海洋重力計(jì)量體系及方法

胡 若，吳書清，馮金揚(yáng)，王啟宇，李春劍

（中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院,北京100029）

0 引言

重力加速度（后文簡(jiǎn)稱 “重力”）的精確測(cè)量對(duì)于一個(gè)國(guó)家的發(fā)展具有極其重要的作用，其在定位導(dǎo)航、地下資源勘探、地震災(zāi)害預(yù)警及計(jì)量科學(xué)（質(zhì)量重新定義和光鐘）等領(lǐng)域中均有著重要的意義。遠(yuǎn)程彈道導(dǎo)彈及航天衛(wèi)星等空間飛行裝置的發(fā)射、衛(wèi)星的返回、地下結(jié)構(gòu)的測(cè)量等，均離不開高精度的地球重力模型及對(duì)應(yīng)重力點(diǎn)位的重力場(chǎng)參量[1-5]。通過(guò)重力研究地球內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的信息和變化規(guī)律，是當(dāng)前地震研究及預(yù)報(bào)最為有效的技術(shù)手段之一。重力加速度的精確測(cè)量還是其他力學(xué)基準(zhǔn)的重要技術(shù)支持之一。目前，越來(lái)越多的研究領(lǐng)域開始關(guān)注重力加速度的測(cè)量及應(yīng)用。

在海洋定位導(dǎo)航方面，不同研究領(lǐng)域?qū)τ谥亓铀俣葴y(cè)量的準(zhǔn)確性、可靠性要求越來(lái)越高。以水下載體對(duì)海洋絕對(duì)重力的應(yīng)用需求為例，水下運(yùn)載體能以重力場(chǎng)作為導(dǎo)航手段。結(jié)合水下載體所處位置的重力數(shù)據(jù)和已測(cè)得的海洋重力場(chǎng)模型，獲取載體的定位信息，再根據(jù)重力場(chǎng)的變化特征進(jìn)行航線修正，最終運(yùn)載體即可實(shí)現(xiàn)無(wú)源導(dǎo)航，提高水下載體的隱蔽性。根據(jù)相關(guān)研究的結(jié)論，若忽略重力變化對(duì)水下運(yùn)載體運(yùn)行的影響，72h航行的累計(jì)定位誤差將達(dá)約3km[6-7]。如果利用重力儀對(duì)水下載體慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的重力異常和垂線偏差進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償，則能夠有效降低定位誤差。同時(shí)，水下重力場(chǎng)的測(cè)量數(shù)據(jù)可以反推出海底地形，可為水下設(shè)備的安全航行和戰(zhàn)術(shù)規(guī)避提供重要依據(jù)[8-9]。

此外，海洋重力數(shù)據(jù)還在多個(gè)領(lǐng)域有重要意義。從經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域來(lái)看，基于對(duì)海洋重力數(shù)據(jù)的分析，能夠快速、準(zhǔn)確獲取海底礦產(chǎn)資源信息，有利于加速海洋礦產(chǎn)資源的勘探和開發(fā)。從國(guó)家海洋領(lǐng)土主權(quán)出發(fā)，海洋重力測(cè)量有助于確定臨海基線、國(guó)際海域?qū)儋Y源區(qū)域的劃界等，有助于實(shí)現(xiàn)重大海權(quán)的維護(hù)工作。在地球科學(xué)研究領(lǐng)域中，海洋重力數(shù)據(jù)可被應(yīng)用于研究海洋與陸地巖石圈結(jié)構(gòu)、地殼構(gòu)造及地殼均衡等，可提供海底及地球內(nèi)部信息。對(duì)地球動(dòng)力學(xué)而言，可通過(guò)對(duì)重力場(chǎng)的重復(fù)觀測(cè)獲取地球形狀隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)，以研究地球內(nèi)部構(gòu)造，監(jiān)測(cè)地球內(nèi)部的結(jié)構(gòu)變化和板塊運(yùn)動(dòng)[10-12]。重力加速度在眾多領(lǐng)域中的應(yīng)用對(duì)重力測(cè)量的準(zhǔn)確性提出了更高的要求，而重力值的準(zhǔn)確、可靠離不開重力計(jì)量。

