海洋重力计量体系及方法

胡 若，吴书清，冯金扬，王启宇，李春剑

（中国计量科学研究院,北京100029）

0 引言

重力加速度（后文简称 “重力”）的精确测量对于一个国家的发展具有极其重要的作用，其在定位导航、地下资源勘探、地震灾害预警及计量科学（质量重新定义和光钟）等领域中均有着重要的意义。远程弹道导弹及航天卫星等空间飞行装置的发射、卫星的返回、地下结构的测量等，均离不开高精度的地球重力模型及对应重力点位的重力场参量[1-5]。通过重力研究地球内部运动的信息和变化规律，是当前地震研究及预报最为有效的技术手段之一。重力加速度的精确测量还是其他力学基准的重要技术支持之一。目前，越来越多的研究领域开始关注重力加速度的测量及应用。

在海洋定位导航方面，不同研究领域对于重力加速度测量的准确性、可靠性要求越来越高。以水下载体对海洋绝对重力的应用需求为例，水下运载体能以重力场作为导航手段。结合水下载体所处位置的重力数据和已测得的海洋重力场模型，获取载体的定位信息，再根据重力场的变化特征进行航线修正，最终运载体即可实现无源导航，提高水下载体的隐蔽性。根据相关研究的结论，若忽略重力变化对水下运载体运行的影响，72h航行的累计定位误差将达约3km[6-7]。如果利用重力仪对水下载体惯性导航系统的重力异常和垂线偏差进行实时补偿，则能够有效降低定位误差。同时，水下重力场的测量数据可以反推出海底地形，可为水下设备的安全航行和战术规避提供重要依据[8-9]。

此外，海洋重力数据还在多个领域有重要意义。从经济领域来看，基于对海洋重力数据的分析，能够快速、准确获取海底矿产资源信息，有利于加速海洋矿产资源的勘探和开发。从国家海洋领土主权出发，海洋重力测量有助于确定临海基线、国际海域专属资源区域的划界等，有助于实现重大海权的维护工作。在地球科学研究领域中，海洋重力数据可被应用于研究海洋与陆地岩石圈结构、地壳构造及地壳均衡等，可提供海底及地球内部信息。对地球动力学而言，可通过对重力场的重复观测获取地球形状随时间变化的数据，以研究地球内部构造，监测地球内部的结构变化和板块运动[10-12]。重力加速度在众多领域中的应用对重力测量的准确性提出了更高的要求，而重力值的准确、可靠离不开重力计量。

1 重力计量溯源与传递

1.1 简介

传统的国际单位制由7个基本单位组成，任何1个被测量的单位均能够溯源到这7个基本单位。重力加速度的量值单位 “m/s2”是由国际基本单位中的 “米（m）” 和 “秒（s）” 导出的。因而，在重力测量的过程中，重力加速度的测量准确性是溯源到国家长度基准 “米”和时间频率基准“秒”来保证的。量值溯源及传递的过程必须有载体，当前，用于直接测量重力加速度的绝对重力仪是实现重力测量值传递与溯源的主要工具和载体。长期以来，国际计量界一直致力于将7个基本单位定义到基本物理常数上。基于基本物理常数本身的稳定性，确保所有被测量能够精准溯源。“秒”定义为铯133原子不受干扰的基态超精细跃迁频率，“米”则利用真空中的光速和秒来定义[13-14]。2018年11月，第26届国际计量大会通过了对千克（kg）、 安培（A）、 开尔文（K）、 摩尔（mol）4个基本单位的重新定义，完成了对所有7个基本单位的重新定义，新的SI国际单位制于2019年5月20日开始启用。

国际上，重力计量工作的一座里程碑是国际计量局在2009年将国际绝对重力仪比对列为关键比对（Key Comparison，KC），这充分体现了计量领域对重力计量的重视程度[15]。根据国际计量委员会-质量及相关量咨询委员会（CIPM-CCM）和国际大地测量协会（IAG）共同发表的声明，通过国际比对得到比对点位的重力参考值和参加比对的绝对重力仪的等效度，各个国家的重力测量能力可以建立在参加关键比对的绝对重力仪或举办重力关键比对的点位上。

