SAG-2M型與KSS31M型海洋重力儀比測結果分析

張菲菲，孫建偉，韓波，杜潤林，王萬銀

(1.自然資源部天然氣水合物重點實驗室 青島海洋地質研究所，山東 青島 266071； 2.海洋國家實驗室 海洋礦產資源評價與探測技術功能實驗室，山東 青島 266071； 3.長安大學 重磁方法技術研究所，陜西 西安 710054；4.長安大學 地質工程與測繪學院，陜西 西安 710054；5.長安大學 西部礦產資源與地質工程教育部重點實驗室，陜西 西安 710054)

0 引言

海洋重力測量是海洋地球物理測量的主要技術手段之一，重力數據在現代國防領域、深海資源勘探領域以及地球科學研究領域中有廣泛的應用[1-5]，是國家的重要戰(zhàn)略資源。受研究目標的需求，獲得精度更高、分辨率更好的重力場數據是未來海洋重力測量的一項重要任務，而海洋重力數據的精度依賴于采集設備的穩(wěn)定性能和測量精度。目前，國內外海洋重力調查中使用的主流海洋重力測量設備主要是德國的KSS31型海洋重力儀、美國的L&R型海洋重力儀、美國的BGM型海洋重力儀以及俄羅斯與加拿大合作生產的GT型海洋重力儀[1-2,6-7]，儀器測量精度均可達到1×10-5m/s2。國內海洋重力儀研制起步比較晚，最早是從20世紀60年代開始開展海洋重力儀的研制工作，但均未形成成熟的商業(yè)化產品。近年來，隨著科技的發(fā)展，國內針對海洋重力儀進行了積極的研制工作，其中比較有代表性的是中國航天科技集團公司第九研究院第十三研究所(航天十三所)自主研發(fā)的海洋重力儀SAG-2M型海洋重力儀[7]，該重力儀為捷聯慣導式重力儀，測試內符合精度為1×10-5m/s2，并實現了小批量生產。

2018年青島海洋地質研究所擬引進一套SAG-2M重力儀，根據現行的海洋重力測量規(guī)范[8-9]，新重力儀投入使用前需明確測量儀器的指標要求，對技術指標進行驗證和評估是測量作業(yè)規(guī)程中非常重要的組成部分。海洋重力儀的技術性能指標一般包括測量范圍(量程)、抗干擾能力(動態(tài)范圍)、動態(tài)重復測量精度、零點漂移特性、采樣率和工作溫度等內容[10-11]，其中動態(tài)重復測量精度是海洋重力儀最關鍵的技術指標。動態(tài)重復測量精度可以通過實驗室動態(tài)重復觀測和海洋實際工作兩種方式來進行檢驗[10]，海洋實際工作的測量精度更能體現測量環(huán)境時空變化對重力測量成果的影響。海洋作業(yè)驗證新重力儀的測量精度可以用外部符合方法對重力儀的實際測量精度進行檢驗，即采用兩臺或多臺重力儀同平臺觀測，通過對比不同儀器在同一時刻的觀測結果獲取參試重力儀測量精度的評估信息，該方法被國內外多家海洋調查和科研機構所廣泛使用，并取得了較好的比測結果。歐陽永忠等[12]對GT-1A、TAGS、L&R SⅡ、SGA-WZ01和GDP-1五套航空重力儀進行了同機測試，對所獲取的重復線和測網成果數據進行了對比分析，GT-1A型航空重力儀綜合性能技術指標最佳，國產SGA-WZ01捷聯航空重力儀具有最佳的重復線測量精度，此項工作掌握了多類型商業(yè)重力儀的技術性能指標，驗證國產重力儀數據可靠性；張向宇等[13]對GT-2M、KSS31M和ZLS三種不同類型的重力儀進行了同船比測工作，測試結果表明，相同的測量條件下，3種型號重力儀的測量結果一致性較好，GT-2M型重力儀數據精度略好；張振波[14]對GT-1M和KSS31M海洋重力儀進行了比對，以驗證GT-1M重力儀的可靠性，測試結果表明2臺重力儀測量結果吻合，但是該工作中KSS31M重力數據使用的是網格數據，而不是同船比測數據。國外也有過GT與美國L&R重力儀同船比對測量的實例[15]，但是針對SAG-2M型海洋重力儀的同船測試結果較少，研發(fā)單位曾開展過與GT-1A型重力儀的測試比對，比對精度小于1×10-5m/s2，但未見詳細測試結果。