1 重力計(jì)量溯源與傳遞

1.1 簡(jiǎn)介

傳統(tǒng)的國(guó)際單位制由7個(gè)基本單位組成，任何1個(gè)被測(cè)量的單位均能夠溯源到這7個(gè)基本單位。重力加速度的量值單位 “m/s2”是由國(guó)際基本單位中的 “米（m）” 和 “秒（s）” 導(dǎo)出的。因而，在重力測(cè)量的過(guò)程中，重力加速度的測(cè)量準(zhǔn)確性是溯源到國(guó)家長(zhǎng)度基準(zhǔn) “米”和時(shí)間頻率基準(zhǔn)“秒”來(lái)保證的。量值溯源及傳遞的過(guò)程必須有載體，當(dāng)前，用于直接測(cè)量重力加速度的絕對(duì)重力儀是實(shí)現(xiàn)重力測(cè)量值傳遞與溯源的主要工具和載體。長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)際計(jì)量界一直致力于將7個(gè)基本單位定義到基本物理常數(shù)上。基于基本物理常數(shù)本身的穩(wěn)定性，確保所有被測(cè)量能夠精準(zhǔn)溯源?！懊搿倍x為銫133原子不受干擾的基態(tài)超精細(xì)躍遷頻率，“米”則利用真空中的光速和秒來(lái)定義[13-14]。2018年11月，第26屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)通過(guò)了對(duì)千克（kg）、 安培（A）、 開爾文（K）、 摩爾（mol）4個(gè)基本單位的重新定義，完成了對(duì)所有7個(gè)基本單位的重新定義，新的SI國(guó)際單位制于2019年5月20日開始啟用。

國(guó)際上，重力計(jì)量工作的一座里程碑是國(guó)際計(jì)量局在2009年將國(guó)際絕對(duì)重力儀比對(duì)列為關(guān)鍵比對(duì)（Key Comparison，KC），這充分體現(xiàn)了計(jì)量領(lǐng)域?qū)χ亓τ?jì)量的重視程度[15]。根據(jù)國(guó)際計(jì)量委員會(huì)-質(zhì)量及相關(guān)量咨詢委員會(huì)（CIPM-CCM）和國(guó)際大地測(cè)量協(xié)會(huì)（IAG）共同發(fā)表的聲明，通過(guò)國(guó)際比對(duì)得到比對(duì)點(diǎn)位的重力參考值和參加比對(duì)的絕對(duì)重力儀的等效度，各個(gè)國(guó)家的重力測(cè)量能力可以建立在參加關(guān)鍵比對(duì)的絕對(duì)重力儀或舉辦重力關(guān)鍵比對(duì)的點(diǎn)位上。

1.2 國(guó)家重力基準(zhǔn)概述

長(zhǎng)期以來(lái)，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院致力于重力計(jì)量基準(zhǔn)裝置的研制。通過(guò)參加國(guó)際比對(duì)，使我國(guó)重力測(cè)量的數(shù)據(jù)與世界其他實(shí)驗(yàn)室的測(cè)量數(shù)據(jù)保持一致，從而達(dá)到國(guó)際互認(rèn)和為國(guó)際、國(guó)內(nèi)貿(mào)易服務(wù)的目的[16-17]。2017年，第10屆全球絕對(duì)重力儀國(guó)際比對(duì)在中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院昌平院區(qū)舉行。這是該重要國(guó)際關(guān)鍵比對(duì)36年來(lái)首次移出歐洲舉辦，確定了國(guó)際重力基準(zhǔn)原點(diǎn)來(lái)到了中國(guó)。此次比對(duì)，來(lái)自中國(guó)、美國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、瑞士、日本、韓國(guó)等14個(gè)國(guó)家的32臺(tái)絕對(duì)重力儀參加了比對(duì)，形成了新的國(guó)際重力基準(zhǔn)原點(diǎn)，為建設(shè)國(guó)際一流的國(guó)家重力基準(zhǔn)能力打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

擬建的國(guó)家重力基準(zhǔn)由舉辦過(guò)國(guó)際重力關(guān)鍵比對(duì)的重力基準(zhǔn)原點(diǎn)和相關(guān)儀器組成，利用絕對(duì)重力儀、相對(duì)重力儀、超導(dǎo)重力儀及潮汐重力儀共同協(xié)作維護(hù)，確保了該點(diǎn)位重力值的準(zhǔn)確性，其具體構(gòu)建框架如圖1所示。

圖1 國(guó)家重力計(jì)量基準(zhǔn)構(gòu)建示意圖Fig.1 Schematic diagram of national gravity measurement benchmark construction

重力測(cè)量主要有2種技術(shù)手段：1）用絕對(duì)重力儀進(jìn)行直接測(cè)量；2）用相對(duì)重力儀進(jìn)行引值。相對(duì)重力測(cè)量的相對(duì)精度較低，其測(cè)量方式較多，但設(shè)備自身原理的限制導(dǎo)致了不同設(shè)備存在不同的弊端。所有相對(duì)重力測(cè)量設(shè)備均存在數(shù)據(jù)漂移的問(wèn)題，需要將設(shè)備進(jìn)行定期格值標(biāo)定或依托基準(zhǔn)點(diǎn)位進(jìn)行校準(zhǔn)。利用絕對(duì)重力儀測(cè)量重力加速度具有無(wú)數(shù)據(jù)漂移、測(cè)量快速有效等優(yōu)點(diǎn)。因此，絕對(duì)重力儀通常可考慮作為計(jì)量基標(biāo)準(zhǔn)裝置。此外，絕對(duì)重力儀還是重力測(cè)量量值溯源和傳遞的主要載體。

目前，絕對(duì)重力儀的原理實(shí)現(xiàn)主要有2種技術(shù)途徑：光學(xué)干涉法和原子干涉法。光學(xué)干涉法主要利用角錐棱鏡在真空度較高的環(huán)境中做上拋或自由下落的運(yùn)動(dòng)，角錐棱鏡在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中利用激光干涉來(lái)測(cè)量其運(yùn)動(dòng)距離，同時(shí)用原子鐘記錄棱鏡的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，最后利用最小二乘法對(duì)重力加速度值進(jìn)行擬合求解。原子干涉型絕對(duì)重力儀采用冷原子作為檢測(cè)物體，利用激光和磁場(chǎng)線圈構(gòu)成的磁光阱固定住原子團(tuán)，進(jìn)而利用激光脈沖分束、反射、合束形成冷原子干涉，最后測(cè)量出原子與探測(cè)光共振而發(fā)出的熒光信號(hào)，以確定原子數(shù)目，從而獲取重力加速度值。

在光學(xué)干涉法中，落體自由下落的距離可通過(guò)激光干涉法得到，其等于干涉條紋數(shù)N乘以激光半波長(zhǎng)λ/2，單位為 “米（m）”。落體自由下落距離的測(cè)量不確定度主要受激光器所產(chǎn)生的激光真空波長(zhǎng)的影響。因此，所用的激光器需要定期溯源到SI國(guó)際單位制“米（m）”。落體自由下落的時(shí)間對(duì)應(yīng)于落體自由下落距離的時(shí)間間隔，由原子鐘的時(shí)鐘信號(hào)得到，單位為 “秒（s）”。落體自由下落距離的時(shí)間間隔的測(cè)量不確定度主要受原子鐘產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)的影響。因此，所用的原子鐘需要定期溯源到SI國(guó)際單位制 “秒（s）”。

在原子干涉法中，冷原子的作用時(shí)間及所用的激光頻率都需要溯源到SI國(guó)際單位制 “秒（s）”。

絕對(duì)重力儀是重力測(cè)量溯源性、準(zhǔn)確性的根本保證。絕對(duì)重力儀的測(cè)量結(jié)果通過(guò)長(zhǎng)度和時(shí)間頻率基準(zhǔn)溯源到SI國(guó)際單位制，其準(zhǔn)確性和不確定度可通過(guò)不同層次的同期、同址開展的比對(duì)活動(dòng)來(lái)進(jìn)行確定和評(píng)估。

1.3 重力量值的溯源傳遞方法

重力量值的溯源與傳遞是保證不同地區(qū)和行業(yè)的重力值統(tǒng)一可用的根本保證，重力加速度量值溯源與傳遞模式如圖2所示。工作用絕對(duì)重力儀可以通過(guò)比對(duì)法溯源到國(guó)家基標(biāo)準(zhǔn)裝置或基準(zhǔn)點(diǎn)，其他類型的相對(duì)重力儀可以通過(guò)比較法溯源到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)裝置或基準(zhǔn)點(diǎn)，各標(biāo)準(zhǔn)裝置通過(guò)比對(duì)法溯源到國(guó)家重力基準(zhǔn)上，國(guó)家重力基準(zhǔn)則直接溯源至國(guó)際基本單位制 “米”和 “秒”上。

2 海洋重力計(jì)量體系工作的展望和建議

海洋面積占地球面積的71%，要準(zhǔn)確研究地球形狀與地球內(nèi)部構(gòu)造，勘探海洋豐富的礦產(chǎn)資源，保障航天和遠(yuǎn)程武器發(fā)射等，就必須研究海洋重力場(chǎng)的精細(xì)結(jié)構(gòu)，而高精度的海洋重力測(cè)量正是解決這些問(wèn)題的重要手段之一。隨著建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)發(fā)展戰(zhàn)略的逐步實(shí)施和國(guó)防發(fā)展戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型的持續(xù)推進(jìn)，我國(guó)海洋經(jīng)濟(jì)建設(shè)和海戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境建設(shè)對(duì)海洋重力場(chǎng)信息的保障需求日趨緊迫。

2.1 海洋重力計(jì)量體系的現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)已實(shí)現(xiàn)海洋重力測(cè)量?jī)x器的國(guó)產(chǎn)化，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的捷聯(lián)式航空重力儀、海洋重力儀和三軸平臺(tái)式海洋重力儀的研制也取得了相應(yīng)的進(jìn)展，其測(cè)量精度已經(jīng)達(dá)到或接近國(guó)外先進(jìn)水平。目前，所研制出的海洋重力測(cè)量裝置多為相對(duì)重力測(cè)量裝置，需要依靠岸邊基準(zhǔn)點(diǎn)位進(jìn)行數(shù)據(jù)閉合，用以進(jìn)行數(shù)據(jù)閉合的基準(zhǔn)點(diǎn)位則涉及到了海洋重力計(jì)量體系。區(qū)別于陸地重力計(jì)量體系，未來(lái)的海洋重力計(jì)量體系需要考慮遠(yuǎn)洋艦船在重力測(cè)量過(guò)程中是以連續(xù)測(cè)量的方式進(jìn)行工作，能夠在重力測(cè)量過(guò)程中對(duì)測(cè)量設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)標(biāo)校，以保證測(cè)量結(jié)果的真實(shí)可靠。

圖2 重力加速度量值溯源與傳遞框圖Fig.2 Tracing and transferring frames of gravity acceleration

目前，國(guó)內(nèi)已經(jīng)在部分重點(diǎn)港口城市建立了重力基準(zhǔn)點(diǎn)，用于重力儀的校準(zhǔn)和海洋重力的研究工作，點(diǎn)位位置如圖3所示[18]。但是，我國(guó)沿海線較長(zhǎng)，當(dāng)前所建立的海洋重力基準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)量不足以滿足國(guó)家海洋開發(fā)戰(zhàn)略的要求。“十九大”報(bào)告中明確指出 “加快建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)”，國(guó)家的重視為海洋重力計(jì)量技術(shù)的發(fā)展提供了契機(jī)。未來(lái)的工作需要從兩方面同時(shí)進(jìn)行，一是研制能夠作為計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器使用的海洋絕對(duì)重力測(cè)量裝置，二是建立更多更好的海洋重力基準(zhǔn)點(diǎn)位，并建立相應(yīng)的量傳體系來(lái)支持海洋重力網(wǎng)的建設(shè)。

圖3 海洋重力基準(zhǔn)點(diǎn)布置城市示意圖Fig.3 Schematic diagram of reference point of marine gravity layout city

2.2 海洋重力計(jì)量體系構(gòu)建的建議

海洋重力計(jì)量體系是建立在現(xiàn)有的重力計(jì)量體系的基礎(chǔ)上的。未來(lái)，海洋重力計(jì)量體系的建立需利用先進(jìn)的計(jì)量技術(shù)以及計(jì)量及標(biāo)準(zhǔn)設(shè)施，并在此基礎(chǔ)上開展海洋重力基準(zhǔn)點(diǎn)等工作，以此確保我國(guó)海洋重力量值的準(zhǔn)確可靠。

建立海洋重力計(jì)量體系的首要工作是研制可作為海洋重力量值溯源與傳遞載體的海洋絕對(duì)重力儀?；诋?dāng)前國(guó)內(nèi)對(duì)光學(xué)干涉型絕對(duì)重力儀研制經(jīng)驗(yàn)較為豐富的情況，建議將Faller教授提出的凸輪驅(qū)動(dòng)型光學(xué)絕對(duì)重力儀作為首要研制目標(biāo)。凸輪快速絕對(duì)重力儀的結(jié)構(gòu)如圖4所示，其基于自由落體光學(xué)干涉型絕對(duì)重力儀的工作原理，由凸輪作為驅(qū)動(dòng)器來(lái)使角錐棱鏡進(jìn)行快速的往復(fù)自由落體運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)絕對(duì)重力測(cè)量[19-23]。擬設(shè)計(jì)的凸輪驅(qū)動(dòng)型絕對(duì)重力儀能夠?qū)崿F(xiàn)200次/min的重力測(cè)量，不確定度優(yōu)于5μGal。研制出此款絕對(duì)重力儀后，可將此絕對(duì)重力儀配在海洋重力基準(zhǔn)點(diǎn)上作為標(biāo)準(zhǔn)器，用于基準(zhǔn)的建立和維護(hù)。此外，還可以將此儀器配合慣性平臺(tái)進(jìn)行使用，作為艦船搭載的絕對(duì)重力儀，在實(shí)現(xiàn)海上絕對(duì)重力測(cè)量的同時(shí)還可為艦載相對(duì)重力儀進(jìn)行標(biāo)校工作。

圖4 凸輪驅(qū)動(dòng)型絕對(duì)重力儀Fig.4 Cam-driven absolute gravimeter

在進(jìn)行新型重力計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器研究的同時(shí)，應(yīng)在我國(guó)沿海線進(jìn)行大范圍、高密度的絕對(duì)重力標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)建設(shè)，并在重點(diǎn)港口海岸建立海洋重力基準(zhǔn)。未來(lái)的海洋計(jì)量基準(zhǔn)計(jì)劃由超導(dǎo)重力儀和原子干涉絕對(duì)重力儀組成，組成后將進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)[24-25]，如圖5所示。此外，重力基準(zhǔn)將配備超導(dǎo)重力儀，對(duì)該點(diǎn)位的重力變化進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)，以得到該處固體潮汐和海洋潮汐的精準(zhǔn)模型。為確保海洋重力基準(zhǔn)的準(zhǔn)確性，安排所使用的絕對(duì)重力儀定期參加相關(guān)比對(duì)活動(dòng)，并將重力觀測(cè)平差引值到海洋重力基準(zhǔn)，最終形成海洋重力基準(zhǔn)。

圖5 原子干涉型絕對(duì)重力儀與超導(dǎo)重力儀Fig.5 Atomic interference absolute gravimeter and superconducting gravimeter

為了滿足不同測(cè)量范圍、不同測(cè)量精度的海洋重力儀的校準(zhǔn)需求，需要形成海洋重力儀靜態(tài)校準(zhǔn)（靜態(tài)漂移）和動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)（動(dòng)態(tài)測(cè)量精度）能力。實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)的技術(shù)路線為：利用不確定度達(dá)到微伽級(jí)的絕對(duì)重力儀以及絕對(duì)重力控制點(diǎn)將被校準(zhǔn)的海洋重力儀（不確定度為毫伽級(jí)的相對(duì)重力儀）溯源至SI國(guó)際單位制。

針對(duì)海洋重力儀的靜態(tài)校準(zhǔn)，需要提供較好的校準(zhǔn)環(huán)境及較為全面的重力場(chǎng)信息。首先，建立隔振性能良好的地基，并對(duì)該位置進(jìn)行絕對(duì)重力的精準(zhǔn)測(cè)量，以形成標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位。隨后，對(duì)10m垂線距離范圍內(nèi)的重力變化進(jìn)行測(cè)量（重力梯度約為1m對(duì)應(yīng)300μGal）。最終，利用測(cè)量結(jié)果進(jìn)行海洋重力儀的校準(zhǔn)工作。

動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)指對(duì)處于運(yùn)動(dòng)測(cè)量狀態(tài)下的重力儀進(jìn)行校準(zhǔn)，因而其需要在動(dòng)態(tài)平臺(tái)上完成校準(zhǔn)工作。擬提供一個(gè)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤，利用運(yùn)動(dòng)過(guò)程中水平重力變化及質(zhì)量塊遷移造成的疊加引力變化。其校準(zhǔn)過(guò)程主要是對(duì)該基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行絕對(duì)重力的精準(zhǔn)測(cè)量，然后利用運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)海洋重力儀。

海洋計(jì)量基準(zhǔn)建立之后，可利用標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室及周邊海域開展測(cè)量范圍大、需求精度低的海洋重力儀校準(zhǔn)以及非線性漂移的平臺(tái)式海洋重力儀的校準(zhǔn)工作?？衫酶叽罂臻g實(shí)驗(yàn)室開展測(cè)量范圍小、需求精度高的海洋重力儀的校準(zhǔn)工作，以及開展漂移近似線性的捷聯(lián)式海洋重力儀的校準(zhǔn)工作。

根據(jù)所提出的海洋重力基準(zhǔn)的能力構(gòu)建需求，同時(shí)考慮需對(duì)外來(lái)海洋重力儀進(jìn)行校準(zhǔn)，建議未來(lái)的海洋重力實(shí)驗(yàn)室由海洋重力計(jì)量實(shí)驗(yàn)室及海洋重力計(jì)量基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室組成。

海洋重力計(jì)量基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)室單元，實(shí)驗(yàn)室面積建議不小于120m2。實(shí)驗(yàn)室配備原子干涉型絕對(duì)重力儀或FG5X型絕對(duì)重力儀，以形成海洋重力計(jì)量基準(zhǔn)。此外，海洋重力計(jì)量基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室需要以下軟硬件的支持：1）實(shí)驗(yàn)室內(nèi)需要隔振地基，隔振地基連接到基巖，隔振基礎(chǔ)上振動(dòng)加速度優(yōu)于1×10-5m/s2；2）實(shí)驗(yàn)室要實(shí)現(xiàn)溫濕度可控，具體需要環(huán)境溫度控制在20℃±2℃，相對(duì)濕度控制在60%以內(nèi)。實(shí)驗(yàn)室需提供良好的軟硬件設(shè)施，是構(gòu)建并維護(hù)海洋重力基準(zhǔn)的基本保障。

