航空重力测量系统研究进展_王静波
国外航空重力测量在地学中的应用
国外航空重力测量在地学中的应用周坚鑫1,2,刘浩军1,2,王守坦2,安战锋2,余学中2,张玉君2(1.中国地质大学,北京 100083;2.中国国土资源航空物探遥感中心,北京 100083)摘要:介绍了20世纪美国、加拿大、澳大利亚等国家航空重力测量的应用情况,分析了目前国外航空重力测量技术应用于我国中西部艰险、复杂地区及沙漠、沼泽等困难地区的区域地球物理勘探和基础地质研究的适用条件。
关键词:航空重力;航空重力梯度;地球物理勘探中图分类号:P631.1 文献标识码:A 文章编号:1000-8918(2004)02-0119-04 航空重力测量是将高灵敏度航空重力仪装载在飞机上,在空中实现地球重力场的快速测量,与地面重力测量相比,具有快速、经济、灵活等特点。
它不仅在大地测量方面具有重要的作用,作为一种重要的地球物理勘探手段,在基础地质研究、石油、天然气及固体矿产资源勘探等方面具有广泛的应用。
航空重力测量的研究可追溯到20世纪50年代末。
1958年,美国空军使用LaCoste &Romberg 公司S 26型重力仪进行了第一次航空重力测量试验,用摄影经纬仪来提供导航数据,用高灵敏的气压测高仪测量飞机高度,测量结果与地面重力数据进行对比,精度为10×10-5m/s 2。
随后,美国和俄罗斯有关机构相继开展了大量的航空重力测量试验。
试验大部分是在固定翼飞机上进行的,飞机高度一般在几千英尺,试验的精度达到n ×10-5m/s 2,异常分辨率为30mile (50km )。
但当时测定载体速度和加速度的精度较低,制约了该技术的进一步研究和应用。
直到上世纪80年代中期,由于航空重力在大地测量方面的特殊作用,国际上有许多国家的研究机构开展了这方面的工作,对航空重力测量的仪器、原理和数据处理方法等做了大量的研究和试验,随着雷达测高技术和高稳定度平台的发展及应用,使得航空重力测量技术重新得到发展。
航空重力梯度测量技术研究
航空重力梯度测量技术研究航空重力梯度测量作为二十世纪末发展起来的尖端技术,随着测量系统和处理解释方法的逐步完善,在固体矿产和油气资源勘查中发挥着日益重要的作用,并因其快速、高效和高空间分辨率等特点而备受青睐。
航空重力梯度测量技术是目前国际研究热点和难点,成熟的商业勘探技术为美国Lockheed Martin公司垄断,我国在该领域起步较晚,基础相对薄弱。
2006年开始,国家863计划开始支持航空重力梯度关键技术研究,经过十多年的努力,国内多个研究团队在多项关键技术上取得了重大突破,并在“十二五”期间实现了实验室静基座条件下重力梯度效应的测量,加快了该项技术的实用化进程。
本文围绕突破航空重力梯度测量系统研制关键技术及测量结果实际应用开展研究。
首先,系统调研了国外航空重力梯度测量技术研发历程、应用现状和研究动态,详细剖析了旋转加速度计航空重力梯度仪的测量原理和设计思想,梳理了关键技术难点及解决方案,跟踪了系统完善过程中的各项技术改进,为航空重力梯度测量系统自主研制和持续改进提供了参考和借鉴。
立足国内基础,制定了基于石英挠性加速度计部分重力梯度张量测量系统总体研制方案。
突破多项关键技术,研制完成的重力梯度仪用高分辨率加速度计样机分辨率优于1×10<sup>-8</sup>g,重力梯度敏感器实验室测量精度优于70E,重力梯度稳定平台满足载荷要求,性能指标通过飞行测试。
完成航空重力梯度测量系统集成、减震和温控方案设计,为“十三五”航空重力梯度测量系统飞行试验和实用化奠定了基础。
针对航空应用和在研航空重力梯度测量系统特点,优选Y-12飞机平台,开展了典型航空地球物理勘探条件下的飞机振动、姿态、气压、温度和湿度等环境状态参数测量及研究,详细分析了飞机底板振动的频率特征,揭示了振动信号的周期分布及振动周期与螺旋桨转速基频之间倍频关系的基本规律,总结了不同飞行状态下飞机侧滚、侧滑姿态角的变化特点及变化范围,分析了机舱内气压、温度和湿度随飞行过程的变化情况,为航空重力梯度测量系统量程、结构、减震、温控和气密设计及后续改进完善提供了参考和依据。
国外航空重力测量与数据处理最新进展
国外航空重力测量与数据处理最新进展摘要：随着国际科学技术的发展，地球物理勘查技术也取得了巨大进步，尤其是航空重力测量技术受到了广泛关注，了解和借鉴国外航空重力测量技术，对于我国进行航空重力测量工作，创新技术具有重要指导意义和现实意义。