1.2 国家重力基准概述

长期以来，中国计量科学研究院致力于重力计量基准装置的研制。通过参加国际比对，使我国重力测量的数据与世界其他实验室的测量数据保持一致，从而达到国际互认和为国际、国内贸易服务的目的[16-17]。2017年，第10届全球绝对重力仪国际比对在中国计量科学研究院昌平院区举行。这是该重要国际关键比对36年来首次移出欧洲举办，确定了国际重力基准原点来到了中国。此次比对，来自中国、美国、法国、德国、瑞士、日本、韩国等14个国家的32台绝对重力仪参加了比对，形成了新的国际重力基准原点，为建设国际一流的国家重力基准能力打下了坚实的基础。

拟建的国家重力基准由举办过国际重力关键比对的重力基准原点和相关仪器组成，利用绝对重力仪、相对重力仪、超导重力仪及潮汐重力仪共同协作维护，确保了该点位重力值的准确性，其具体构建框架如图1所示。

图1 国家重力计量基准构建示意图Fig.1 Schematic diagram of national gravity measurement benchmark construction

重力测量主要有2种技术手段：1）用绝对重力仪进行直接测量；2）用相对重力仪进行引值。相对重力测量的相对精度较低，其测量方式较多，但设备自身原理的限制导致了不同设备存在不同的弊端。所有相对重力测量设备均存在数据漂移的问题，需要将设备进行定期格值标定或依托基准点位进行校准。利用绝对重力仪测量重力加速度具有无数据漂移、测量快速有效等优点。因此，绝对重力仪通常可考虑作为计量基标准装置。此外，绝对重力仪还是重力测量量值溯源和传递的主要载体。

目前，绝对重力仪的原理实现主要有2种技术途径：光学干涉法和原子干涉法。光学干涉法主要利用角锥棱镜在真空度较高的环境中做上抛或自由下落的运动，角锥棱镜在运动过程中利用激光干涉来测量其运动距离，同时用原子钟记录棱镜的运动时间，最后利用最小二乘法对重力加速度值进行拟合求解。原子干涉型绝对重力仪采用冷原子作为检测物体，利用激光和磁场线圈构成的磁光阱固定住原子团，进而利用激光脉冲分束、反射、合束形成冷原子干涉，最后测量出原子与探测光共振而发出的荧光信号，以确定原子数目，从而获取重力加速度值。

在光学干涉法中，落体自由下落的距离可通过激光干涉法得到，其等于干涉条纹数N乘以激光半波长λ/2，单位为 “米（m）”。落体自由下落距离的测量不确定度主要受激光器所产生的激光真空波长的影响。因此，所用的激光器需要定期溯源到SI国际单位制“米（m）”。落体自由下落的时间对应于落体自由下落距离的时间间隔，由原子钟的时钟信号得到，单位为 “秒（s）”。落体自由下落距离的时间间隔的测量不确定度主要受原子钟产生的时钟信号的影响。因此，所用的原子钟需要定期溯源到SI国际单位制 “秒（s）”。

在原子干涉法中，冷原子的作用时间及所用的激光频率都需要溯源到SI国际单位制 “秒（s）”。

绝对重力仪是重力测量溯源性、准确性的根本保证。绝对重力仪的测量结果通过长度和时间频率基准溯源到SI国际单位制，其准确性和不确定度可通过不同层次的同期、同址开展的比对活动来进行确定和评估。

1.3 重力量值的溯源传递方法

重力量值的溯源与传递是保证不同地区和行业的重力值统一可用的根本保证，重力加速度量值溯源与传递模式如图2所示。工作用绝对重力仪可以通过比对法溯源到国家基标准装置或基准点，其他类型的相对重力仪可以通过比较法溯源到国家标准装置或基准点，各标准装置通过比对法溯源到国家重力基准上，国家重力基准则直接溯源至国际基本单位制 “米”和 “秒”上。

2 海洋重力计量体系工作的展望和建议

海洋面积占地球面积的71%，要准确研究地球形状与地球内部构造，勘探海洋丰富的矿产资源，保障航天和远程武器发射等，就必须研究海洋重力场的精细结构，而高精度的海洋重力测量正是解决这些问题的重要手段之一。随着建设海洋强国发展战略的逐步实施和国防发展战略转型的持续推进，我国海洋经济建设和海战场环境建设对海洋重力场信息的保障需求日趋紧迫。

