重力測量具有抗載體運動干擾能力強的特點，但是重力梯度測量的精度要求極高，重力信息必須在1010～1011倍甚至更大的加速度中提取出來，擁有高精度穩(wěn)定平臺仍然是非常重要的。旋轉(zhuǎn)加速度計重力梯度儀方案需要高精度穩(wěn)定平臺隔離外界干擾。美國貝爾宇航公司研制的Air-FTG全張量重力梯度測量系統(tǒng)采用了三框架的當(dāng)?shù)刂副彼椒€(wěn)定平臺，為安裝在其上的三套重力梯度敏感器提供良好的測量環(huán)境。超導(dǎo)重力梯度儀（SGG）同樣也需要解決高性能穩(wěn)定平臺研制問題。美國Sandia國家重點試驗室的地質(zhì)構(gòu)造勘探SGG、Maryland大學(xué)的ModleⅡ-SGG和ModeⅢ-SGG、英國QXford公司的空間SGG在研制過程中均投入了很大的精力以提高穩(wěn)定平臺的性能。而ARKeX公司的EGG勘探型重力梯度儀、加拿大Gedex公司的HD-AGG系統(tǒng)以及必和必拓與西澳大學(xué)合作研制的VK1系統(tǒng)甚至因為穩(wěn)定平臺性能沒能達(dá)到預(yù)期要求而延遲了研制進度。采用物理學(xué)最新前沿技術(shù)的原子干涉型重力梯度儀同樣采用穩(wěn)定平臺作為支撐。美國斯坦福大學(xué)、美國JPL實驗室和西澳大利亞大學(xué)等研制的原子干涉型重力梯度儀均使用了穩(wěn)定平臺以隔離外界干擾對重力梯度儀的影響?？梢娮鳛閼T性基礎(chǔ)技術(shù)之一的穩(wěn)定平臺技術(shù)，對于重力梯度儀的研發(fā)起到了十分重要的支撐作用。

加速度計對于重力梯度儀性能的影響則更為直接，因此利用慣性技術(shù)最新研究成果，不斷改進加速度計性能和研制新型加速度計一直是推動重力梯度儀發(fā)展的主要方式。貝爾旋轉(zhuǎn)加速度計式重力梯度儀采用ModelⅦ力平衡式加速度計。歐空局GOCE衛(wèi)星的靜電重力梯度儀上安裝了三組對稱安裝的伺服控制靜電加速度計，其分辨率達(dá)到2×10-12（m/s2）/Hz1/2。超導(dǎo)重力梯度儀是國際研究熱點，美國、英國、澳大利亞、意大利等國均有機構(gòu)致力于該項技術(shù)研究，這種重力梯度儀的核心為超導(dǎo)加速度計。超導(dǎo)航空重力儀已經(jīng)有了重大突破，ARKeX公司設(shè)計的EGG重力梯度儀和Gedex公司的HD-AGG系統(tǒng)已經(jīng)研制成功，聲明性能優(yōu)于1E/Hz1/2。原子干涉重力梯度儀是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ那把丶夹g(shù)，原子干涉加速度計實質(zhì)上是用原子代替了慣性質(zhì)量，利用相干原子和激光的相互作用精確測量原子的軌跡從而得到加速度。美國AOSense公司研制的原子干涉加速度計分辨率達(dá)到6×10-12g，基于此技術(shù)研制的重力梯度儀（見圖4）在美國核潛艇的水下重力梯度匹配導(dǎo)航中已經(jīng)獲得應(yīng)用。

圖4 美國AOSense公司的原子干涉重力梯度儀結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Configuration of theAtom Interferometric Gravity Gradiometer manufactured byAOSense of USA

2 重力測量技術(shù)的提升對于慣性技術(shù)發(fā)展的支撐和牽引作用

慣性器件和系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用，對重力測量儀器發(fā)展起到了強有力的推動作用，而重力測量技術(shù)的提升反過來又對慣性技術(shù)的發(fā)展起到了重要的支撐和牽引作用。

2.1 重力測量技術(shù)的提升對于高精度慣性導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展的支撐作用

隨著技術(shù)的發(fā)展，慣性器件和系統(tǒng)精度不斷提高，使得重力場誤差對于慣性導(dǎo)航精度的影響顯得越來越顯著，因此進一步提高慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的精度將主要取決于重力場模型精度及重力場補償精度。利用重力信息，可以從三方面支撐慣性導(dǎo)航技術(shù)的提升。

