黄谟涛研究团队二十年最新科研成果总结：海空重力测量理论方法及应用

地球重力场研究离不开地球表面及其邻近空间重力观测信息的支持。海洋占地球表面的面积超过70%，因此精密测定海洋重力场是研究全球重力场非常重要的一项基础性任务。

地球重力场是反映地球内部物质空间分布、运动和变化状态的一种基本物理场，是地球物质分布和地球旋转运动信息的综合反映，制约着地球本身及其邻近空间的一切物理事件，决定着大地水准面的起伏和变化。高精度、高分辨率的地球重力场数据不仅是大地测量学、地球物理学、地球动力学、海洋学和空间科学等学科领域开展相关研究所必需的基础资料，而且是地质矿产资源勘查、远程空间飞行器发射和军事活动保障必不可少的基础参数。确定地球重力场的精细结构及其时变规律不仅是现代大地测量的主要科学目标之一，而且将为现代地球科学解决人类面临的资源、环境和灾害等问题提供重要的基础地球空间信息。

海洋重力场是地球重力场的重要组成部分，也是海战场环境的重要组成要素之一。海洋重力场信息在海洋资源开发、地球科学研究、战场环境建设和作战保障等各个领域都有非常重要的应用价值。高精度海洋重力观测信息是研究确定海域地质构造和矿产资源分布规律，查明地质体储存状态必不可少的基础资料，同时也是保障航天飞行器精密定轨、水下武器系统精确制导和潜航器水下重力匹配长航时导航不可或缺的要素。

目前，探测海洋重力场信息的技术手段主要包括：海面船载重力测量、航空重力测量、卫星重力测量和卫星测高重力反演等。本书（文）所指海空重力测量是船载与航空重力测量的统称。

▲ 海空重力测量技术体系的基本架构

重力信息获取是海空重力测量的关键技术环节，数据分析处理是连接前端原始信息与后端产品应用的重要纽带。海空重力测量成果的精度水平不仅取决于重力传感器和载体定位定姿系统的技术性能，在很大程度上还取决于海空重力测量数据处理技术方法体系的完善程度

黄谟涛研究团队开展海洋重力场研究始于20 世纪70 年代末，为满足海洋重力测量作业的实际应用需求，构建我国自主的海洋重力测量作业技术体系和理论方法体系，一直致力于海洋重力场探测机理、测量数据分析处理及其深化应用研究和创新，在多个研究领域取得了关键理论方法和重要工程应用上的突破，并先后公开出版了《海洋重力测量理论方法及其应用》《卫星测高数据处理的理论与方法》《海洋重力场测定及其应用》等。《海空重力测量理论方法及应用》（黄谟涛等著. 北京：科学出版社，2024.12）是前面三部著作的续作，是作者研究团队最近二十年积累的科研成果和科学感悟的总结，其内容反映了当今国际上该研究领域的先进学术水平。

杨元喜院士、李建成院士和孙和平院士长期以来对作者研究团队给予支持和指导，并为本书作序。

▲ 研究内容和思路与海空重力测量技术体系建设目标的对应关系。本图既是本书研究内容的总体架构，也是海空重力研究领域现阶段及未来一个时期的发展路线图

围绕研究内容和思路，本书各章节的组织架构设计如下：

• 第1章为绪论。简要介绍开展海空重力测量技术研究的目的意义，分析总结国内外海空重力测量技术发展现状，最后给出本书的研究目标、研究内容及章节安排。

• 第2章和第3章为理论基础和数学模型。第2章简要介绍海空重力测量涉及的基础理论和数据处理基本模型；第3章分析研究海空重力测量数据处理精细化模型，提出海空重力测量环境效应改正模型。

• 第4章为海空重力测量系统组成及工作原理。简要介绍国内外海空重力测量主流设备的基本组成、性能指标及工作原理，分析比较不同类型仪器设备的技术特点及适用条件。

• 第5章和第6章为需求分析和指标论证。第5章通过分析研究海洋重力场变化特征，建立变化特征统计参数计算模型，研究论证海洋重力场信息应用需求，提出海洋重力测量测线布设方案；第6章开展海空重力测量关键技术指标分析论证及检验评估研究，提出海空重力仪关键性能指标检验流程和校正新方法。

• 第7章为测量精密定位。简要介绍GNSS用于海空重力测量精密定位的观测方程和解算方法，分析研究GNSS动态差分定位和精密单点定位模式的技术特点及适用条件，开展两种定位模式的软件编制及功能测试。

• 第8章和第9章为数据精细化处理。第8章简要介绍数据滤波的基本理论和方法，开展海空重力测量数据频谱特性分析及低通滤波器设计，分析研究测量载体垂向加速度的确定方法；第9章开展海空重力测量误差源分析及精度评估研究，提出系列化的海空重力测量动态效应补偿方法及解算模型，分析研究卫星测高重力模型在海空重力测量误差检测及无基点海洋重力测量数据归算中的应用。

▲ 海空重力数值模型构建的技术流程架构

• 第10章～第12章为数值模型构建。第10章开展地面和海面观测重力向上延拓模型实用性改化及适应性分析研究，提出重力异常向上延拓严密改化模型；第11章简要介绍向下延拓不适定反问题的科学内涵及正则化方法的基本原理，提出系列化的航空重力测量数据向下延拓新方法及解算模型；第12章开展海域多源重力数据频谱特性分析研究，提出系列化的海空重力测量数据融合处理及数值模型构建新方法。

• 第13章和第14章为数据综合应用。第13章开展海域重力数值模型在外部重力场逼近计算中的应用研究，分别提出外部扰动引力快速赋值模型、无奇异计算模型及超低空精密计算模型；第14章开展海域重力数值模型在大地水准面精细化计算中的应用研究，分别提出对应于4种边值理论的大地水准面高和高程异常计算改化模型、高阶径向导数带限计算模型及重力异常垂向梯度严密改化模型，提出利用带限航空矢量重力确定大地水准面两步积分法和一步积分法。

• 第15章为全书研究总结、展望及建议。对研究成果进行总结，对未来发展进行展望并提出建议。

本书内容主要来源于作者研究团队多年积累的科研成果和几位作者的博士学位论文及公开发表的上百篇学术论文，同时吸收部分国内外最新的相关研究成果。本书内容主要凸显实用性、全面性和先进性三大特点。

▋面向作业需求、服务应用是本书研究内容的第一大特点。本书开展的每一个专题研究均源于海空测量作业和工程应用实际需求的牵引。一方面，通过深入分析研究论证，书中依次回答“为什么测”“用什么测”“怎么测”“测到什么程度”“探测数据怎么处理”“怎么评估探测精准度”“探测数据怎么用”“怎么用得高效”等一系列科学问题；另一方面，通过对持续不断的海空测量作业和特定试验数据的多维度分析及深层次思考，发现许多以前从未发现的新问题，并通过技术攻关成功解决这些问题，从而进一步深化作者研究团队先前的一些研究成果，有效提升我国海空重力测量作业的能力和水平。

▋体系完整、系统全面是本书研究内容的第二大特点。经过多年的发展和积累，海空重力测量已经形成一个比较完整的技术体系。本书研究内容涵盖海空重力测量信息获取、数据分析处理和数字产品制作与应用等技术全流程，从理论和实践两个方面对海空重力测量涉及的各个技术环节进行系统而全面的分析研究和论证。

▋聚焦前沿、突出创新是本书研究内容的第三大特点。本书以拓展和完善海空重力测量技术体系为主要目标，本着吸收继承和开拓创新的理念，通过理论方法创新和作业实践验证，成功突破海洋重力场特征分析计算、海上测量作业技术设计、重力测量仪器性能评估、海空测量载体精密定位、测量动态环境效应补偿、数据滤波与精细化处理、重力数据向上延拓和向下延拓、多源重力数据融合处理以及外部扰动引力计算与大地水准面精化等一系列关键技术难题，取得一批具有理论价值和应用价值的研究成果，不仅拓展了海洋重力场测定的技术方法体系，而且丰富完善了地球重力场研究的理论方法体系。

本书的出版得到了国家自然科学基金项目(41474012；41804011；42174013；41774021；42274015)、国家重点基础研究发展计划(613219)、国家重点研发计划(2016YFC0303007 ；2016YFB0501704) 、国家重大科学仪器设备开发专项(2011YQ12004504)、自然资源部海洋环境探测技术与应用重点实验室开放基金项目(MESTA-2020-A001；MESTA-2020-A004)、中国船舶航海保障技术实验室开放基金项目(2024010201)、福建理工大学引进科研教学团队资金项目(GY-Z 24015)等的联合支持。

期待本书的出版对进一步提高我国海洋重力场研究和应用水平起到很好的促进作用。由于作者学术能力和写作水平有限，书中难免存在不妥之处，恳请各位读者批评指正，欢迎及时与我们联系和交流(E-mail:dengkailiang036@163.com)。

本文摘编自《海空重力测量理论方法及应用》（黄谟涛等著. 北京：科学出版社，2024.12）一书“前言”“第1章 绪论”，有删减修改，标题为编者所加。

ISBN 978-7-03-078186-4

责任编辑：姚庆爽 李 娜

海面船载重力测量和航空机载重力测量(简称海空重力测量)是目前探测海洋重力场的两种主要技术手段。本书全面系统地研究论述采用海空重力测量的两种技术手段测定海洋重力场的理论方法和应用，主要内容包括海空重力测量需求分析论证与技术设计、传感器性能测试与评估、原始数据归算与滤波处理、误差分析建模与精细化处理、多源数据融合与数值模型构建、数据综合应用与效能评估等六大部分，形成比较完整的作业标准和数据获取体系、数据分析和处理体系、数据产品制作和应用体系，较好地回答“为什么测、用什么测、测到什么程度”“怎么测得细、改得准、校得精”等科学问题，反映了当前国内外该研究领域的先进学术水平。

本书特别注重理论分析和实际应用的紧密结合，突出研究内容和技术路线的先进性，研究成果和技术创新的实用性，可供从事海洋大地测量、物理大地测量、海洋地球物理、海洋地质和航空航天科学等学科的科研人员和工程应用技术人员参考，也可作为相关学科专业本科生和研究生的教学参考用书。

（本文编辑：刘四旦）

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