2.1 海洋重力计量体系的现状

国内已实现海洋重力测量仪器的国产化，具有自主知识产权的捷联式航空重力仪、海洋重力仪和三轴平台式海洋重力仪的研制也取得了相应的进展，其测量精度已经达到或接近国外先进水平。目前，所研制出的海洋重力测量装置多为相对重力测量装置，需要依靠岸边基准点位进行数据闭合，用以进行数据闭合的基准点位则涉及到了海洋重力计量体系。区别于陆地重力计量体系，未来的海洋重力计量体系需要考虑远洋舰船在重力测量过程中是以连续测量的方式进行工作，能够在重力测量过程中对测量设备进行实时标校，以保证测量结果的真实可靠。

图2 重力加速度量值溯源与传递框图Fig.2 Tracing and transferring frames of gravity acceleration

目前，国内已经在部分重点港口城市建立了重力基准点，用于重力仪的校准和海洋重力的研究工作，点位位置如图3所示[18]。但是，我国沿海线较长，当前所建立的海洋重力基准点数量不足以满足国家海洋开发战略的要求。“十九大”报告中明确指出 “加快建设海洋强国”，国家的重视为海洋重力计量技术的发展提供了契机。未来的工作需要从两方面同时进行，一是研制能够作为计量标准器使用的海洋绝对重力测量装置，二是建立更多更好的海洋重力基准点位，并建立相应的量传体系来支持海洋重力网的建设。

图3 海洋重力基准点布置城市示意图Fig.3 Schematic diagram of reference point of marine gravity layout city

2.2 海洋重力计量体系构建的建议

海洋重力计量体系是建立在现有的重力计量体系的基础上的。未来，海洋重力计量体系的建立需利用先进的计量技术以及计量及标准设施，并在此基础上开展海洋重力基准点等工作，以此确保我国海洋重力量值的准确可靠。

建立海洋重力计量体系的首要工作是研制可作为海洋重力量值溯源与传递载体的海洋绝对重力仪。基于当前国内对光学干涉型绝对重力仪研制经验较为丰富的情况，建议将Faller教授提出的凸轮驱动型光学绝对重力仪作为首要研制目标。凸轮快速绝对重力仪的结构如图4所示，其基于自由落体光学干涉型绝对重力仪的工作原理，由凸轮作为驱动器来使角锥棱镜进行快速的往复自由落体运动，以实现绝对重力测量[19-23]。拟设计的凸轮驱动型绝对重力仪能够实现200次/min的重力测量，不确定度优于5μGal。研制出此款绝对重力仪后，可将此绝对重力仪配在海洋重力基准点上作为标准器，用于基准的建立和维护。此外，还可以将此仪器配合惯性平台进行使用，作为舰船搭载的绝对重力仪，在实现海上绝对重力测量的同时还可为舰载相对重力仪进行标校工作。

图4 凸轮驱动型绝对重力仪Fig.4 Cam-driven absolute gravimeter

在进行新型重力计量标准器研究的同时，应在我国沿海线进行大范围、高密度的绝对重力标准点建设，并在重点港口海岸建立海洋重力基准。未来的海洋计量基准计划由超导重力仪和原子干涉绝对重力仪组成，组成后将进行长期观测[24-25]，如图5所示。此外，重力基准将配备超导重力仪，对该点位的重力变化进行长期观测，以得到该处固体潮汐和海洋潮汐的精准模型。为确保海洋重力基准的准确性，安排所使用的绝对重力仪定期参加相关比对活动，并将重力观测平差引值到海洋重力基准，最终形成海洋重力基准。

图5 原子干涉型绝对重力仪与超导重力仪Fig.5 Atomic interference absolute gravimeter and superconducting gravimeter

为了满足不同测量范围、不同测量精度的海洋重力仪的校准需求，需要形成海洋重力仪静态校准（静态漂移）和动态校准（动态测量精度）能力。实现校准的技术路线为：利用不确定度达到微伽级的绝对重力仪以及绝对重力控制点将被校准的海洋重力仪（不确定度为毫伽级的相对重力仪）溯源至SI国际单位制。

