中國網/中國發展門戶網訊 重力學是地球物理學重、磁、電、震、熱等5個主要學科分支之一，也是物理年夜地測量學的焦點內容，它是研討地球重力場的時空變化特征及其力學機制的一門主要學科。重力學始于伽利略和牛頓時代，隨著現代科學和觀測技術的疾速發展，重力學近年來又被賦予了全新的內涵，顯現出宏大性命力，與眾多學科如地動學、地質學、基礎物理學、地球動力學、水文學、陸地學和地理學等構成了緊密的聯系，因此，重力學既是一門蓬勃發展的陳舊學科，又是一門具有強勁性命力的新興穿插學科。
研討地球重力場及其時變特征需求在全球開展廣泛的重力測量。但是，在空間觀測技術發展之前，全球覆蓋的地面間辨別率的重力數據是非常缺少的。在過往的幾百年間，重力測量幾乎是重力學的所有的內容，是以重力學又被稱為重力測量學。隨著近現代科技程度的晉陞，作為獲取重力數據的手腕，重力測量已經成為重力學中的一個基礎部門，重力學與眾多學科產生的穿插融會，使得重力測量學這個稱謂已不克不及涵蓋重力學的所有的內容。
現代重力學是可以應用于研討地球整體形狀、地球系統質量分布與遷移、分歧標準的形變運動等與密度結構相關的主要科學問題，在確定年夜地水準面、樹立國家測繪基準及其動態變化、資源動力勘察、軍事工程探測、水下飛行器導航、中遠程導彈的精確制導和空間飛行器等軌道的精準定位、全球水循環、氣候變化及地質災害監測等領域，發揮著其他學科不成替換的主要感化。
重力學的發展、現狀與趨勢
重力學的發展是從地表重力測量開始的，最晚期的設備是應用金屬擺來實施重力測量，擺的應用歷經了200多年的時間，在此期間獲得了許多嚴重的發現，也推動了相關理論的發展。拉格朗日、拉普拉斯、勒讓德、泊松、高斯、格林等眾多科學家為重力學理論的發展貢獻了宏大的氣力，特別是斯托克斯起首提出了應用重力觀測確定年夜地水準面，莫洛金斯基進一個步驟提出采用空中重力測量確定地球概況形狀及內部重力場，這些研討奠基了現代高精度重力場模子的理論基礎。
隨著資料科學和技術的進一個步驟發展，基于石英和金屬彈簧，以及超導重力技術的相對重力儀及基于不受拘束落體和緊密光電技術的絕對重力儀相繼發明，重力測量儀器的小型化、便攜性為全球范圍重力測量網絡的構建創造了條件，也被廣泛應用于年夜地測量學、地球物理學和地球動力學之中，其與海空移動平臺的結合極年夜拓展了重力測量的應用范圍。高精度絕對重力儀和超導重力儀的研制勝利進一個步驟為地球科學問題，特別是地球概況形變、地球自轉和（深內部）動力學現象的觀測與研討供給了主要的技術手腕。當前歐american家在重力測量儀器研制領域占據主導位置，例如，americanMicro-gLaCoste公司的彈簧重力儀（gPhone）、絕對重力儀（A10，FG-5X）、海空重力儀（SEA-Ⅲ），以及americanGWR公司的超導重力儀（OSG，iGrav）均是今朝精度最高及應用最為廣泛的重力觀測設備。
近半個世紀以來，空間觀測技術的改革為重力學的發展作出了不成磨滅的貢獻。歐american家率先實施了CHAMP、GRACE/GRACE-FO、GOCE、Topex/Poseidon、Jason和SWOT等系列衛星重力和衛星測高計劃。空間重力測量以其高覆蓋率、高精度、高重復性使今朝地球重力場的精度獲得了很是年夜的進步，其觀測效力也年夜為增添。主要的是，這些高精度的重力場及其時間變化已被廣泛應用于地球物理學、地球動力學、水文學、氣候學等相關研討之中，為多學科的穿插融會貢獻了宏大的氣力。此外，重力學的未來發展具有從區域重力走向聚焦全球重力發展態勢，從地表重力走向聚焦陸地與空間重力發展態勢，從聚焦地球走向其他星體的發展態勢。