1）高精度的地球重力場數(shù)據(jù)可以提高慣導(dǎo)系統(tǒng)重力加速度的補償精度

慣性系統(tǒng)一般使用正常重力模型解算重力加速度。但實際上由于重力異常的存在，將會給系統(tǒng)水平方向帶來10-5g量級的等效慣性加速度誤差，其影響對于高精度慣性導(dǎo)航是不可忽略的。研究表明，忽略重力擾動可引起遠(yuǎn)程導(dǎo)彈的落點偏差最大達(dá)到2km，中程導(dǎo)彈的落點偏差最大可達(dá)1km。如果用高精度的地球重力場數(shù)據(jù)替代正常重力模型，則可顯著減小由重力加速度模型補償帶來的誤差，提高慣性導(dǎo)航系統(tǒng)精度。遠(yuǎn)程導(dǎo)航需要大范圍高精度地球重力場模型，美國空軍試驗室的研究表明，下一代高精度慣導(dǎo)系統(tǒng)要達(dá)到純慣性5m/h的定位精度，這就要求重力擾動的水平分量精度達(dá)到0.5mGal左右（相當(dāng)于垂向偏差0.1″）。

2）高精度的地球重力場數(shù)據(jù)可以提高慣導(dǎo)系統(tǒng)初始化精度

遠(yuǎn)程武器在使用前，需要對制導(dǎo)系統(tǒng)進行初始化，其中就需要精確的重力場數(shù)據(jù)。為了提高武器制導(dǎo)系統(tǒng)的精度，通常要對慣導(dǎo)系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，如加速度計零偏和標(biāo)度因數(shù)等，進行野外標(biāo)定或者射前自標(biāo)定。為了提高標(biāo)定精度，就需要知道當(dāng)?shù)鼐_的重力加速度信息。此外，遠(yuǎn)程導(dǎo)彈的高精度初始對準(zhǔn)，也必須知道當(dāng)?shù)鼐_的重力垂向偏差，才能使導(dǎo)航系統(tǒng)精確地對準(zhǔn)到要求的導(dǎo)航坐標(biāo)系中。

3）高精度的地球重力場數(shù)據(jù)可以抑制慣導(dǎo)系統(tǒng)誤差隨時間的積累

重力匹配導(dǎo)航通過重力測量儀器實時測量重力特征數(shù)據(jù)，同時根據(jù)慣導(dǎo)位置從事先繪制的重力圖中讀取重力數(shù)據(jù)，利用這兩種數(shù)據(jù)求得載體最佳匹配位置，再據(jù)此信息通過組合導(dǎo)航修正和限定慣性導(dǎo)航誤差，從而實現(xiàn)長航時高精度自主導(dǎo)航。利用重力測量儀器實時獲取重力信息、地球重力圖繪制與調(diào)查、重力信息匹配算法是重力匹配導(dǎo)航需要解決的三個主要問題，其中前兩項都與重力測量技術(shù)密切相關(guān)。

2.2 重力測量儀器研制對于慣性技術(shù)的牽引作用

由于非常精密和復(fù)雜，重力儀和重力梯度儀研制工作的技術(shù)難度很大，因此對于采用的相關(guān)技術(shù)提出了更高的要求，從而對慣性技術(shù)領(lǐng)域起到了有效的牽引作用。

（1）高精度加速度計技術(shù)

目前加速度計的水平滿足重力儀應(yīng)用需求難度不是很大，如加拿大AIRGrav重力儀通過采用優(yōu)于0.01℃高精度溫控等措施，使得QA3000導(dǎo)航級石英撓性加速度計達(dá)到了優(yōu)于10-6g的水平，從而滿足重力測量的需求。

對于重力梯度儀而言，由于需要在重力加速度和載體加速度上探測相距10cm兩點間10-11g量級的加速度，對加速度計的性能要求非常高。此外，旋轉(zhuǎn)加速度計重力梯度儀采用的力平衡加速度計需要進一步減小熱噪聲和二階誤差系數(shù)，還需要進一步減小體積和重量。超導(dǎo)加速度計預(yù)期精度很高，但由于常溫超導(dǎo)技術(shù)尚不成熟，需要在接近絕對零度的低溫下工作，因此實際使用時需要研究先進的制冷設(shè)備，并減小其體積重量。在目前的技術(shù)水平下，原子干涉型重力儀的體積龐大，也制約了其實際應(yīng)用。這些都是與慣性技術(shù)直接相關(guān)的需要研究解決的技術(shù)難題。

（2）穩(wěn)定平臺技術(shù)

陀螺穩(wěn)定平臺技術(shù)的采用，在歷史上為動態(tài)重力測量儀器的研制成功起到了重要的促進作用。而對于重力梯度儀，穩(wěn)定平臺技術(shù)依然非常重要，因此需要繼續(xù)研究提高穩(wěn)定平臺技術(shù)。穩(wěn)定平臺的主要作用是為重力敏感器和重力梯度敏感器提供合適的測量環(huán)境，因此對其要求應(yīng)不僅局限于保證指向精度和穩(wěn)定性，還必須要求控制好內(nèi)部的溫度、振動、電磁等各種環(huán)境因素。

