航空标量重力测量

9.2　航空标量重力测量

航空重力测量技术可分为航空标量重力测量、航空矢量重力测量和航空重力梯度测量。标量重力测量技术较成熟，应用也较广泛；矢量重力测量技术正在进行初步的研究和开发；航空重力梯度测量技术难度大，也在应用。

根据重力传感器定向方法的不同，标量重力测量系统可分为四类：①基于阻尼二轴平台的航空重力仪，以LaCoste ＆Romberg航空/海洋重力仪为代表，这是此前常用的航空重力仪，现在还在使用，我国西安测绘研究所和航天科技集团16所研制成的一套供大地测量用的航空重力测量系统（CHAGS）也采用这种重力仪^［14］；②基于舒勒调谐平台（Schulertuned platform）或惯性平台的航空重力仪，20世纪90年代末研制成功，已有两个型号（AIRGrav、GT1A）投入商业飞行，适用于地质探矿；③捷联式（Strapdown）航空重力测量系统；④加速度计三单元组（triad of accelerometers）。②、③、④都是新型的航空重力测量系统，性能相当好，重量轻，功耗小，价格低，使用方便。

由于差分GPS的应用，为确定飞机的速度与加速度提供有效而廉价的手段，是确定飞机垂直加速度以及E9tv9s效应的关键。GPS技术进步了，航空重力系统的精确度（分辨力）也就提高了。

2001年，有报道说，利用经过改装的LaCoste ＆Romberg重力仪进行航空重力测量，可得到十分之几mgal（submgal）的准确度和大约6km的空间分辨力。航空重力主要应用油气普查中圈定的盆地，用在地面和海上重力测量不能开展的地方。

最常用的重力仪是经过改装的LaCoste ＆Romberg海洋航空重力仪，带有阻尼二轴平台。用这样的航空重力测量系统，在瑞士、格陵兰、北冰洋、南极洲等地区，进行了大面积的重力测量，主要目的是填补卫星重力测量的空白区，提供基础资料，供大地测量、建立地球重力场模型和研究地质构造之用^［15］。

目前，在航空重力测量技术方面，有一项技术创新值得我们注意。这就是将惯性导航系统INS（Inertial Navigation System）固定（strapdown，bolt）在飞机机体上，形成所谓的捷联式惯性导航系统SINS（Strapdown INS，SINS），与GPS结合，构成航空重力测量系统。事实上，惯性导航系统（INS）在20世纪60年代末即用作调查工具，并且人们马上就注意到，INS精确定位的潜力受到异常重力场的限制。反过来看，如果准确知道运动学位置和（或）速度并且系统的误差很小，则可从INS恢复三维异常重力场。正像科学家们常说的一句谚语那样，“在此处是噪声，在彼处是信号”（One guy’s noise is the other guy’s signal）。

一种测量重力的方案是，一方面把INS作为另外一个独立的重力传感器的稳定框架，另一方面把INS本身作为重力传感器使用，而不使用传统的弹簧重力仪。加拿大的AIRGrav（已制造了4套）和俄罗斯的GT1A是这种航空重力测量系统的代表。另一种测量重力的方案是，不用稳定平台，直接将惯性导航INS与差分模式全球定位系统（DGPS）结合在一起，构成一套新型的航空重力测量系统SINS/DGPS。这种系统是由俄罗斯惯性大地测量系统实验室的萨里切夫教授（проф.СалычевО.С.，Лаборатория ИнерциальныхГеодезическихСистем，ЛИГС）和加拿大Calgary大学的Schwarz教授共同领导完成的。加拿大Calgary大学的SINS/DGPS系统和德国地球科学研究中心（GeoForschungs Zentrum，GFZ）的SAGS/DGPS系统是这一新型航空重力测量系统的代表。SAGS是捷联式航空重力仪系统（Strapdown Airborne Gravity meter System，SAGS）的英文缩写，系统的构成与SINS/DGPS相同。以上两种新型的航空重力测量系统性能相当好，重量轻，功耗小，价格低，使用方便。

只测定垂直方向上重力的INS DGPS航空重力仪的最新发展，使航空重力系统的准确度（分辨力）有了很大的提高，因而打开了新的应用领域。现在航空重力测量可以全面用于大、中、小比例尺的地质调查和矿产普查工作中。

关于航空重力测量系统研究和开发的历史和现状，Alexander　Mark　Bruton在他的博士论文中有详尽的阐述^［16］。

9.2.1　GT1A

基于舒勒调谐平台的航空重力仪有GT1A和AIRGrav，应用广泛。20世纪90年代，俄罗斯莫斯科的惯性技术中心（Inertial Technology Center，ITC）与加拿大卡尔加里大学（University of Calgary）和卡尔加里的Canagrav Research Ltd.合作，最先试验了一种惯性平台系统，而且ITC接着开发出航空重力测量系统。ITC的首席科学家萨里切夫教授，现在是莫斯科国立技术大学惯性大地测量系统实验室（Laboratory of Inertial Geodetic Systems，LIGS；Лаворатория Инерц иальных Геодезическх Систем，ЛИГС）主任、加拿大卡尔加里大学空间信息工程系（University of Calgary，Department of Geomatics Engineering）教授^［17］。

