三型海洋重力儀轉向數(shù)據(jù)特征分析

通過對三型四套海洋重力儀同船實測轉向數(shù)據(jù)的分析，認為GT-2M型海洋重力儀通過巧妙的平臺設計可以實現(xiàn)物理跟蹤當?shù)胤轿坏墓δ埽瑥亩鴺O大地減小了厄特渥斯改正中因航向引起的誤差。其小幅轉向數(shù)據(jù)無需特殊處理即可使用，大幅轉向數(shù)據(jù)在經(jīng)過處理后能最大程度地得以保留，尤其是其工作原理使得該型海洋重力儀在換線后能以極快的速度穩(wěn)定下來進入測量狀態(tài)。綜合來看，GT-2M海洋重力儀的轉向性能較為優(yōu)越。

在海洋重力測量中，厄特渥斯（E?tv?s）改正誤差一直是影響測量精度的主要誤差源（張濤等，2005）。由厄特渥斯改正公式可知，厄特渥斯效應的大小主要與測量航跡線的航向和航速有關；因此，在測量平臺的定位精度不變的情況下，通過各種校正計算方法可在一定程度上提高厄特渥斯效應改正精度，事實上國內許多研究人員也都是專注于這一方面（張立華等，2002；張濤等，2005；于波等，2007）。那么，除了數(shù)據(jù)處理還有沒有其它途徑可以進一步改善厄特渥斯效應的改正效果呢？

從海洋重力儀的設計原理來看，當今世界普遍使用的船載海洋重力儀主要分為三大類：第一類是全球應用最廣泛的美國產(chǎn)L&R型海洋重力儀及其衍生系列，第二類是德國產(chǎn)的KSS31（M）型海洋重力儀，第三類是近十年來異軍突起的俄羅斯產(chǎn)GT系列海洋重力儀。L&R型海洋重力儀及其衍生系列，比如ZLS型海洋重力儀以及DGS型海洋重力儀，其工作原理基本一致，均使用零長彈簧，屬于擺桿型；KSS31（M）型海洋重力儀采用直立彈簧，屬于軸對稱型，它不受水平加速度的影響，從根本上消除了CC效應誤差，可在較惡劣的海況下工作（寧津生等，2014）；GT系列海洋重力儀也屬于直立型，與前兩類海洋重力儀相比，雖然都采用的是物理平臺，但其獨特的設計使得重力儀不僅能物理跟蹤當?shù)厮?，還能物理跟蹤當?shù)胤轿唬ǔ蟮龋?014），屬于三軸慣導平臺。這種三軸慣導平臺固定指北，因而在設計上就已經(jīng)極大地減小了厄特渥斯效應中因航向引起的誤差，比前兩類具有更高的測量精度和分辨率。

目前國內海洋重力測量和研究機構擁有的重力儀基本是前兩類海洋重力儀，而廣州海洋地質調查局不僅擁有屬于第一類的LaCoste S-II型及ZLS型海洋重力儀以及屬于第二類的KSS31和KSS31M型海洋重力儀，更于2013年引進了兩套GT-2M型海洋重力儀。利用這兩套GT-2M型海洋重力儀驗收的機會，廣州海洋地質調查局于2015年3月在“探寶號”船上精心組織了一次三型四套海洋重力儀的同船對比試驗，航次編號：TB201502，以更好地了解各型海洋重力儀的性能及特點。雖然國內外已有不同類型海洋重力儀的對比試驗（Peter Kovrizhnykh等，2011；張振波等，2015），但像這樣規(guī)模的比測試驗尚屬首次。本文將通過對GT-2M海洋重力儀的技術特點介紹、各型海洋重力儀轉向數(shù)據(jù)的對比分析，重點討論各型海洋重力儀在轉向過程中的技術特點及其數(shù)據(jù)特征。

設備介紹

同船測試的四套海洋重力儀分別為：于2002年引進的KSS31M海洋重力儀（SN：035）1套，于2011年引進的ZLS海洋重力儀（SN：D011）1套及新引進的GT-2M海洋重力儀（SN：032和033）2套。其中，KSS31M海洋重力儀是直立彈簧型，ZLS海洋重力儀屬于擺桿型。前人已有許多文獻介紹過直立彈簧型和擺桿型的工作原理（LACOSTE，1967；曾華霖，2005；陳邦彥等，1998），本文將主要介紹的是GT-2M海洋重力儀的工作原理。

GT-2M海洋重力儀主要組成部分為重力傳感器和陀螺穩(wěn)定平臺、旋轉平臺、減震座、電源及CDU（控制及顯示單元），可直接接入船載GPS，系統(tǒng)整體效果圖如圖1所示。