值得注意的是，由于載體運動使得平臺框架轉(zhuǎn)動，從而導(dǎo)致慣性器件周邊溫度、振動、電磁等環(huán)境發(fā)生變化，進而通過器件本身的溫度敏感特性、振動敏感特性、電磁敏感特性等引起其敏感器輸出變化，即產(chǎn)生所謂的殼體效應(yīng)。這種誤差在高精度平臺慣導(dǎo)中是很重要的一個誤差源，對于精度要求更高的重力測量儀器而言，這種影響可能會更顯著，因此必須結(jié)合重力測量敏感器和系統(tǒng)的特點，開展系統(tǒng)深入細(xì)致的研究，在硬件上盡量減小其影響幅值，同時從軟件上能夠予以更高精度的標(biāo)定和補償。

（3）標(biāo)定測試技術(shù)

重力儀和重力梯度儀對于慣性器件和數(shù)據(jù)處理的精度要求遠(yuǎn)高于一般的慣導(dǎo)系統(tǒng)，使用方式也不盡相同，如何對其性能進行測試和評價是需要深入研究的問題。

重力儀和重力梯度儀是非常精密的儀器，任何微小的安裝誤差都可能對其性能造成嚴(yán)重的影響，因此需要針對平臺安裝定位誤差、加速度計安裝誤差、加速度計徑向安裝誤差等各種安裝誤差，從兩方面開展工作以減小其影響：一是研究產(chǎn)品裝配中的標(biāo)定檢測和精確調(diào)整方法，從而盡量減小安裝誤差幅值。二是研究系統(tǒng)級標(biāo)定測試方法，以便產(chǎn)品裝配完成后進行有效補償。

采用自標(biāo)定技術(shù)提高關(guān)鍵解算參數(shù)的準(zhǔn)確性，并通過前校后校測量消除影響較大的一次通電趨勢項，可以進一步提高系統(tǒng)的性能。但是重力測量儀器與慣導(dǎo)系統(tǒng)構(gòu)造有較大區(qū)別，且精度要求更高，如何在機載或艦載晃動基座下完成高精度的自標(biāo)定和自對準(zhǔn)也是一項非常具有挑戰(zhàn)性的工作。

3 未來發(fā)展方向分析及建議

針對國際上重力測量儀器的發(fā)展趨勢，結(jié)合國內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)以及慣性技術(shù)發(fā)展的需求，對于國內(nèi)開展重力儀和重力梯度儀的研制提出以下建議：

1）充分發(fā)掘現(xiàn)有技術(shù)潛力加快重力測量儀器研制。

重力儀方面，國內(nèi)慣性器件和系統(tǒng)技術(shù)水平已可以有效支撐高精度重力儀的研制。綜合考慮預(yù)期精度、產(chǎn)品成本和研發(fā)周期等各方面因素，國內(nèi)若期望在短期內(nèi)獲得工程實用的高性能重力儀，采用類似加拿大AIRGrav重力儀“慣性穩(wěn)定平臺＋導(dǎo)航級加速度計重力敏感器”的方案是比較理想的選擇。同時，由于近年來捷聯(lián)系統(tǒng)的迅速發(fā)展，采用光學(xué)陀螺的捷聯(lián)重力儀也應(yīng)該重點研究。

重力梯度儀方面，國內(nèi)與國外差距很大，以目前的技術(shù)基礎(chǔ)，近期仍應(yīng)以經(jīng)典的旋轉(zhuǎn)加速度計方案為突破口，深入開展實質(zhì)性的研究工作。一方面可以盡快打破國外技術(shù)封鎖，解決國內(nèi)各領(lǐng)域應(yīng)用急需；另一方面為未來研制新一代重力梯度儀積累經(jīng)驗。目前，國外靜電重力梯度儀、超導(dǎo)重力梯度儀、原子干涉重力梯度儀等新型產(chǎn)品已獲得突破，國內(nèi)應(yīng)加強技術(shù)跟蹤以及對國內(nèi)相關(guān)基礎(chǔ)器件研制的技術(shù)牽引，特別要加強對于國內(nèi)原子干涉型慣性器件研制的牽引。

2）重力測量儀器研制應(yīng)注重小型化和輕量化。

航空重力是實現(xiàn)全球重力測量的主要方法，出于降低成本、確保人員安全以及提高效率等方面的考慮，未來采用小型低成本無人機代替有人飛機進行重力測量將是一種趨勢。同時，為了進一步提高經(jīng)濟性，未來重力測量、地磁測量等地球信息測量將實現(xiàn)同步進行，因此需要在本已有限的空間和重量條件下安裝多種儀器設(shè)備。為滿足上述發(fā)展趨勢，重力測量儀器的研制必須重視小型化和輕量化。