本篇文章简要论述了航空重力综合发展现状，并对国外航空重力测量方法和技术进行了分析，系统的介绍了航空重力数据处理技术发展，希望能够推动我国航空重力测量与数据处理技术的创新发展。
关键词：航空重力；测量方法；数据处理技术引言：航空重力测量是将仪器设备安装在飞机上进行连续测量的新型技术，近几年受到广泛关注和应用，特别是在发达国家。
国外的飞机重力测量大多数应用Canada SGL机构的AIRGrav，以及俄罗斯GT机构的1A/2A勘测系统，借助小型机翼位置、后掠角等参数固定不变的飞机和直升机等形成集航空重力、航空重、磁为一体的多样化勘测体系，提高测量质量及效率。
平均每年进行飞机重力勘测任务为35-45万公里长测，基本用在地质环境研究、石油矿物质的勘探、地理勘测以及军事建设等项目，发展前景较大，而且取得了有效成果，为全球的航空重力测量工作开展奠定了有利基础。
1航空重力综合现状1.1航空重力勘查系统发展现状当前飞机重力检测体系包含重力仪、差分GPS以及数据处理等设备。
目前国外的飞机重力仪主要分为三类：①GT-1A/2A；②AIRGrav；③TAGS。
而飞行平台软件则相对多样化，其中最具有代表性的是中小型机翼位置、后掠角等参数固定不变的飞机和直升机两种，国外飞机重力检测体系现已逐渐发展成多样化固定翼飞机重力检测系统以及逐渐完善的直升机重力检测系统，现全力发展推行小型飞机重力勘测系统。
1.2航空重力测量方法发展现状因为飞机重力检测系统逐渐强化其抗震动性能，致使航空重力系统能够在不同检测环境下开展检测工作，例如在高低起伏的海岸带，无论是高度起伏条件下，还是在极度颠簸条件下，都能够实时的开展测量工作[1]。
海空重力测量数据处理关键技术研究
随着大数据时代的到来，分布式数据处理已成为各类应用领域的必要技术手段。 本次演示将概述分布式数据处理若干关键技术的发展现状、应用场景以及未来 研究方向。
分布式数据处理关键技术
分布式数据处理的关键技术包括数据存储、数据备份和数据挖掘等方面。数据 存储技术主要解决大规模数据的存储和访问问题，如Google的GFS和Hadoop的 HDFS等；数据备份技术则以保证数据的可靠性和完整性为目标，如基于RAID 的存储备份技术等；数据挖掘技术则从大规模数据中提取有价值的信息，如关 联规则挖掘、聚类分析等。
然而，海空重力测量数据处理关键技术的研究仍存在一定的差距。国内外的学 者们虽然已经取得了一定的研究成果，但在实际应用中仍存在诸多挑战和问题。 例如，如何提高数据处理的速度和精度，如何解决复杂环境下重力测量的稳定 性问题等。
海空重力测量数据处理关键技术 的挑战与解决方案
当前，海空重力测量数据处理关键技术面临的主要挑战包括以下几个方面：
未来，可以进一步深入研究海空重力测量数据处理关键技术，以提高处理速度 和精度、增强数据稳定性、促进多源数据融合和模型优化等方面为出发点，为 海空重力测量提供更为精准、可靠的数据处理方法和技术支持。
参考内容
引言
车载测量系统在车辆监控、导航、自动驾驶等领域发挥着越来越重要的作用。 随着车载测量系统的不断发展，数据处理技术成为了制约其性能和精度的关键 因素。本次演示将围绕车载测量系统数据处理的关键技术进行深入探讨，旨在 提高车载测量系统的性能和精度，促进车辆智能化发展。
此外，随着量子计算等新型计算模式的出现，分布式数据处理技术也将面临新 的挑战和机遇。
结论
分布式数据处理若干关键技术的研究现状和应用前景表明，这些技术在大数据 时代具有广泛的应用价值和重要性。目前，这些技术已经应用于云计算、大数 据处理和物联网等领域，并取得了显著的成果。然而，随着应用需求的不断增 长和技术的发展，分布式数据处理若干关键技术的研究仍然需要进一步加强和 深入，以适应未来更广泛的应用场景和挑战。
航空重力数据样条平滑滤波试验研究
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航空重力异常估计方法研究
航空重力异常估计方法研究王静波;熊盛青;郭志宏;周锡华【摘要】This paper discusses methods of estimating airborne gravity anomalies. Based on the Kalman smoothing techniques, the authors developed the software for estimating airborne gravity anomalies. Research shows that, if this software is used to estimate airborne gravity anomalies, the standard deviation of the discrepancy is within 1 mGal in comparison with the data processing results by the imported GT-1A system software.%探讨、研究了航空重力异常估计方法,基于卡尔曼滤波平滑技术,研制了航空重力异常估计软件.研究表明:采用该软件进行重力异常估计,与引进的GT-1A系统软件的数据处理结果相比,其差值的标准偏差在1 mGal之内.【期刊名称】《物探与化探》【年(卷),期】2011(035)004【总页数】6页(P493-498)【关键词】航空重力测量;卡尔曼滤波;GT-1A;异常估计方法;测量数据处理【作者】王静波;熊盛青;郭志宏;周锡华【作者单位】北方工业大学理学院,北京 100144;中国国土资源航空物探遥感中心,北京 100083;中国国土资源航空物探遥感中心,北京 100083;中国国土资源航空物探遥感中心,北京 100083【正文语种】中文【中图分类】P631.1航空重力测量始于20世纪50年代末，由于受当时重力仪、导航系统的定位精度限制，飞行载体的扰动加速度难以精确确定，航空重力测量只能达到10 mGal的实际精度［1］。
DGP S在航空重力测量中的应用
DGP S在航空重力测量中的应用罗锋;李冰;姜作喜;屈进红;王志博【摘要】基于DGPS在GT⁃1A型航空重力系统测量中的应用，针对GPS基站的位置精度和选择展开探讨，并对计算获得的空间重力异常结果进行对比分析。
对比结果表明GPS基站所用位置值不同会引起测线空间重力异常的水平误差，相同测线经过水平调整后基本保持一致。
GPS基站和移动站的距离长短对测线空间重力异常的局部细节幅值有影响，进行水平调整后相同测线间的内符合总精度为0．3 mGal左右。
%Based on the application of DGPS in GT⁃1A airborne gravity measurement system, the authors discussed the selection and precision of GPS stations, and analyzed a variety of calculated free air anomaly results in detail. The final results indicate that the dif⁃ferent values of GPS basic station position induces the horizontal error of free air anomaly on survey lines, and the results on the same survey line can almost reach the same precision after horizontal adjustments. In addition, the distances between GPS basic stations and rover stations have impacts on the locally detailed amplitudes of free air anomaly. After horizontal adjustments, the internal accord accu⁃racy on the same survey line can reach almost 0.3.【期刊名称】《物探与化探》【年(卷),期】2014(000)006【总页数】7页(P1212-1217,1221)【关键词】航空重力;DGPS;基站;移动站【作者】罗锋;李冰;姜作喜;屈进红;王志博【作者单位】中国国土资源航空物探遥感中心，北京 100083;中国国土资源航空物探遥感中心，北京 100083;中国国土资源航空物探遥感中心，北京 100083;中国国土资源航空物探遥感中心，北京 100083;中国国土资源航空物探遥感中心，北京 100083【正文语种】中文【中图分类】P631航空重力测量是以飞机为载体，搭载重力仪、GPS(global positioning system)和测高等设备测定近地空间重力加速度的测量方法。
重力波探测技术研究进展
重力波探测技术研究进展在宇宙中，质量凝聚形成的恒星、星系、黑洞等天体的形成与演化，与其相互作用的、被宇宙中的各种物质所占据的空间，所有这些物质，都会对周围的时空结构产生扭曲，就像石头投入水中，所造成的涟漪。
这种涟漪或者说“重力波”，是爱因斯坦广义相对论所预言的基本物理现象。
重力波和电磁波类似，都遵循波动性质，但与前者不同的是，后者是以光速在真空中传播，而前者则是以真空最高速度传播的物质所产生的物理扰动。
虽然重力波的产生在理论上已被证实，但直至上世纪，由于重力波的检测难度极大，人们对其的第一次直接探测仍需要耗费相当大的精力。
那么，重力波探测技术又是如何实现的呢？历程回顾2000年的5月，美国宙斯试验平台的首席科学家Kip Thorne教授在宣布即将启动重力波探测器后，曾在伦敦的帝国理工学院发表演讲，他表示：“重力波探测器不仅是科学家的梦想，而且是目前物理学领域的一个非常重要的新工具。
”3年后，在众多国家尝试研制重力波探测技术的过程中，宙斯试验碰到了巨大的困难。
这是因为它的敏感仪器容易受到大气压力、地球震动、微弱干扰等多方面的影响。
在2004年，它要重新设计一款更为敏感的器械，这款器械就是LIGO Detecter.LIGO是美国建筑物与城市规划协会授权Ligo Science Education Center添加的“ 企业的名字以及发音的指导”之一，而Ligo又在2001年成为了义务研究合作伙伴（LSC）成员之一。
同年，LSC还加入了黑洞反射天线（TAMA）和欧洲重力波研究器（GEO）等国际项目。
LIGO是全球第一台能够直接探测到重力波的观测设施。
其实验室设在美国路易斯安那州巴吞鲁日市和华盛顿州利文沃思，由美国国家科学基金会、加州理工学院（Caltech）和麻省理工学院（MIT）等机构联合建造。
在2015年9月14日，当地时间早晨5:51左右，LIGO在观测到了一束来自合并黑洞的重力波。
在这一事件中，LIGO测到了一道极为弱小的信号，而这个信号来自13.8亿年前的合并黑洞的碰撞，由此揭开了人类探测重力波的新篇章，标志着人类对重力波物理的探索进入了全新的时代。
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图 4 安装在机舱中的 GT-1A型重力仪
地进行了多次飞行试验 。 与地面重力测量值相比 , 该系统精 度可 达到 0.5 mGal、分 辨率 1.5 ～ 2.75 km[ 8] 。该系统的原理与 AIRGrav类似 , 也是采用三 轴平台惯导系统结构 , 同样对加速度计和相关电子 设备采取了温控措施 。
世界上只有少数几个发达国家能够生产出航空
实线表示实用状态 图 1 航空重力测量系统的发展历史示 意
收稿日期 :2009 -01 -12 基金项目 :“ 863”计划重大项目课题 (2006AA06A202)资助
重力测量系统 , 并且由于航空重力能够用于军事目 的 , 存在着技术封锁 。不管是何种场合 , 都无法获得 航空重力仪 的制造技 术和相关 资料 (均为 保密 )。 为了发展我国的航空重力测量事业 , 必须依赖进口 的方式解决国内无航空重力仪的问题 。 显然 , 在此 基础上 , 吸收先进技术 , 自主研发我国的航空重力测 量系统具有重大意义 。
1 航空重力测量的基本原理
航空重力测量是以飞机作为运载平台 , 利用航 空重力仪在空中测量地球重力场的一种测量方法 。 根据牛顿第二定律 , 在惯性坐标系 i中 , 质点的动力 学方程为 :
¨ri=fi+Gi, 式中 :¨r为质点的惯性加速度 ;G为引力加速度 ;f 是比力 , 为重力传感器的观测值 。
从 1992年到 1998年 , LIGS与加拿大 Calgary大 学合作 , 对采用三轴平台惯导系统的航空重力测量 系统进行了研究和试验 。该系统采用俄罗斯生产的 航空惯导系统 I-21, 为了满足重力测量的要求 , 还专