海洋重力計(jì)量實(shí)驗(yàn)室是用來(lái)校準(zhǔn)海洋重力儀的場(chǎng)地，現(xiàn)對(duì)建立海洋重力計(jì)量實(shí)驗(yàn)室給出以下建議：1）實(shí)驗(yàn)室占地面積不小于 240m2，高約10m；2）實(shí)驗(yàn)室需配備清潔電源和不間斷電源，同時(shí)要具備電阻小于1Ω的儀器獨(dú)立接地；3）其余環(huán)境建設(shè)條件按照計(jì)量基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室要求實(shí)施即可。此外，考慮到海洋重力計(jì)量實(shí)驗(yàn)室需進(jìn)行重力儀的校準(zhǔn)工作，為方便校準(zhǔn)工作的進(jìn)行，建議將此實(shí)驗(yàn)室建立在碼頭附近。海洋重力計(jì)量實(shí)驗(yàn)室的組建模式如圖6所示，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)包含動(dòng)態(tài)和靜態(tài)校準(zhǔn)平臺(tái)，控制間用來(lái)放置電器及超導(dǎo)重力儀。

圖6 海洋重力計(jì)量實(shí)驗(yàn)室示意圖Fig.6 Schematic diagram of marine gravity metrology laboratory

在配備以上硬件設(shè)施的基礎(chǔ)上，針對(duì)海洋重力計(jì)量體系的特殊性，其計(jì)量體系的建立過(guò)程應(yīng)該分步進(jìn)行。首先，基于陸地重力計(jì)量體系的方法，實(shí)現(xiàn)海洋重力靜態(tài)標(biāo)定。隨后，基于海洋絕對(duì)重力動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)單項(xiàng)動(dòng)態(tài)參數(shù)指標(biāo)的標(biāo)定。最后，利用海洋絕對(duì)重力測(cè)量裝置，實(shí)現(xiàn)海洋重力相對(duì)測(cè)量裝置的在線計(jì)量，以此來(lái)建立未來(lái)完整的海洋計(jì)量體系。

2.3 未來(lái)應(yīng)用

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)的海洋重力測(cè)量將會(huì)從現(xiàn)在的利用相對(duì)重力儀進(jìn)行引值的方法逐漸發(fā)展為使用絕對(duì)重力儀直接進(jìn)行測(cè)量?？蒲泄ぷ髡邆冋趪L試將現(xiàn)在已有的小型原子干涉型絕對(duì)重力儀或凸輪快速測(cè)量光學(xué)干涉型絕對(duì)重力儀與慣性平臺(tái)進(jìn)行配合使用，形成船載海上絕對(duì)重力測(cè)量技術(shù)。在未來(lái)的發(fā)展中，基于MEMS及芯片技術(shù)的海洋重力儀被認(rèn)為是未來(lái)進(jìn)行海底重力測(cè)量的較好的技術(shù)手段。

3 結(jié)論

海洋絕對(duì)重力的精準(zhǔn)程度直接影響水下載體系統(tǒng)的導(dǎo)航準(zhǔn)確性、船艦定位等多方面的精度，而絕對(duì)重力量值的溯源與傳遞是保證重力值準(zhǔn)確可用的根本保障。隨著建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)進(jìn)程的推進(jìn)，需要在國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的陸地重力網(wǎng)的基礎(chǔ)上，加快推進(jìn)具有國(guó)家戰(zhàn)略意義的 “國(guó)家海洋重力計(jì)量及標(biāo)準(zhǔn)體系”的建設(shè)工作，進(jìn)而統(tǒng)一海陸空3個(gè)層面的重力量值溯源及傳遞的方法以及重力測(cè)量質(zhì)量的評(píng)判規(guī)范，為我國(guó)重力測(cè)量數(shù)據(jù)提供準(zhǔn)確有效的保障。另一方面，應(yīng)該進(jìn)一步開展能夠用于直接測(cè)量海洋重力的絕對(duì)重力儀的研制工作，增強(qiáng)我國(guó)在海洋重力測(cè)量方面的能力，以提高我國(guó)在海洋重力測(cè)量領(lǐng)域的國(guó)際話語(yǔ)權(quán)。