為系統(tǒng)了解并檢測SAG-2M型海洋重力儀的技術性能和工作特點，青島海洋地質研究所于2018年8月搭載SAG-2M和KSS31M重力儀進行了同船比測工作，并對所獲取的重力數據進行了數據處理及對比分析。這2種型號的海洋重力儀傳感器和工作原理有所不同，但儀器的技術性能指標相近，通過同船比測及數據對比分析可以深入了解不同型號海洋重力儀的工作特點，驗證新重力儀數據可靠性，為開展相關技術研究與未來裝備選型提供重要參考依據。

1 SAG-2M和KSS31M海洋重力儀參數對比

1.1 SAG-2M海洋重力儀基本參數

SAG-2M型海洋重力儀是航天十三所自主研發(fā)的海洋重力儀，該重力儀采用高精度石英加速度計式重力傳感器，將重力傳感器集成于捷聯慣性/GNSS組合系統(tǒng)中，通過捷聯慣性/GNSS組合系統(tǒng)數學解算計算出重力傳感器敏感軸指向，然后經過坐標分解得出重力傳感器測量值的垂向分量。

SAG-2M型海洋重力儀系統(tǒng)主要的測量部件為重力儀主機(圖1)，主機內部集成了石英加速度計式重力傳感器、高精度光纖陀螺儀、二次電源轉換電路、計算機電路、重力傳感器高精度信號轉換電路、GNSS OEM板卡、高精度溫控電路等。重力儀主要配套部件包括顯控記錄裝置、UPS電源單元和減震支架。該海洋重力儀結構簡單，體積小巧，與傳統(tǒng)海洋重力儀相比無CC效應，傳感器動態(tài)范圍寬，對載體平臺動態(tài)環(huán)境適應性好，主要技術參數見表1。

圖1 SAG-2M型海洋重力儀主機Fig.1 The main frame of SAG-2 Mmarine gravimeter

1.2 KSS31M型海洋重力儀基本參數

KSS31M型海洋重力儀是德國Bodensee公司生產的海洋重力儀[16-19]，其平臺抗干擾能力強，儀器測量精度高，被國內外多家單位和科研機構使用，工作性能得到業(yè)內認可。該重力儀采用直立彈簧式重力傳感器，重力采集系統(tǒng)主要由兩部分組成(圖2)，分別是重力探頭及陀螺平臺穩(wěn)定系統(tǒng)(KT31)和數據采集控制系統(tǒng)(DHS)，其主要技術參數見表1所示。該型號海洋重力儀抗干擾能力強，儀器測量精度高，通常小于1×10-5m/s2。

表1 SAG-2M與KSS31M海洋重力儀技術參數對比

2 數據采集及處理

2.1 數據采集

2018年8月青島海洋地質研究所組織SAG-2M及KSS31M型海洋重力儀同船搭載“海大號”綜合科考船執(zhí)行調查采集任務，共采集測線44條，其中主測線25條，聯絡測線19條，測線布設見圖3。數據采集過程嚴格按照儀器操作和海洋地質調查規(guī)范執(zhí)行，測量期間儀器運行正常，在同一泊位進行重力基點比對測量，月漂移量均小于2.0×10-5m/s2。

圖3 測線布設(底圖為測區(qū)地形)Fig.3 Distribution map of survey lines (residual topographic map)

2.2 數據處理

本次數據處理依據新版海洋地質調查規(guī)范[1-2,9-10,20]，利用CGG公司LCT重磁處理軟件進行了數據處理，處理步驟及參數如下。

1) 數據讀取。SAG-2M和KSS31M重力儀采樣間隔為 1 s，對原始采集數據進行了整理，按照時間提取了各測線相關數據項：年、儒列日、時、分、秒、重力儀讀數。為了進行位置校準，從同船導航數據中提取了經度、緯度數據。

