航空重力梯度仪研究现状

　　1 引言

　　地球重力梯度的研究, 历来是大地测量学的热点和难点之一, 因为它不但反映地球表层及内部的密度分布和物质运动状态, 而且在地下资源勘探、海洋、军事应用和环境科学等领域中有着重要的应用。传统的测量方法, 需要消耗大量的时间和人力, 而且不能满足诸多实时系统的要求, 性能也不佳。比较而言, 航空重力梯度测量仪器省时省力, 可以同时测量重力梯度的各个分量, 进而获得准确的重力值和垂线偏差, 还可以应用于实时场合进行相关测量与误差补偿, 具有广阔的研究价值和应用前景。

　　2 重力梯度

　　3 几种航空重力梯度仪的介绍

　　3.1 重力梯度仪的发展史

　　第一台重力梯度仪由匈牙利物理学家 Eotvos 在 1890 年设计并制造的, 后来, 重力梯度的单位定为厄缶, 用 E 表示。70 年代中期美国专家们分别研制出三种不同类型的精度为 1E 的重力梯度仪实验室样机; 80 年代初 Maryland 大学研制出了精度为0.01E 的单轴超导重力梯度仪实验室样机; 80 年代后期俄罗斯专家也研制出了精度为0.1E 的旋转、液浮和旋转加速度计重力梯度仪实验室样机; Office National Etude set de RecherchéAerospatiale (ONERA ) 研制出了精度为 0.01E 的静电加速度计重力梯度仪。进入21 世纪以后, 各国更是加大了对重力梯度的研究, 其中星载的重力梯度仪应用趋于成熟。相关理论的研究和应用成熟, 促进了航空重力梯度仪的发展, 使其研究逐渐成为需要和趋势。

　　据报道, 目前已经投入商业飞行的有2 种航空重力测量系统同时还有 2 种正在研发、即将投入使用的航空重力梯度仪。

　　3.2 部分梯度张量测量系统 FALCON

　　澳大利亚BHP Billiton Innovation Pty Ltd 公司研制的部分梯度张量测量系统FALCON 是在1999 年10 月正式投入使用,基于相同的原理, 又分别于 2000 年 4 月和 2002 年 6 月各生产了一台。该系统脱胎于美国 Bell 宇航公司在1975 到 1990 年间研发的重力梯度仪(Gravity Gradient Instrument, 简称 GGI), 属于美国出口管制产品。2005 年4 月份, 美国还阻止该系统在我国进行探矿飞行, 妄图对我国进行相关技术封锁。

　　FALCON 系统采用的是 Bell 公司的 VIIG 型加速度计, VI-IG 型加速度计是在原有 VII 型加速度计的基础上改进而成, 主要是为了使其更适合应用于重力梯度仪。改进工作主要针对减小加速度计噪声和增强加速度计的灵敏度可调性等方面。FALCON 由一个 GGI 构成, 如图 1 所示, 转盘以恒定的角速度旋转, 其上对称的安装四个标度因数一致的加速度计, 加速度计的敏感轴沿着转台的切线方向且与旋转轴垂直, 为了测量精确, 圆盘要安装在高精度稳定平台上, 系统的理想输出: