三型海洋重力儀轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)特征分析

通過(guò)對(duì)三型四套海洋重力儀同船實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)的分析，認(rèn)為GT-2M型海洋重力儀通過(guò)巧妙的平臺(tái)設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)物理跟蹤當(dāng)?shù)胤轿坏墓δ?，從而極大地減小了厄特渥斯改正中因航向引起的誤差。其小幅轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)無(wú)需特殊處理即可使用，大幅轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)在經(jīng)過(guò)處理后能最大程度地得以保留，尤其是其工作原理使得該型海洋重力儀在換線后能以極快的速度穩(wěn)定下來(lái)進(jìn)入測(cè)量狀態(tài)。綜合來(lái)看，GT-2M海洋重力儀的轉(zhuǎn)向性能較為優(yōu)越。

在海洋重力測(cè)量中，厄特渥斯（E?tv?s）改正誤差一直是影響測(cè)量精度的主要誤差源（張濤等，2005）。由厄特渥斯改正公式可知，厄特渥斯效應(yīng)的大小主要與測(cè)量航跡線的航向和航速有關(guān)；因此，在測(cè)量平臺(tái)的定位精度不變的情況下，通過(guò)各種校正計(jì)算方法可在一定程度上提高厄特渥斯效應(yīng)改正精度，事實(shí)上國(guó)內(nèi)許多研究人員也都是專注于這一方面（張立華等，2002；張濤等，2005；于波等，2007）。那么，除了數(shù)據(jù)處理還有沒(méi)有其它途徑可以進(jìn)一步改善厄特渥斯效應(yīng)的改正效果呢？

從海洋重力儀的設(shè)計(jì)原理來(lái)看，當(dāng)今世界普遍使用的船載海洋重力儀主要分為三大類：第一類是全球應(yīng)用最廣泛的美國(guó)產(chǎn)L&R型海洋重力儀及其衍生系列，第二類是德國(guó)產(chǎn)的KSS31（M）型海洋重力儀，第三類是近十年來(lái)異軍突起的俄羅斯產(chǎn)GT系列海洋重力儀。L&R型海洋重力儀及其衍生系列，比如ZLS型海洋重力儀以及DGS型海洋重力儀，其工作原理基本一致，均使用零長(zhǎng)彈簧，屬于擺桿型；KSS31（M）型海洋重力儀采用直立彈簧，屬于軸對(duì)稱型，它不受水平加速度的影響，從根本上消除了CC效應(yīng)誤差，可在較惡劣的海況下工作（寧津生等，2014）；GT系列海洋重力儀也屬于直立型，與前兩類海洋重力儀相比，雖然都采用的是物理平臺(tái)，但其獨(dú)特的設(shè)計(jì)使得重力儀不僅能物理跟蹤當(dāng)?shù)厮?，還能物理跟蹤當(dāng)?shù)胤轿唬ǔ?guó)斌等，2014），屬于三軸慣導(dǎo)平臺(tái)。這種三軸慣導(dǎo)平臺(tái)固定指北，因而在設(shè)計(jì)上就已經(jīng)極大地減小了厄特渥斯效應(yīng)中因航向引起的誤差，比前兩類具有更高的測(cè)量精度和分辨率。

目前國(guó)內(nèi)海洋重力測(cè)量和研究機(jī)構(gòu)擁有的重力儀基本是前兩類海洋重力儀，而廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局不僅擁有屬于第一類的LaCoste S-II型及ZLS型海洋重力儀以及屬于第二類的KSS31和KSS31M型海洋重力儀，更于2013年引進(jìn)了兩套GT-2M型海洋重力儀。利用這兩套GT-2M型海洋重力儀驗(yàn)收的機(jī)會(huì)，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局于2015年3月在“探寶號(hào)”船上精心組織了一次三型四套海洋重力儀的同船對(duì)比試驗(yàn)，航次編號(hào)：TB201502，以更好地了解各型海洋重力儀的性能及特點(diǎn)。雖然國(guó)內(nèi)外已有不同類型海洋重力儀的對(duì)比試驗(yàn)（Peter Kovrizhnykh等，2011；張振波等，2015），但像這樣規(guī)模的比測(cè)試驗(yàn)尚屬首次。本文將通過(guò)對(duì)GT-2M海洋重力儀的技術(shù)特點(diǎn)介紹、各型海洋重力儀轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，重點(diǎn)討論各型海洋重力儀在轉(zhuǎn)向過(guò)程中的技術(shù)特點(diǎn)及其數(shù)據(jù)特征。