2) 延遲校正。SAG-2M和KSS31M海洋重力儀測量的重力讀數與實時的GPS定位數據之間存在濾波延遲，數據處理時需要根據儀器所選檔位的濾波延遲時間對重力讀數進行延遲校正。本次測量過程中SAG-2M型海洋重力儀濾波延遲時間為189 s，KSS31M型海洋重力儀濾波延遲時間為76 s。

3) 零點漂移校正。重力儀零點漂移均按照線性變化處理，根據出航及返航在港口碼頭重力基點處重力讀數，計算零漂量，按照時間分配到重力儀讀數上。零點漂移計算公式為[1-2]：

(1)

其中：t1為航次起始時基點讀數時間；t2為航次結束時基點讀數時間；ti為采樣點觀測時讀數時間；g零漂為零點漂移量，單位10-5m/s2；δR為零點漂移改正值，單位10-5m/s2。

4) 厄特渥斯校正。厄特渥斯效應是走航式重力測量過程中，科氏力對于安裝在測量船上的重力儀所施加的影響，導致測量重力值與實際重力值不符，該效應與航向、航速和船只所在的地理緯度有關。為了消除厄特渥斯效應，利用定位數據計算了船只的航速、航向，對所有測線數據進行了厄特渥斯改正，厄特渥斯改正公式為[1-2]：

δge=7.499×V×sinA·cosφ+0.004V2，

(2)

其中，δge為厄特渥斯改正值，單位10-5m/s2；V為航速，單位m/h；A為航向角；φ為測點的地理緯度。

5) 正常場校正。采用CGCS2000正常重力公式計算正常重力場，其計算公式為[1-2,21]：

(3)

其中：γ0為正常重力場值，單位10-5m/s2，φ為測點的地理緯度。

6) 自由空間重力異常計算。測點自由空間重力異常計算公式為：

g=g0+CΔs+δR+δge-γ0，

(4)

其中：g為測點的自由空間重力異常值，單位10-5m/s2；g0為基點絕對重力值，單位10-5m/s2；C為重力儀格值常數；Δs為測點與基點之間的重力儀讀數差，單位10-5m/s2。

3 數據比對分析

為方便討論測量精度問題，筆者使用了3個衡量測量精度的指標參數[11,22-23]，分別為平均絕對偏差(mad)、均方根(rms)以及標準偏差(std)，使用相關系數(rab)來衡量2組數據之間的相關性，計算公式分別為：

(5)

(6)

(7)

(8)

為詳細評估2臺重力儀所獲得數據的測量精度，依據上述指標參數，對2臺重力儀自由空間重力數據的交點差、同測線數據、全區(qū)網格數據進行了對比分析。

3.1 數據交點差

利用LCT重磁處理軟件計算了2臺儀器自身及儀器間的交點差，儀器自身是計算主測線與聯絡測線交點差，儀器間是計算主測線與另一臺儀器的聯絡測線交點差，表2給出了2臺儀器自身和儀器之間交點差平均絕對偏差、均方根及標準偏差的統(tǒng)計結果。主測線與聯絡測線之間交點共有480個，交點差統(tǒng)計結果可以看出2臺儀器在本次的測量中精度較高，優(yōu)于1×10-5m/s2，兩者的自身交點差相近，表明2臺儀器處理后數據精度相近；2臺儀器之間交點差相近，這說明2臺儀器處理后數據不存在系統(tǒng)差值。對比所有的交點差結果，SAG-2M相關的交點差相對小，均小于KSS31M自身的交點差，從交點差統(tǒng)計的角度來看，在本次同船比測中，SAG-2M型海洋重力儀處理后數據精度略優(yōu)于KSS31M型海洋重力儀。

表2 儀器交點差統(tǒng)計 10-5 m/s2

3.2 測線數據比對

選取不同測量位置的8條主測線進行了對比分析，將8條測線處理后自由空間重力異常以平面剖面圖展示(圖4)，由圖4可知，2臺重力儀得到的自由空間重力異?？傮w趨勢一致，異常特征高度相似。但2臺重力儀在此次測量中也各自存在問題，KSS31M重力儀在Z01、Z07、Z28測線存在跳點數據(圖5中綠色圓圈所示)，而SAG-2M重力儀不存在跳點數據；SAG-2M重力儀在Z46、Z55測線存在鋸齒狀數據(圖5中紫色矩形框所示)，即數據抖動的情況，而KSS31M重力儀不存在該情況。