GT-2M海洋重力儀采用直線型工作原理（如圖2所示）：即用兩個金屬彈簧左右拉住，保證用特殊材料制作的金屬棒直立，測量質塊沿金屬棒在一定范圍內上下滑動。在線圈中預先設定一個穩(wěn)定電流用來補償質塊本身的重量，電流公式如下：I=mg0 ，其中：I：穩(wěn)定電流， m：質塊質量，g0：重力常數(shù)。重力大小改變引起測量質塊發(fā)生位移，一個LED光學傳感器測得這個位移量后將其轉為電流，然后通過測量/補償線圈提供一個補償電流，使得質塊回到原始狀態(tài)（平衡位置），根據(jù)補償電流的大小可以計算出相對重力值。

GT-2M海洋重力儀是在GT-1A航空重力儀基礎上研發(fā)出來的，與其他類型的重力儀相比，其平臺技術相對要優(yōu)越些，縱傾橫搖角度均高達±45°，且動態(tài)測量范圍高達±1g，可在惡劣海況下正常采集數(shù)據(jù)。

圖1　GT-2M海洋重力儀

圖2　GT-2M海洋重力儀傳感器工作原理示意圖

數(shù)據(jù)采集

在TB201502航次中，除KSS31M海洋重力儀原本就固定安裝在儀器房偏左的位置外，兩套GT-2M海洋重力儀與ZLS海洋重力儀以縱向排列的方式全部安裝在儀器房的船舶中心線附近。本航次共采集了16條測線，包括4條以往的重復測量測線以及L3線三個往返6條重復測線，實際測線分布見圖3。

在TB201502航次中出港前和進港后，按海洋地質調查規(guī)范進行了重力基點的比對工作，探寶號船上的四套重力儀工作正常。除L3線其中一個往返重復測線分別采用8節(jié)、10節(jié)的航速外，其余測線均以6節(jié)的航速做勻速直線測量以盡量減小對比誤差。因工區(qū)靠近珠江口，實際作業(yè)時難以避免漁業(yè)活動的影響，線上避漁船漁標等情況時有發(fā)生。但正因為如此，我們的采集數(shù)據(jù)除了有換線轉向的數(shù)據(jù)，還有線上的轉向數(shù)據(jù)可供分析。避讓障礙物時，轉向幅度有大有小，本文將分別予以分析從而希望獲得三型重力儀比較全面的轉向性能對比。

圖3　實際測線分布圖

數(shù)據(jù)分析

因GT-2M海洋重力儀輸出的原始讀數(shù)為經(jīng)過厄特渥斯改正和正常場（Helmert公式）改正后的結果，而KSS31M和ZLS海洋重力儀提供的原始讀數(shù)是未經(jīng)任何改正的數(shù)據(jù)，因此，為了便于對比分析，在對各型重力儀實測數(shù)據(jù)進行處理時專門針對GT-2M海洋重力儀采取了相應的處理措施。具體處理方法如下：

首先由原始數(shù)據(jù)中提取相關項，對不同儀器采用不同延遲時間進行滯后校正（兩套GT-2M海洋重力儀采用150s濾波檔，KSS31M海洋重力儀及ZLS海洋重力儀的濾波延遲時間分別為76s、300s），并采用300s時間窗口對點位數(shù)據(jù)進行圓滑處理；按野外記錄進行基點高程改正并做零點漂移改正；對KSS31M和ZLS海洋重力儀數(shù)據(jù)全部測線采用即時航向、航速作厄特渥斯校正，并依1985正常重力場公式進行正常場改正；GT-2M海洋重力儀數(shù)據(jù)不做厄特渥斯改正，根據(jù)Helmert公式反算出正常場改正值并進行反向改正后，重新依1985正常重力場公式進行正常場改正；因三種儀器原始數(shù)據(jù)抖動程度不一，故使用不同長度窗口進行平滑處理，GT-2M海洋重力儀采用3000m窗口，KSS-31M海洋重力儀和ZLS海洋重力儀采用5000m窗口，最后得到自由空間重力異常（張向宇等，2015）。

線上轉向

D2測線作業(yè)時，因漁船干擾作業(yè)，在線上有兩次避船轉向，第一次是小幅轉向，約2min之內偏線70m，第二次是大幅轉向，5min偏線378m。對這兩次轉向的數(shù)據(jù)分別進行分析，結果見圖4，左圖為小幅轉向的自由空間重力異常，右圖為大幅轉向的自由空間重力異常。