3）推進重力/重力梯度測量技術(shù)協(xié)同發(fā)展。

重力梯度異常能夠反映場源體的細(xì)節(jié)，即具有比重力測量更高的分辨率，因此重力梯度測量具有更廣的應(yīng)用前景，但并不意味著就可完全替代重力測量。重力梯度儀一般用于大比例尺的重力測量，能夠給出地球重力場優(yōu)良的高頻信息，而重力儀可用于小比例尺的重力測量，因此能提供地球重力場低頻部分的信息。將二者結(jié)合，再經(jīng)過適當(dāng)?shù)臑V波和集成，就能夠提供精確的廣譜重力描述。重力梯度儀和重力儀的作用是相互補充的，不僅在地球重力場調(diào)查如此，在重力輔助導(dǎo)航需要實時測量的場合也如此。美國潛艇重力輔助導(dǎo)航系統(tǒng)中使用的重力測量模塊就包含了一個重力儀和三個重力梯度儀，前者測量實際重力偏離正常重力的大小，后者測量重力在三維空間變化的速率。因此，國內(nèi)進行重力測量儀器研制時應(yīng)該將重力儀和重力梯度儀的研制工作并重，根據(jù)使用需求統(tǒng)籌好兩者間的相互關(guān)系。

[1]熊盛青，周錫華，郭志宏，周堅鑫等編著.航空重力勘探理論方法及應(yīng)用[M].北京:地質(zhì)出版社，2010.

[2]孫中苗，翟振和，李迎春.航空重力儀發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢[J].地球物理學(xué)進展，2013，28(1).

[3]王靜波，熊盛青，周錫華，郭志宏.航空重力測量系統(tǒng)研究進展[J].物探與化探，2009，33(4).

[4]朱如意，丁祝順，夏剛.航空重力儀/梯度儀慣性穩(wěn)定平臺研制現(xiàn)狀[J].導(dǎo)航與控制，2011，10(2).

[5]涂良成，李祝，伍文杰，王志偉，周澤兵.航空重力與重力梯度測量對慣性穩(wěn)定平臺的需求分析[J].中國慣性技術(shù)學(xué)報，2012，20(1).

[6]盧鑫，練軍想，吳美平.高精度艦載慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的重力影響研究[J].導(dǎo)航與控制，2010，9(4).

[7]趙風(fēng)鳴.重力梯度輔助導(dǎo)航定位技術(shù)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2010.

[8]李姍姍.水下重力輔助慣性導(dǎo)航的理論與方法研究[D].鄭州：解放軍信息工程大學(xué)，2010.

[9]彭富清.海洋重力輔助導(dǎo)航方法及應(yīng)用[D].鄭州：解放軍信息工程大學(xué)，2009.

[10]AA Krasnov,AA Odintsov,I V Semenov.Gyro Stabilization System of a Gravimeter[J].Gyroscopy and Navigation，2010，1(3).

[11]Dave Brown,Lorraine Mause,Brenton Young,Mark Kasevich,Hugh F Rice,P E,Vincent Benischek.Atom Interferometric Gravity Sensor System[C]//.IEEE，2012.

[12]Office of the Under Secretary of Defense,Acquisition, Technology and Logistics.Section16：Positioning,Navigation and Time Technology.Department of Defense De veloping Sciencs&Technologies，January 2006.

Relationship Between Gravimetry Technology and Inertial Technology

HUANG He,HU Ping-hua,MIAO Cheng-yi,CHEN Xiao-hua,ZHAN Shuang-hao
(BeijingAutomatic Control and Equipment Institute,Beijing 100074,China)

The development of gravimeter and gravity gradiometer is promoted by inertial sensor technology represented by accelerometer and inertial systerm technology represented by inertial platform.And the progress of gravimetry technology provides support for the study of inertial technology.Research on gravimetry instrument is one of the most important missions for us,in order to realize the sustained development of inertial technology,we should focus on the latent capacity of the existing technology,the miniaturization and lightweight design for products,coordination of gravimeter and gravity gradiometer.

Accelerometer;Inertial platform;Gravimeter;Gravity gradiometer;Inertial navigation system

U666.1

A

2095-8110（2015）02-0067-06

2014-12-29；

2015-01-20。

航天科工集團重大自主創(chuàng)新項目（2012-J-4）

黃鶴（1978-）高級工程師，碩士，主要從事慣性系統(tǒng)設(shè)計和應(yīng)用方面的研究。E-mail:hh3978@126.com