設(shè)備介紹

同船測(cè)試的四套海洋重力儀分別為：于2002年引進(jìn)的KSS31M海洋重力儀（SN：035）1套，于2011年引進(jìn)的ZLS海洋重力儀（SN：D011）1套及新引進(jìn)的GT-2M海洋重力儀（SN：032和033）2套。其中，KSS31M海洋重力儀是直立彈簧型，ZLS海洋重力儀屬于擺桿型。前人已有許多文獻(xiàn)介紹過(guò)直立彈簧型和擺桿型的工作原理（LACOSTE，1967；曾華霖，2005；陳邦彥等，1998），本文將主要介紹的是GT-2M海洋重力儀的工作原理。

GT-2M海洋重力儀主要組成部分為重力傳感器和陀螺穩(wěn)定平臺(tái)、旋轉(zhuǎn)平臺(tái)、減震座、電源及CDU（控制及顯示單元），可直接接入船載GPS，系統(tǒng)整體效果圖如圖1所示。

GT-2M海洋重力儀采用直線型工作原理（如圖2所示）：即用兩個(gè)金屬?gòu)椈勺笥依?，保證用特殊材料制作的金屬棒直立，測(cè)量質(zhì)塊沿金屬棒在一定范圍內(nèi)上下滑動(dòng)。在線圈中預(yù)先設(shè)定一個(gè)穩(wěn)定電流用來(lái)補(bǔ)償質(zhì)塊本身的重量，電流公式如下：I=mg0 ，其中：I：穩(wěn)定電流， m：質(zhì)塊質(zhì)量，g0：重力常數(shù)。重力大小改變引起測(cè)量質(zhì)塊發(fā)生位移，一個(gè)LED光學(xué)傳感器測(cè)得這個(gè)位移量后將其轉(zhuǎn)為電流，然后通過(guò)測(cè)量/補(bǔ)償線圈提供一個(gè)補(bǔ)償電流，使得質(zhì)塊回到原始狀態(tài)（平衡位置），根據(jù)補(bǔ)償電流的大小可以計(jì)算出相對(duì)重力值。

GT-2M海洋重力儀是在GT-1A航空重力儀基礎(chǔ)上研發(fā)出來(lái)的，與其他類型的重力儀相比，其平臺(tái)技術(shù)相對(duì)要優(yōu)越些，縱傾橫搖角度均高達(dá)±45°，且動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍高達(dá)±1g，可在惡劣海況下正常采集數(shù)據(jù)。

圖1　GT-2M海洋重力儀

圖2　GT-2M海洋重力儀傳感器工作原理示意圖

數(shù)據(jù)采集

在TB201502航次中，除KSS31M海洋重力儀原本就固定安裝在儀器房偏左的位置外，兩套GT-2M海洋重力儀與ZLS海洋重力儀以縱向排列的方式全部安裝在儀器房的船舶中心線附近。本航次共采集了16條測(cè)線，包括4條以往的重復(fù)測(cè)量測(cè)線以及L3線三個(gè)往返6條重復(fù)測(cè)線，實(shí)際測(cè)線分布見(jiàn)圖3。

在TB201502航次中出港前和進(jìn)港后，按海洋地質(zhì)調(diào)查規(guī)范進(jìn)行了重力基點(diǎn)的比對(duì)工作，探寶號(hào)船上的四套重力儀工作正常。除L3線其中一個(gè)往返重復(fù)測(cè)線分別采用8節(jié)、10節(jié)的航速外，其余測(cè)線均以6節(jié)的航速做勻速直線測(cè)量以盡量減小對(duì)比誤差。因工區(qū)靠近珠江口，實(shí)際作業(yè)時(shí)難以避免漁業(yè)活動(dòng)的影響，線上避漁船漁標(biāo)等情況時(shí)有發(fā)生。但正因?yàn)槿绱?，我們的采集?shù)據(jù)除了有換線轉(zhuǎn)向的數(shù)據(jù)，還有線上的轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)可供分析。避讓障礙物時(shí)，轉(zhuǎn)向幅度有大有小，本文將分別予以分析從而希望獲得三型重力儀比較全面的轉(zhuǎn)向性能對(duì)比。