俄罗斯的另外两个单位也研究开发了新型的航空重力仪，并投入实际应用。俄罗斯的重力测量技术科技公司（Scientific and Technological Company Gravimetric Technologies）和国立莫斯科大学数学力学系（开发软件）合作研制了惯性平台的航空重力仪GT1A。Gravimetric Technologies从20世纪60年代起就制造海洋重力仪，2000年澳大利亚世界地球科学公司（World Geoscience Ltd.）要求Gravimetric Technologies将他们的重力仪改造成航空重力仪。处理软件是莫斯科大学数学力学系导航实验室主任尼古拉·帕茹什尼可夫教授开发的。帕茹什尼可夫教授（Н.А.Парусников，N.A.Parusnikov）和他的研究小组从20世纪90年代早期就参与了一个研制航空重力仪的项目，命名为GT1A的航空重力测量系统于2001年9月在俄罗斯北部进行试验飞行，由两条100km重复测线数据得到均方根误差为0.53mgals，1995年，时任俄罗斯总统叶里钦授予该公司总工程师斯莫勒尔（СмоллерЮ.Л.）和首席科学家尤里斯特（ЮристС.Ш.）最高科技奖，表彰他们为运动重力测量技术作出的贡献^［18］。

同时，1992年，加拿大山德尔地球物理公司（Sander Geophysics Limited）执行一项设计制造航空重力仪的计划，航空重力仪要适应飞机的动力学环境。经过五年的研究和开发，制成了与GT1A在原理上相同的AIRGrav（Airborne Inertially Referenced Gravimeter），航空惯性参考重力仪系统，于1997年投入商业飞行。现在使用AIRGrav系统可以取代地面重力测量，并且能够获得比传统航空重力测量好得多的结果。

利用惯性稳定平台系统的AIRGrav，用加速度取代LaCoste ＆Romberg重力仪，可较精确地追踪并通过处理消除飞机垂直加速度的作用，因而空气湍流的影响减小，可作起伏飞行，并且可以得到中等和高的空间分辨力，发现0.5～1.5mgal的重力异常，适合于执行地质调查、矿产普查任务。

9.2.1.1　GT1A的结构和性能

GT1A是一台航空GPSINS（全球定位系统惯性系统）标量重力仪，有一个垂直重力传感器，安放在一个舒勒调谐的（Schulertuned）三轴惯性平台中。GT1A由三个基本单元组成，见图92。

图9-2　GT1A航空重力仪^［19］

中间部分是重力仪本身，重50kg，四个侧面的外盖已打开。重力仪主机安放在转动台上，主机之上是电子线路箱，平面上的尺寸是40cm×40cm，高70cm。这3个部件安装在减震器上，减震器是一个圆形装置，有4个主弹簧，8个阻尼器，截止频率为5Hz。减震器直径60cm，高20cm，整个重力仪高92cm。惯性平台（陀螺仪稳定平台）使重力传感器保持垂直，而旋转台则保持平台的方位不变。

图9-3　GT1平台（其中GSE倾斜45°）^［19］

垂直加速度计或重力灵敏元件（Gravity Sensing Element，GSE）具有轴向结构，有一个检验质量悬挂在弹簧上，一个光电位置检拾器和一个活动线圈作用力反馈传感器。GSE悬挂的设计使交叉耦合效应降低到最小，这种效应起源于由飞机运动引起的水平加速度，水平加速度影响重力测量。这种设计使得GT1A可以在水平加速度很大的条件下（如飞机转弯和有强烈湍流时）进行重力测量。CSE带宽为100Hz，安装在陀螺仪稳定的平台上，平台包含一个双轴常平架（图93）。平台上还有两个水平加速度计，一个具有垂直动量矩的动力学调谐陀螺，一个用于控制方位的光纤陀螺（fibre optic gyro，FOG）以及两个重力仪标定装置（gravimeter calibration devices，GCD）。GCD用倾斜的方法标定重力仪，勿需卸开GSE。图上显示GSE倾斜45°，45°是飞机横滚和俯仰的极限角度。

通过光纤陀螺、倾斜仪、角度传感器和双频GPS传来的信号驱动（一些）伺服马达，这些马达使传感器保持在垂直位置。这在实际中用来消除水平加速度对测得的信号的影响。整个重力仪安装在一个旋转台上，使传感器指向同一方向。重力数据以大约18Hz的频率取样，以2Hz的频率二次取样（subsampled），与双频DGPS数据结合起来消除飞机垂直加速度和E9tv9s效应的影响。利用非平稳自适应Kalman滤波器处理重力资料（原始重力数据，飞机垂直速度DGPS相位信息，平台未对准误差），得到最终结果。滤波器长度由客户根据分辨力要求确定。

电子线路箱内有一个微处理器、输入/输出界面、次级电源等。同时在两个动态范围内（测程）进行测量和记录：＋/250gal（0.25g）和＋/500gal（0.50g）。