圖5 網格數據偏差分布Fig.5 The distribution map of grid data deviation

圖4 部分測線自由空間重力異常平面剖面示意Fig.4 The free air gravity anomaly profile map of parts of survey lines

為了分析兩者之間的偏差，計算了2臺重力儀在同一測線的自由空間重力數據的相關系數，兩者偏差的平均絕對偏差、均方根以及標準偏差，計算結果見表3。由2臺儀器處理后同測線數據偏差統(tǒng)計結果可得，SAG-2M與KSS31M2臺重力儀在8條測線上的測量結果高度線性相關，相關系數均>0.99；各測線之間的偏差相當，平均絕對偏差范圍(0.59～1.028)×10-5m/s2；2臺儀器在同一測線上的標準偏差較小，均<0.8×10-5m/s2，同測線偏差統(tǒng)計結果略大于儀器間交點差統(tǒng)計結果。通過對測線自由空間重力異常曲線及數據偏差比對，可知SAG-2M重力儀與KSS31M重力儀在本次測量中數據處理結果吻合，這也表明SAG-2M在此次測量中得到的結果是可靠的。

表3 同測線2臺重力儀測量偏差統(tǒng)計

3.3 網格數據比對

為了更全面地對比2臺重力儀測量數據之間的關系，對全區(qū)網格化數據進行了對比分析。將2臺重力儀得到的自由空間重力數據進行了網格化，網格間距為2 km，搜索半徑為20 km，共得到網格節(jié)點8 976個。

對2臺重力儀全區(qū)網格化數據進行了偏差統(tǒng)計(表4)，兩者之間相關系數0.994 5，為高度線性相關，網格數據偏差的絕對平均偏差、均方根以及標準偏差與測線比對結果相近。圖5為網格數據偏差，兩套數據間偏差多分布于(-2～2)×10-5m/s2之間，約占總網格節(jié)點的97.3%。對數據偏差超過3倍標準偏差的點進行了統(tǒng)計(圖5紫色圓點)，偏差較大的網格點共有248個點，占總網格節(jié)點的 2.76%。選取偏差較大網格點分布相對較多的測線Z01和Z40，對兩臺儀器的自由空間重力異常曲線進行對比(圖6)，Z01線偏差較大點位于測線左側，兩臺儀器的自由空間重力異常趨勢相似，但是KSS31M數據有跳動，造成了兩者之間偏差較大；Z40線偏差較大點位于測線中央位置，兩臺儀器的自由空間重力異常趨勢高度相似，但是幅值略有偏差。分析其原因，由于兩臺儀器的測量原理有所不同，在實際測量中會因為海況或儀器本身信號處理方式不同造成數據之間有所偏差，但不影響整體數據質量。

表4 網格數據偏差統(tǒng)計

圖6 偏差較大測線自由空間重力異常曲線對比示意Fig.6 Contrast diagram of free air gravity anomaly with larger data deviation

4 結論

本次同船比測過程中，在同一調查船上獲得了SAG-2M型海洋重力儀與KSS31M型海洋重力儀的同船作業(yè)數據。依據海洋地質調查規(guī)范處理了2臺重力儀采集的原始重力數據，對處理后自由空間重力異常數據進行了全面的對比分析，總結得到如下結論：

1) 在相同環(huán)境的動態(tài)測量條件下，2臺重力儀處理后自由空間重力數據變化趨勢一致，兩者之間高度線性相關，測量精度相當，動態(tài)測量精度優(yōu)于 1×10-5m/s2，進而驗證了SAG-2M型海洋重力儀在本次測量中數據的可靠性。

2) SAG-2M型海洋重力儀采用石英加速度計傳感器，屬于捷聯慣導式重力儀，本次測試對其工作性能進行了全面檢驗。通過動態(tài)測量及數據比對，該儀器具有平臺穩(wěn)定性高，測量精度高等特點。此項工作為SAG-2M型海洋重力儀的研發(fā)及測量工作提供了重要的參考依據。

致謝：本次比測工作得到了航天十三所的大力協(xié)助，李東明博士在數據處理及文章撰寫工作中提供了寶貴的意見和技術支持，在此向航天十三所單位領導和技術人員表示誠摯的感謝。