黃 鶴，胡平華，苗成義，陳曉華，詹雙豪

（北京自動(dòng)化控制設(shè)備研究所，北京100074）

重力測(cè)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(dòng)化控制設(shè)備研究所，北京100074）

以加速度計(jì)為代表的慣性器件技術(shù)和以慣性穩(wěn)定平臺(tái)為代表的慣性系統(tǒng)技術(shù)，極大地推動(dòng)了重力儀和重力梯度儀的發(fā)展。重力測(cè)量技術(shù)的不斷進(jìn)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(cè)量?jī)x器研制作為一項(xiàng)長(zhǎng)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(jìn)度，并注重產(chǎn)品小型化和輕量化設(shè)計(jì)，推進(jìn)重力/重力梯度測(cè)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(jìn)慣性技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展。

加速度計(jì)；慣性平臺(tái)；重力儀；重力梯度儀；慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

0 引言

地球重力場(chǎng)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(cè)量等領(lǐng)域具有十分重要的作用。由于重力場(chǎng)的變化非常細(xì)微，且受到很多因素的影響，因此對(duì)于重力儀和重力梯度儀等測(cè)量?jī)x器的要求非常高，目前僅有少數(shù)國家能夠掌握其設(shè)計(jì)制造技術(shù)。慣性技術(shù)作為一項(xiàng)涉及多學(xué)科且應(yīng)用廣泛的專業(yè)技術(shù)，其多項(xiàng)基礎(chǔ)技術(shù)的應(yīng)用對(duì)于重力測(cè)量?jī)x器的發(fā)展起到了重要的推動(dòng)作用。而重力測(cè)量技術(shù)的不斷進(jìn)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(jìn)一步發(fā)展帶來新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

1 慣性技術(shù)對(duì)于重力測(cè)量?jī)x器發(fā)展的推動(dòng)作用

1.1 慣性技術(shù)對(duì)重力儀發(fā)展的推動(dòng)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(jī)載的移動(dòng)平臺(tái)重力儀。研制移動(dòng)平臺(tái)重力儀的最直接方法就是對(duì)以零長(zhǎng)彈簧為傳感器的陸用相對(duì)重力儀進(jìn)行改進(jìn)研制，采用的主要技術(shù)措施除了改進(jìn)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(tái)隔離載體運(yùn)動(dòng)的影響。最初的移動(dòng)平臺(tái)重力儀采用兩軸阻尼穩(wěn)定平臺(tái)，平臺(tái)上加速度計(jì)和陀螺的輸出信息通過兩軸反饋回路使平臺(tái)保持水平，顯著削弱了水平加速度對(duì)測(cè)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(jì)為核心的穩(wěn)定平臺(tái)，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(jī)航速比船只快很多，各種擾動(dòng)加速度的影響就比海上測(cè)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(jì)校正的問題后，平臺(tái)的穩(wěn)定性成為航空重力測(cè)量系統(tǒng)的精度和分辨率進(jìn)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(duì)重力敏感器輸出結(jié)果的影響，因此國際上進(jìn)一步采用三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)，研制了新型的、精度更高的航空重力儀。與平臺(tái)慣導(dǎo)系統(tǒng)類似，這種重力儀穩(wěn)定平臺(tái)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(duì)于垂向加速度計(jì)測(cè)量結(jié)果的影響。這類產(chǎn)品是目前得到實(shí)際使用的航空重力儀中技術(shù)最先進(jìn)、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(cè)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(jī)），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(jī)）的水平。

AIRGrav除了采用三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)外，還有一個(gè)顯著特點(diǎn)是其重力敏感器沒有采用傳統(tǒng)的彈簧機(jī)構(gòu)，而是使用了霍尼韋爾的石英撓性加速度計(jì)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(jí)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(zhǎng)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(yùn)動(dòng)干擾，同時(shí)體積和重量偏大，一定程度上制約了其在運(yùn)動(dòng)載體上的應(yīng)用。采用加速度計(jì)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(jì)技術(shù)為基礎(chǔ)，開展了數(shù)學(xué)平臺(tái)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(shí)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(jī)構(gòu)于2000年組織的航空重力測(cè)量飛行試驗(yàn)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(jì)技術(shù)、平臺(tái)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(cè)量?jī)x器中的應(yīng)用，不僅提高了對(duì)重力擾動(dòng)的垂直分量的測(cè)量精度和效率，而且還可以測(cè)量重力擾動(dòng)的水平分量，從而為將重力儀從傳統(tǒng)的重力標(biāo)量測(cè)量?jī)x器發(fā)展到重力矢量測(cè)量?jī)x器提供了技術(shù)基礎(chǔ)。目前國外光學(xué)捷聯(lián)重力儀對(duì)重力擾動(dòng)水平分量測(cè)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(cè)量重力擾動(dòng)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(duì)重力梯度儀發(fā)展的推動(dòng)作用