圖3　實(shí)際測(cè)線分布圖

數(shù)據(jù)分析

因GT-2M海洋重力儀輸出的原始讀數(shù)為經(jīng)過(guò)厄特渥斯改正和正常場(chǎng)（Helmert公式）改正后的結(jié)果，而KSS31M和ZLS海洋重力儀提供的原始讀數(shù)是未經(jīng)任何改正的數(shù)據(jù)，因此，為了便于對(duì)比分析，在對(duì)各型重力儀實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)專門針對(duì)GT-2M海洋重力儀采取了相應(yīng)的處理措施。具體處理方法如下：

首先由原始數(shù)據(jù)中提取相關(guān)項(xiàng)，對(duì)不同儀器采用不同延遲時(shí)間進(jìn)行滯后校正（兩套GT-2M海洋重力儀采用150s濾波檔，KSS31M海洋重力儀及ZLS海洋重力儀的濾波延遲時(shí)間分別為76s、300s），并采用300s時(shí)間窗口對(duì)點(diǎn)位數(shù)據(jù)進(jìn)行圓滑處理；按野外記錄進(jìn)行基點(diǎn)高程改正并做零點(diǎn)漂移改正；對(duì)KSS31M和ZLS海洋重力儀數(shù)據(jù)全部測(cè)線采用即時(shí)航向、航速作厄特渥斯校正，并依1985正常重力場(chǎng)公式進(jìn)行正常場(chǎng)改正；GT-2M海洋重力儀數(shù)據(jù)不做厄特渥斯改正，根據(jù)Helmert公式反算出正常場(chǎng)改正值并進(jìn)行反向改正后，重新依1985正常重力場(chǎng)公式進(jìn)行正常場(chǎng)改正；因三種儀器原始數(shù)據(jù)抖動(dòng)程度不一，故使用不同長(zhǎng)度窗口進(jìn)行平滑處理，GT-2M海洋重力儀采用3000m窗口，KSS-31M海洋重力儀和ZLS海洋重力儀采用5000m窗口，最后得到自由空間重力異常（張向宇等，2015）。

線上轉(zhuǎn)向

D2測(cè)線作業(yè)時(shí)，因漁船干擾作業(yè)，在線上有兩次避船轉(zhuǎn)向，第一次是小幅轉(zhuǎn)向，約2min之內(nèi)偏線70m，第二次是大幅轉(zhuǎn)向，5min偏線378m。對(duì)這兩次轉(zhuǎn)向的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)圖4，左圖為小幅轉(zhuǎn)向的自由空間重力異常，右圖為大幅轉(zhuǎn)向的自由空間重力異常。

從圖4左圖可以看出，小幅轉(zhuǎn)向時(shí)KSS31M重力儀的異常幅值高達(dá)100mGal，ZLS重力儀也有40mGal左右的變化，而兩套GT-2M重力儀的異常幅值僅為約10mGal左右，明顯比前兩者平緩穩(wěn)定得多。從圖4右圖也可以看出，大轉(zhuǎn)時(shí)KSS31M重力儀的異常幅值高達(dá)200mGal左右，ZLS重力儀也達(dá)100mGal左右，而兩套GT-2M重力儀的異常曲線還是較為平緩，幾乎看不出大的擾動(dòng)。

綜合來(lái)看，線上避障礙時(shí)KSS31M海洋重力儀與ZLS海洋重力儀的轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)因厄特渥斯改正效果不佳必須進(jìn)一步處理后再判斷能否保留，否則應(yīng)予以刪除以保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，而對(duì)于GT-2M海洋重力儀來(lái)說(shuō)，只要航速相對(duì)穩(wěn)定，那么其轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)無(wú)需特殊處理即可使用，可以全部予以保留。

圖4?。ㄗ螅┚€上小幅轉(zhuǎn)向重力異常對(duì)比圖（右）線上大幅轉(zhuǎn)向重力異常對(duì)比圖

圖5　D1下線拐彎到D2上線前自由空間重力異常對(duì)比圖

換線轉(zhuǎn)向

海試過(guò)程中，D1測(cè)線作業(yè)時(shí)海況較好，而D2測(cè)線作業(yè)時(shí)海況轉(zhuǎn)差，且是旁風(fēng)旁浪，故截取D1測(cè)線下線到D2測(cè)線上線前這一段數(shù)據(jù)進(jìn)行分析更能發(fā)現(xiàn)重力儀轉(zhuǎn)向性能差異，其對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖5。