关于空间分辨力，通过利用不同截止频率的滤波器，可以获得不同的空间分辨力。根据飞机的地速、飞行条件和目标的大小来选择滤波器。滤波器“长度”可为60～110s或更长，当地速为50m/s时，相应的半波长分辨力为1.5km和2.75km。当直升机地速为25km/s时，滤波器“长度”为60～110s，相应的半波长分辨力为0.75km和1.4km。至于准确度，重力异常的均方误差为0.2～0.50mgal。

GT1A的主要特点可归结为：GT1A航空重力仪体现现代化的设计和全自动的操作。智能型的平台控制结合两个动态范围的连续记录使系统能够在强烈湍流条件下获取高质量的数据；GT1A重力仪是全自动的系统，在获取数据时，飞机上不需要操作员，飞机驾驶员看指示灯可了解数据质量；GT1A功耗低（27V，dc×5A），体积小，结构紧凑坚固，可在各种飞行条件下获取高质量的数据，这种重力仪可以满足几乎任何航空测量的要求［19～20］。

9.2.1.2　GT1A的应用

根据有关方面签订的协议，俄罗斯重力测量技术公司（Гравиметрическиетехнологии，Gravimetric Technologies Ltd）制造的GT1A以及海洋重力仪GT1M由加拿大麦克罗（微）重力公司［Canadian Micro Gravity Ltd.，CMG］在世界范围内经营、销售。

福格罗航空调查公司（Fugro Airborne Surveys）在航空重力测量工作中一直采用拉科斯特龙贝格（LaCoste ＆Romberg）重力仪，经过试验之后，该公司决定在商业重力调查中优先采用GT1A。该公司的Adam Wooldridge在南非的Vredefort穹隆（Vredefort Dome）上用GT1A进行飞行试验，与过去用拉科斯特龙贝格重力仪所作的航空重力测量结果以及地面重力测量结果进行对比，另外还进行了重复观测，Adam Wooldridge认为GT1A性能优良^［22］。

麦克法尔地学调查公司（McPHAR Geosurveys Ltd.）表示要在该公司所有的调查工作中使用加拿大麦克罗（微）重力公司提供的GT1A航空重力仪。加拿大麦克罗（微）重力公司（Canadian Micro Gravity，CMG）和贝耳地球空间公司（Bell Geospace）宣布他们将紧密合作。两公司的技术高度互补，Bell Geospace公司的AirFTG提供高空间分辨力的全张量重力梯度数据，而CMG的GT1A则提供区域规模的总场重力数据。

俄罗斯的航空地球物理公司（Аэрогеофизика，Aerogeophysica，简称AGP）拥有5台GT1A，从2005年开始进行大规模的航空重力测量，利用AH26、AH30、AH2飞机以及Ми8直升机完成各种比例尺的测量共计1.2×10⁶测线公里，覆盖面积9×10⁵km²。利用AH2和Ми8进行了1∶5万比例尺的测量。他们改进了GT1A，推出GT2A。2011年AGP（Aerogeophysica）试验了重力测量技术公司（Gravimetric　Technologies）研制的新型GTX航空重力测量系统，GTX安装在AH30飞机上［22～23］。

9.2.2　AIRGrav

AIRGrav系统的核心是一个由三轴回转仪稳定的惯性平台，其中装有三个互相垂直的加速度计，而不用传统的弹簧型重力仪。惯性平台能保证重力仪保持垂直，不论飞机运动状态如何，水平误差在10弧秒（0.0028°）之内。AIRGrav系统控制回路中使用的高精度的陀螺仪，漂移很小，平台用舒勒（Schuler）调谐到84min的周期，因而在加速时不会倾斜。如上所述，AIRGrav使用的重力传感器是一个非常精密的三轴加速度计。它的动态范围很宽，当飞机垂直运动剧烈时，不会饱和（“超格”）。因此允许飞机按地形做起伏飞行，并且可以在类似于高精度航空磁测实际中遇到的湍流情况下进行调查飞行。利用低通滤波器处理重力数据，得到最终结果。滤波器的带宽与重力异常准确度（或噪声水平）和分辨力密切相关，因为信噪比与带宽的平方根成反比。

AIRGrav系统重量小于100kg，可以与其他地球物理仪器（如磁力仪）装在一架飞机上进行调查飞行。AIRGrav系统曾装在双引擎的twin engine Cessna 404BrittenNorman Islanders、单引擎的Cessna 208BGrand Caravans及Eurocopter AS 350直升机上进行探测飞行。这套系统曾在各种地理、气候条件下进行工作。AIRGrav系统的噪声标准偏差为0.2mgal，使用飞机或直升机，空间分辨力分别为2.2～4km或0.7～1.1km。通过加密测线或重复飞行的方法，可进一步提高准确度和空间分辨力。据山德尔地球物理公司一位负责人说，使用AIRGrav系统作为航空重力测量的费用为40～60美元/测线公里，2004年该公司已制造出四套航空惯性参考重力仪［24～25］，加拿大山德尔地球物理公司（Sander Geophysics Limited）现有12套AIRGrav，在世界各地，包括南极洲，进行航空重力测量［26］。