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物 探 与 化 探
33卷
门设计了一个高灵敏度的加速度计 。 从 1993年至 1997年共进行了约 5万千米测线的飞行试验 , 这些 试验在不同地区 、不同气象条件以及采用不同飞机 的条件下进行 , 试验表明该系统精度可达 1 mGal、 分辨率为 3 km[ 6] 。
控制平台的稳定 , 允许工作于较恶劣的天气 。 工作
GT-1A重力仪稳定平台由两个陀螺仪和两个水 范围为中 、低纬度地区 (75°S～ 75°N)。
平加速度计组成 。 另一个陀螺仪进行方位控制 , 第
目前 AIRGrav和 GT-1A这两个 系统均已 达到
三个加速度计获取垂向加速度的变化 。三轴陀螺稳 商业实用的水平 , 并已经为多家客户进行了石油 、天
对于静态重力测量 , 此时惯性加速度 ¨r=0, 通 过调整可使得重力仪保持水平 , 从而使重力仪敏感 轴对准重力矢量方向 , 如果不考虑测量误差 , 则重力 仪的观测量就是重力加速度的大小 。虽然静态重力 测量比较简单 , 精度却可以很高 。 对于动态下的航 空重力测量 , 情况就要复杂得多 。 一方面由于航空 重力测量惯性加速度 ¨r不再为零 , 此时重力传感器 的观测量是惯性加速度和引力加速度的共同影响 ; 另一方面重力传感器敏感轴的指向难以保持稳定 。 因此 , 原理 上航空 重力测 量需 要解 决两 个基本 问 题[ 2] :①运动状态下如何保持重力传感器的稳定指 向或精确地获得重力传感器的指向值 ? ②如何分离 出引力加速度和惯性加速度 ?
图 2 L＆RⅡ 型航空重力仪
图 3 TAGS型航空 重力仪
力测量系统 (图 3), 并完成了飞行测试 , 内符合精度 达到 0.93 mGal, 异常半波长分辨率为 5.0 km。
LaCoste＆Romberg的 Ⅱ 、Ⅲ型海 、空重力仪采用 零长弹簧原理 , 漂移小 , 精度高 。 该系统工作范围可 覆盖全球 , 包括北极和南极 。 其 GPS主要为重力仪 提供高精度的时标为进行同步和数据处理时解算重 力场 。正如 Peters和 Brozena所指出的那样[ 5] , 平台 稳定性是航空重力测量系统的精度和分辨率进一步 提高的主要障碍 。 2.2 三轴稳定平台型航空重力测量系统
航空重力测量的概念最早出现在 20世纪 50年 代末 , 但是由于受当时重力仪 、导航定位设备以及垂 直加速度测 量精度的影响 , 当时得到 的精度为 10 mGal, 不能满 足实际应用要 求 。 在随后近 30年的 时间里 , 尽管对航空重力测量能否达到实用精度一 直存在争议, 但是人们并没有放弃对其进行研 究 [ 1] 。海洋重力测量技术在 20世纪六七十年代已 经是一种比较成熟的技术 , 在海洋重力测量技术成 熟后的数十年间 , 航空重力测量一直未能投入实用 。 20世纪 90年代初期至今 , 航空重力测量技术试验 获得成功 , 并逐步实现了商业化运行 。 这主要归功 于动态差分 GPS定位 (DGPS)技术的发展 , 实现了 高精度飞机导航定位 , 使航空重力测量所必需的垂 直扰动加速度修正精度和厄特渥斯改正的精度 , 有 可能达到或好于 1 mGal的量级 , 航空重力测量的精 度有可能达到或好于 1 mGal。 从而航空重力测量 在地球物理勘探方面得到了广泛应用 , 服务领域涉 及到基础地质研究 、石油 、天然气及固体矿产资源勘 探以及大地测量等方面 (图 1)。
4期
王静波等 :航空 重力测量系统研究进展
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2.3 捷联式航空重力测量系统 在 SchwarzK.P.教授的带领下 , 加拿大 Calgary
大学率先于 20世纪 90年代初开展了基于捷联惯导 系统的航空标量重力测量系统 SISG(strapdowninertialscalargravimetry)的研究 (图 6)。 该系统采用 惯性级的 HoneywellLASEREFⅢ型激光陀螺捷联惯 导系统 。在 1995年 6 月 、1996年 9月和 1998年 6 月共进行了三次飞行试验 [ 10 -11] 。 试验结果表明 :重 复线内符合精度达到 2 ～ 3 mGal、分辨率 5 ～ 7 km。