针对海洋重力仪的静态校准，需要提供较好的校准环境及较为全面的重力场信息。首先，建立隔振性能良好的地基，并对该位置进行绝对重力的精准测量，以形成标准点位。随后，对10m垂线距离范围内的重力变化进行测量（重力梯度约为1m对应300μGal）。最终，利用测量结果进行海洋重力仪的校准工作。

动态校准指对处于运动测量状态下的重力仪进行校准，因而其需要在动态平台上完成校准工作。拟提供一个运动转盘，利用运动过程中水平重力变化及质量块迁移造成的叠加引力变化。其校准过程主要是对该基准点进行绝对重力的精准测量，然后利用运动转台动态校准海洋重力仪。

海洋计量基准建立之后，可利用标准实验室及周边海域开展测量范围大、需求精度低的海洋重力仪校准以及非线性漂移的平台式海洋重力仪的校准工作。可利用高大空间实验室开展测量范围小、需求精度高的海洋重力仪的校准工作，以及开展漂移近似线性的捷联式海洋重力仪的校准工作。

根据所提出的海洋重力基准的能力构建需求，同时考虑需对外来海洋重力仪进行校准，建议未来的海洋重力实验室由海洋重力计量实验室及海洋重力计量基准实验室组成。

海洋重力计量基准实验室是一个标准的实验室单元，实验室面积建议不小于120m2。实验室配备原子干涉型绝对重力仪或FG5X型绝对重力仪，以形成海洋重力计量基准。此外，海洋重力计量基准实验室需要以下软硬件的支持：1）实验室内需要隔振地基，隔振地基连接到基岩，隔振基础上振动加速度优于1×10-5m/s2；2）实验室要实现温湿度可控，具体需要环境温度控制在20℃±2℃，相对湿度控制在60%以内。实验室需提供良好的软硬件设施，是构建并维护海洋重力基准的基本保障。

海洋重力计量实验室是用来校准海洋重力仪的场地，现对建立海洋重力计量实验室给出以下建议：1）实验室占地面积不小于 240m2，高约10m；2）实验室需配备清洁电源和不间断电源，同时要具备电阻小于1Ω的仪器独立接地；3）其余环境建设条件按照计量基准实验室要求实施即可。此外，考虑到海洋重力计量实验室需进行重力仪的校准工作，为方便校准工作的进行，建议将此实验室建立在码头附近。海洋重力计量实验室的组建模式如图6所示，实验室内包含动态和静态校准平台，控制间用来放置电器及超导重力仪。

图6 海洋重力计量实验室示意图Fig.6 Schematic diagram of marine gravity metrology laboratory

在配备以上硬件设施的基础上，针对海洋重力计量体系的特殊性，其计量体系的建立过程应该分步进行。首先，基于陆地重力计量体系的方法，实现海洋重力静态标定。随后，基于海洋绝对重力动态测量技术，实现单项动态参数指标的标定。最后，利用海洋绝对重力测量装置，实现海洋重力相对测量装置的在线计量，以此来建立未来完整的海洋计量体系。

2.3 未来应用

随着科学技术的发展，未来的海洋重力测量将会从现在的利用相对重力仪进行引值的方法逐渐发展为使用绝对重力仪直接进行测量。科研工作者们正在尝试将现在已有的小型原子干涉型绝对重力仪或凸轮快速测量光学干涉型绝对重力仪与惯性平台进行配合使用，形成船载海上绝对重力测量技术。在未来的发展中，基于MEMS及芯片技术的海洋重力仪被认为是未来进行海底重力测量的较好的技术手段。

3 结论

海洋绝对重力的精准程度直接影响水下载体系统的导航准确性、船舰定位等多方面的精度，而绝对重力量值的溯源与传递是保证重力值准确可用的根本保障。随着建设海洋强国进程的推进，需要在国内现有的陆地重力网的基础上，加快推进具有国家战略意义的 “国家海洋重力计量及标准体系”的建设工作，进而统一海陆空3个层面的重力量值溯源及传递的方法以及重力测量质量的评判规范，为我国重力测量数据提供准确有效的保障。另一方面，应该进一步开展能够用于直接测量海洋重力的绝对重力仪的研制工作，增强我国在海洋重力测量方面的能力，以提高我国在海洋重力测量领域的国际话语权。