從圖5可以看出，換線轉(zhuǎn)彎時(shí)四套重力儀的異常曲線變化趨勢(shì)是一致的，但KSS31M重力儀和ZLS重力儀的異常曲線波動(dòng)較大，像KSS31M海洋重力儀的局部振幅就高達(dá)150mGal左右，而兩套GT-2M海洋重力儀的異常曲線可以說(shuō)是非常平穩(wěn)。同時(shí)還能看到，雖然KSS31M海洋重力儀的異常振幅偏大，但其穩(wěn)定速度比ZLS海洋重力儀要快，而GT-2M海洋重力儀比KSS31M海洋重力儀的穩(wěn)定速度更快。

這里要注意的是，不管是線上避障礙轉(zhuǎn)向還是換線轉(zhuǎn)向，KSS31M海洋重力儀的異常幅值遠(yuǎn)大于其它型號(hào)海洋重力儀的異常幅值是因?yàn)槠洳捎玫臑V波時(shí)間僅為76s，是四套重力儀中最小的，其數(shù)據(jù)抖動(dòng)度偏大同樣是這個(gè)原因引起的。

從L3測(cè)線往返測(cè)量處理后的自由空間重力異常平剖圖（圖6）可以看出，不同型號(hào)重力儀在換線轉(zhuǎn)向后的技術(shù)性能和數(shù)據(jù)特征存在一定差異。

從圖6中可以看到，同臺(tái)重力儀多次測(cè)量得到的異常曲線形態(tài)都較一致，但在線頭處KSS31M和ZLS重力儀均出現(xiàn)了不同程度的假異常，而兩套GT-2M重力儀得到的異常曲線則較為平滑。這是由于兩臺(tái)儀器在換線后還未進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)就上線測(cè)量導(dǎo)致的，這種假異常數(shù)據(jù)在后處理過(guò)程中是需要?jiǎng)h除的。而完全一致的測(cè)量情況下，GT-2M重力儀卻沒(méi)有這種問(wèn)題，在換線的情況下可快速穩(wěn)定，不需要對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除。KSS31M和ZLS重力儀在測(cè)線線尾的假異常也是同樣的原因?qū)е碌摹Ｊ聦?shí)上，這是因?yàn)槲覀兘厝〉南戮€時(shí)間超過(guò)了海洋重力調(diào)查規(guī)范中規(guī)定的5min延長(zhǎng)下線時(shí)間，包括了部分轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)。線頭和線尾處的數(shù)據(jù)對(duì)比充分說(shuō)明GT-2M海洋重力儀在換線后能迅速穩(wěn)定，且轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)精度高于KSS31M海洋重力儀和ZLS海洋重力儀。

圖6　L3測(cè)線往返測(cè)量處理后自由空間重力異常平剖圖

結(jié)束語(yǔ)

在以往的海洋重力測(cè)量中，當(dāng)測(cè)量船上下測(cè)線和規(guī)避艦船時(shí)，即會(huì)產(chǎn)生無(wú)效重力數(shù)據(jù)。對(duì)這些無(wú)效數(shù)據(jù)段，必須判斷清楚，予以剔除（易啟林等，2004）。而我們通過(guò)對(duì)三型四套海洋重力儀各種情況下的轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)分析認(rèn)為，GT-2M海洋重力儀通過(guò)獨(dú)特的設(shè)計(jì)使其在轉(zhuǎn)向后能使得陀螺平臺(tái)快速穩(wěn)定下來(lái)，從而極大地減小了因航向引起的厄特渥斯效應(yīng)，其小幅轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)無(wú)需特殊處理即可使用，大幅轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)在經(jīng)過(guò)處理后能最大程度地得以保留。因此，與其它類型重力儀相比，配備三軸慣導(dǎo)平臺(tái)上的重力儀有以下兩個(gè)明顯的特點(diǎn)：（1）在轉(zhuǎn)向過(guò)程中降低了因厄特渥斯效應(yīng)而引起的誤差；（2）當(dāng)測(cè)線交點(diǎn)正好處在航向航速變化的時(shí)間段時(shí)也能通過(guò)處理獲得較合理的自由空間異常數(shù)據(jù)，從而減小交點(diǎn)差，并最終提高整個(gè)測(cè)網(wǎng)的精度。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.15.029