重力梯度儀主要用于測(cè)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(dòng)態(tài)重力梯度儀，產(chǎn)生了休斯敦航天飛機(jī)、Draper實(shí)驗(yàn)室和貝爾宇航Textron（現(xiàn)屬于洛克希德-馬丁公司）三家機(jī)構(gòu)的三種梯度儀進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)的“決賽”計(jì)劃?！皼Q賽”的勝利者是貝爾的旋轉(zhuǎn)加速度計(jì)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(tái)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(xiàng)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(shí)際使用的航空重力梯度儀。促成此項(xiàng)重力梯度儀研發(fā)計(jì)劃的主要?jiǎng)恿υ谟诳朔T導(dǎo)自身缺點(diǎn)、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(cè)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(jì)重力梯度儀之后第二種獲得實(shí)用的動(dòng)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(chǎng)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(gè)方向，一是進(jìn)一步提高旋轉(zhuǎn)加速度計(jì)重力梯度儀的精度，滿足近期對(duì)于重力梯度測(cè)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(jì)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(gè)關(guān)鍵的問題：穩(wěn)定平臺(tái)性能和加速度計(jì)精度。這兩個(gè)是慣性技術(shù)研究面臨的基礎(chǔ)問題。慣性技術(shù)對(duì)此兩方面開展的大量研究和實(shí)踐，對(duì)于重力梯度儀的研制發(fā)揮了很好的支撐和推動(dòng)作用。

從原理上講，重力梯度測(cè)量相較于重力測(cè)量具有抗載體運(yùn)動(dòng)干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，但是重力梯度測(cè)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(tái)仍然是非常重要的。旋轉(zhuǎn)加速度計(jì)重力梯度儀方案需要高精度穩(wěn)定平臺(tái)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(cè)量系統(tǒng)采用了三框架的當(dāng)?shù)刂副彼椒€(wěn)定平臺(tái)，為安裝在其上的三套重力梯度敏感器提供良好的測(cè)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(tái)研制問題。美國Sandia國家重點(diǎn)試驗(yàn)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(tái)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?yàn)榉€(wěn)定平臺(tái)性能沒能達(dá)到預(yù)期要求而延遲了研制進(jìn)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(tái)作為支撐。美國斯坦福大學(xué)、美國JPL實(shí)驗(yàn)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(tái)以隔離外界干擾對(duì)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(tái)技術(shù)，對(duì)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(jì)對(duì)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(jìn)加速度計(jì)性能和研制新型加速度計(jì)一直是推動(dòng)重力梯度儀發(fā)展的主要方式。貝爾旋轉(zhuǎn)加速度計(jì)式重力梯度儀采用ModelⅦ力平衡式加速度計(jì)。歐空局GOCE衛(wèi)星的靜電重力梯度儀上安裝了三組對(duì)稱安裝的伺服控制靜電加速度計(jì)，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(diǎn)，美國、英國、澳大利亞、意大利等國均有機(jī)構(gòu)致力于該項(xiàng)技術(shù)研究，這種重力梯度儀的核心為超導(dǎo)加速度計(jì)。超導(dǎo)航空重力儀已經(jīng)有了重大突破，ARKeX公司設(shè)計(jì)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(jì)實(shí)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(cè)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(jì)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(cè)量技術(shù)的提升對(duì)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(duì)重力測(cè)量?jī)x器發(fā)展起到了強(qiáng)有力的推動(dòng)作用，而重力測(cè)量技術(shù)的提升反過來又對(duì)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(cè)量技術(shù)的提升對(duì)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(chǎng)誤差對(duì)于慣性導(dǎo)航精度的影響顯得越來越顯著，因此進(jìn)一步提高慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的精度將主要取決于重力場(chǎng)模型精度及重力場(chǎng)補(bǔ)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(chǎng)數(shù)據(jù)可以提高慣導(dǎo)系統(tǒng)重力加速度的補(bǔ)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(shí)際上由于重力異常的存在，將會(huì)給系統(tǒng)水平方向帶來10-5g量級(jí)的等效慣性加速度誤差，其影響對(duì)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(dòng)可引起遠(yuǎn)程導(dǎo)彈的落點(diǎn)偏差最大達(dá)到2km，中程導(dǎo)彈的落點(diǎn)偏差最大可達(dá)1km。如果用高精度的地球重力場(chǎng)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(bǔ)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(chǎng)模型，美國空軍試驗(yàn)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(dòng)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(chǎng)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(duì)制導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，其中就需要精確的重力場(chǎng)數(shù)據(jù)。為了提高武器制導(dǎo)系統(tǒng)的精度，通常要對(duì)慣導(dǎo)系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，如加速度計(jì)零偏和標(biāo)度因數(shù)等，進(jìn)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(duì)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(duì)準(zhǔn)到要求的導(dǎo)航坐標(biāo)系中。

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

重力匹配導(dǎo)航通過重力測(cè)量?jī)x器實(shí)時(shí)測(cè)量重力特征數(shù)據(jù)，同時(shí)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(shí)現(xiàn)長(zhǎng)航時(shí)高精度自主導(dǎo)航。利用重力測(cè)量?jī)x器實(shí)時(shí)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(gè)主要問題，其中前兩項(xiàng)都與重力測(cè)量技術(shù)密切相關(guān)。