4期
王静波等 :航空 重力测量系统研究进展
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按照引力加速度和惯性加速度的分离方法 , 航 空重力测量分为航空重力梯度测量 和航空重力测 量 。 ①重力梯度测量 :将两个共基线的加速度计的 输出求差 , 以共模方式消除载体运动加速度 v﹒ 的影 响 , 如果共用基线是旋转稳定的 , 则由该差值观测量 可得到重力梯度分量 。 ②航空重力测量 :采用两个 不同的加速度测量系统 , 其中一个系统的输出含有 引力加速度 , 也就是测量的是比力 , 而另一个系统输 出的是不含引力的加速度 , 于是在同一个坐标系内 对两组加速度输出进行求差 , 即可消除共有的载体 运动加速度 。剩下的差值中包含引力加速度和传感 器的系统误差 。
2 国外航空重力测量 发展现状
就实用型的航空重力测量系统来说 , 国际上航 空重力测量系统主要为三种类型 :两轴阻尼惯性稳 定平台型航空重力测量系统 、三轴惯性稳定平台型 航空重力测量系统和捷联式航空重力测量系统 。 2.1 两轴阻尼惯性稳定平台型航空重力测量系统
各国从 20世纪 30年代开始设计了几十种重力 仪 。经过几十年的应用 , 目前广泛使用的重力仪以 美国生产的 LCR(LaCoste＆Romberg)重力仪 、Bell重 力 仪 和 德 国 生 产 的 KSS-31 重 力 仪 为 主 。 美 国 LaCoste＆Romberg公司从 1939年开始制造高精度的 重力仪 , 1955年首次用于海洋重力测量 , 1958年美 国空军测试用该重力仪进行航空测量的可能性 , 并 于 1965年生产出了世界上第一台带动态稳定平台 的重力仪 。 1998年 12月在法国和瑞士的 Alps完成 了 1万千米的航空重力测量任务 [ 3] , 2002年研制出 两轴阻尼惯性稳定平台 L＆RⅡ型海 、空重力仪 (图 2)[ 4] 。在此基 础上对该 系统进行 了升级 , 于 2005 年 9月研制出两轴阻尼 惯性稳定平台 TAGS航空重
摘 要 :简要回顾了 航空重力测量的发展过程 , 在介绍了航空重力测量基 本原理的基础上 , 系统地叙述了航空标量重 力测量系统的研发历程 、研究现状及发展动态 。 最后 , 阐述了我国航空重力测量的研究现状和未来的发展方向 。 关键词 :航空重力仪 ;航空重力测 量 ;DGPS;惯导系统 (INS) 中图分类号 :P631.2 文献标识码 :A 文章编号 :1000 -8918(2009)04 -0368 -06
俄罗斯莫斯科国立技术大学的 LIGS(Laboratory ofInertialGeodeticSystems)、加拿大的 SGL(Sander GeophysicsLtd.)公司以及俄罗斯莫斯 科重力测量 技术公 司 (GravimetricTechnologiesLtd)等 研究 单 位 , 分别对基于三轴平台惯导系统的航空重力测量 系统进行了研究 。
按照测量对象的不同 , 又可以将航空重力测量 分为航空标量重力测量和航空矢量重力测量 。 航空 标量重力测量只需要测量重力扰动矢量垂直分量的 大小 (重力异常 );航空矢量重力测量需要测量重力 扰动矢量所有的三个分量 。通常航空重力测量指的 就是标量重力测量 。
目前国际上航空重力测量 、航空重力梯度测量 均已进入实用阶段 。 由于航空重力梯度测量对重力 异常的高频分量非常敏感 , 因此在资源勘探等领域 具有广阔的应用前景 。但是 , 航空重力梯度测量技 术属西方国家限制出口的尖端技术 , 技术难度大 , 短 期内难以掌握 。 因此 , 笔者着重讨论航空重力标量 测量系统的研究进展 。
第 33卷第 4期 2009年 8月
物 探 与 化 探
GEOPHYSICAL＆ GEOCHEMICALEXPLORATION
Vol.33, No.4 Aug., 2009
航空重力测量系统研究进展
王静波 1, 3 , 熊盛青 2 , 周锡华 2 , 郭志宏 2
(1.中国地质大学 地球物理与信息技术学院 , 北京 100083;2.中国国土资源航空物探遥感中心 , 北京 100083;3.北方工业大学 理学院 , 北京 100144)