從圖4左圖可以看出，小幅轉向時KSS31M重力儀的異常幅值高達100mGal，ZLS重力儀也有40mGal左右的變化，而兩套GT-2M重力儀的異常幅值僅為約10mGal左右，明顯比前兩者平緩穩(wěn)定得多。從圖4右圖也可以看出，大轉時KSS31M重力儀的異常幅值高達200mGal左右，ZLS重力儀也達100mGal左右，而兩套GT-2M重力儀的異常曲線還是較為平緩，幾乎看不出大的擾動。

綜合來看，線上避障礙時KSS31M海洋重力儀與ZLS海洋重力儀的轉向數(shù)據(jù)因厄特渥斯改正效果不佳必須進一步處理后再判斷能否保留，否則應予以刪除以保證數(shù)據(jù)質量，而對于GT-2M海洋重力儀來說，只要航速相對穩(wěn)定，那么其轉向數(shù)據(jù)無需特殊處理即可使用，可以全部予以保留。

圖4?。ㄗ螅┚€上小幅轉向重力異常對比圖（右）線上大幅轉向重力異常對比圖

圖5　D1下線拐彎到D2上線前自由空間重力異常對比圖

換線轉向

海試過程中，D1測線作業(yè)時海況較好，而D2測線作業(yè)時海況轉差，且是旁風旁浪，故截取D1測線下線到D2測線上線前這一段數(shù)據(jù)進行分析更能發(fā)現(xiàn)重力儀轉向性能差異，其對比結果見圖5。

從圖5可以看出，換線轉彎時四套重力儀的異常曲線變化趨勢是一致的，但KSS31M重力儀和ZLS重力儀的異常曲線波動較大，像KSS31M海洋重力儀的局部振幅就高達150mGal左右，而兩套GT-2M海洋重力儀的異常曲線可以說是非常平穩(wěn)。同時還能看到，雖然KSS31M海洋重力儀的異常振幅偏大，但其穩(wěn)定速度比ZLS海洋重力儀要快，而GT-2M海洋重力儀比KSS31M海洋重力儀的穩(wěn)定速度更快。

這里要注意的是，不管是線上避障礙轉向還是換線轉向，KSS31M海洋重力儀的異常幅值遠大于其它型號海洋重力儀的異常幅值是因為其采用的濾波時間僅為76s，是四套重力儀中最小的，其數(shù)據(jù)抖動度偏大同樣是這個原因引起的。

從L3測線往返測量處理后的自由空間重力異常平剖圖（圖6）可以看出，不同型號重力儀在換線轉向后的技術性能和數(shù)據(jù)特征存在一定差異。

從圖6中可以看到，同臺重力儀多次測量得到的異常曲線形態(tài)都較一致，但在線頭處KSS31M和ZLS重力儀均出現(xiàn)了不同程度的假異常，而兩套GT-2M重力儀得到的異常曲線則較為平滑。這是由于兩臺儀器在換線后還未進入穩(wěn)定狀態(tài)就上線測量導致的，這種假異常數(shù)據(jù)在后處理過程中是需要刪除的。而完全一致的測量情況下，GT-2M重力儀卻沒有這種問題，在換線的情況下可快速穩(wěn)定，不需要對其數(shù)據(jù)進行刪除。KSS31M和ZLS重力儀在測線線尾的假異常也是同樣的原因導致的。事實上，這是因為我們截取的下線時間超過了海洋重力調查規(guī)范中規(guī)定的5min延長下線時間，包括了部分轉向數(shù)據(jù)。線頭和線尾處的數(shù)據(jù)對比充分說明GT-2M海洋重力儀在換線后能迅速穩(wěn)定，且轉向數(shù)據(jù)精度高于KSS31M海洋重力儀和ZLS海洋重力儀。

圖6　L3測線往返測量處理后自由空間重力異常平剖圖

結束語

在以往的海洋重力測量中，當測量船上下測線和規(guī)避艦船時，即會產(chǎn)生無效重力數(shù)據(jù)。對這些無效數(shù)據(jù)段，必須判斷清楚，予以剔除（易啟林等，2004）。而我們通過對三型四套海洋重力儀各種情況下的轉向數(shù)據(jù)分析認為，GT-2M海洋重力儀通過獨特的設計使其在轉向后能使得陀螺平臺快速穩(wěn)定下來，從而極大地減小了因航向引起的厄特渥斯效應，其小幅轉向數(shù)據(jù)無需特殊處理即可使用，大幅轉向數(shù)據(jù)在經(jīng)過處理后能最大程度地得以保留。因此，與其它類型重力儀相比，配備三軸慣導平臺上的重力儀有以下兩個明顯的特點：（1）在轉向過程中降低了因厄特渥斯效應而引起的誤差；（2）當測線交點正好處在航向航速變化的時間段時也能通過處理獲得較合理的自由空間異常數(shù)據(jù)，從而減小交點差，并最終提高整個測網(wǎng)的精度。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.15.029