航空重力仪器、技术发展现状及趋势.pdfVIP

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:①运动状态下,

在空中如何稳定传感器的指向?②如何分离引力加速度和惯性加速度?为此,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①,第一、第三分系统用于解决问题②。

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UCosetRombe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重力场探测，分辨率和精度分别为６～10kｍ、２～10ｍＧ

ａｌ；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６～10ｋｍ、２～６ｍＧａｌ。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ＧＰＳ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。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。

１）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