2.2 重力測(cè)量?jī)x器研制對(duì)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(duì)于采用的相關(guān)技術(shù)提出了更高的要求，從而對(duì)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(jì)技術(shù)

目前加速度計(jì)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(jí)石英撓性加速度計(jì)達(dá)到了優(yōu)于10-6g的水平，從而滿足重力測(cè)量的需求。

對(duì)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(cè)相距10cm兩點(diǎn)間10-11g量級(jí)的加速度，對(duì)加速度計(jì)的性能要求非常高。此外，旋轉(zhuǎn)加速度計(jì)重力梯度儀采用的力平衡加速度計(jì)需要進(jìn)一步減小熱噪聲和二階誤差系數(shù)，還需要進(jìn)一步減小體積和重量。超導(dǎo)加速度計(jì)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(duì)零度的低溫下工作，因此實(shí)際使用時(shí)需要研究先進(jìn)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(shí)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(tái)技術(shù)

陀螺穩(wěn)定平臺(tái)技術(shù)的采用，在歷史上為動(dòng)態(tài)重力測(cè)量?jī)x器的研制成功起到了重要的促進(jìn)作用。而對(duì)于重力梯度儀，穩(wěn)定平臺(tái)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(tái)技術(shù)。穩(wěn)定平臺(tái)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(cè)量環(huán)境，因此對(duì)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(dòng)、電磁等各種環(huán)境因素。

值得注意的是，由于載體運(yùn)動(dòng)使得平臺(tái)框架轉(zhuǎn)動(dòng)，從而導(dǎo)致慣性器件周邊溫度、振動(dòng)、電磁等環(huán)境發(fā)生變化，進(jìn)而通過器件本身的溫度敏感特性、振動(dòng)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(tái)慣導(dǎo)中是很重要的一個(gè)誤差源，對(duì)于精度要求更高的重力測(cè)量?jī)x器而言，這種影響可能會(huì)更顯著，因此必須結(jié)合重力測(cè)量敏感器和系統(tǒng)的特點(diǎn)，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(shí)從軟件上能夠予以更高精度的標(biāo)定和補(bǔ)償。

（3）標(biāo)定測(cè)試技術(shù)

重力儀和重力梯度儀對(duì)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(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試和評(píng)價(jià)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(duì)其性能造成嚴(yán)重的影響，因此需要針對(duì)平臺(tái)安裝定位誤差、加速度計(jì)安裝誤差、加速度計(jì)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(cè)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(jí)標(biāo)定測(cè)試方法，以便產(chǎn)品裝配完成后進(jìn)行有效補(bǔ)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(cè)量消除影響較大的一次通電趨勢(shì)項(xiàng)，可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的性能。但是重力測(cè)量?jī)x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(jī)載或艦載晃動(dòng)基座下完成高精度的自標(biāo)定和自對(duì)準(zhǔn)也是一項(xiàng)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(duì)國際上重力測(cè)量?jī)x器的發(fā)展趨勢(shì)，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(duì)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(cè)量?jī)x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(shí)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(tái)＋導(dǎo)航級(jí)加速度計(jì)重力敏感器”的方案是比較理想的選擇。同時(shí)，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(diǎn)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(jì)方案為突破口，深入開展實(shí)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(yàn)。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(qiáng)技術(shù)跟蹤以及對(duì)國內(nèi)相關(guān)基礎(chǔ)器件研制的技術(shù)牽引，特別要加強(qiáng)對(duì)于國內(nèi)原子干涉型慣性器件研制的牽引。

2）重力測(cè)量?jī)x器研制應(yīng)注重小型化和輕量化。

航空重力是實(shí)現(xiàn)全球重力測(cè)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(jī)代替有人飛機(jī)進(jìn)行重力測(cè)量將是一種趨勢(shì)。同時(shí)，為了進(jìn)一步提高經(jīng)濟(jì)性，未來重力測(cè)量、地磁測(cè)量等地球信息測(cè)量將實(shí)現(xiàn)同步進(jìn)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(shì)，重力測(cè)量?jī)x器的研制必須重視小型化和輕量化。

3）推進(jìn)重力/重力梯度測(cè)量技術(shù)協(xié)同發(fā)展。

重力梯度異常能夠反映場(chǎng)源體的細(xì)節(jié)，即具有比重力測(cè)量更高的分辨率，因此重力梯度測(cè)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(cè)量。重力梯度儀一般用于大比例尺的重力測(cè)量，能夠給出地球重力場(chǎng)優(yōu)良的高頻信息，而重力儀可用于小比例尺的重力測(cè)量，因此能提供地球重力場(chǎng)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(bǔ)充的，不僅在地球重力場(chǎng)調(diào)查如此，在重力輔助導(dǎo)航需要實(shí)時(shí)測(cè)量的場(chǎng)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(cè)量模塊就包含了一個(gè)重力儀和三個(gè)重力梯度儀，前者測(cè)量實(shí)際重力偏離正常重力的大小，后者測(cè)量重力在三維空間變化的速率。因此，國內(nèi)進(jìn)行重力測(cè)量?jī)x器研制時(shí)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。

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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(tuán)重大自主創(chuàng)新項(xiàng)目（2012-J-4）

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