總的來說，重力學具有特定的理論體系，測量方式與技術，具備廣泛的應用遠景。圖1給出了重力學學科體系梳理的表示圖，以及重力測量技術、重力學研討的目標對象和研討方式等。重力學是以高精尖的觀測技術為依托，以觀測精度高、覆蓋區域廣、時間和空間辨別率高為特點，重視與其他學科深度的穿插融會，是一門具有廣闊發展遠景、具有其他學科不成替換的主要應用基礎學科。
重力儀器的量子化、智能化、集成化和實用化是未來發展的主要趨勢。近年來，物聯網和人工智能迅猛發展，基于量子理論的新型重力儀的鼎力研發衝破了傳統牛頓力學理論框架。例如，法國MuQuans公司已率先發布商用冷原子重力儀，我國多個研討機構與高校也相繼開展了冷原子重力儀的研制，獲得了主要進展。新興技術不斷涌現將對未來重力學的發展產生反動性影響。
我國重力學的發展、機遇與挑戰
歷史上，我國非常重視重力測量任務，我國最早的現代重力學研討始于20世紀50年月中期與蘇聯科學院地球物理所一起配合樹立的全國重力基礎點（聯測中誤差0.15 mGal）和一等點（聯測中誤差0.25 mGal），隨后我國測繪部門樹立了全國二等重力觀測網（聯測精度0.15 mGal），后來又進行了加密測量。20世紀50年月末建設了全國范圍的地理重包養力水準網，這般年夜面積的觀測網活著界上也是比較先進的，后續又完成了全國1°×1°和5°×5°的均勻重力異常圖。
原國家測繪地輿信息局先后組織建設了1957國家重力把持網、1985國家重力基礎網和2000國家重力基礎網等，并制訂了《國家一等重力測量規范》（ZBA76001—87）、《國家重力測量把持規范》（GB/T 20256—2006）和《加密重力測量規范》（GB/T 17944—2000）等規章軌制，明確了重力測量的目標、基礎請求、標準化需求、測量內容、方式、技術指標與技術請求。值得一提的是，重力測量在測定珠峰高程的過程中也發揮了主要感化。晚期的重力測量重要采用國外儀器。國產儀器方面，國家地質總局地質儀器廠和原石油工業部石油儀器廠生產了ZS591、ZS2-67和ZSM-3型石英彈簧重力儀和金屬彈簧重力儀，此中ZSM-3型儀器的精度達到了50 μgal；中國科學院測量與地球物理研討所相繼勝利研制了HSZ-2型陸地石英重力儀和ZYZY自動化遠洋重力儀，精度達到3.1 mGal。雖然我國在儀器研制方面與東方發達國家仍存在差距，但上述國產儀器的研制生產奠基了我國今朝重力儀自立研發的基礎。
根據蘇聯學者莫洛金斯基的理論，在方俊的領導下，許厚澤、寧津生，李瑞浩等開展了相關研討任務，制訂了相應的垂線誤差和重力測量計劃，提出了改進的實施計劃以下降本錢并進步效力。方俊提出了有名的“方俊模板”以取代傳統的莫洛金斯基雙極模板。在此期間，我國學者在重力學理論方式方面也獲得了豐碩結果，例如，許厚澤和朱灼文導出了垂線誤差的最佳迫近公式，樹立了統一的垂線誤差和高程異常迫近理論，應用單層位解決了地球扁率的影響；方俊對扁率級斯托克斯問題供給了新的解法。
在重力學理論發展的基礎上，管澤霖和寧津生給出了顧及地球扁率平方級的斯托克斯問題的解；寧津生等提出了基于B樣條函數的重力場迫近方式，發展了整體年夜地測量的理論，樹立了新的模子并編制了相應軟件應用于新樹立的高精度年夜地測量實驗網。
我國第一個地球重力場模子于1971年由中國科學院測量與地球物理研討所構建，該模子展開到16階，包括229個位系數。1977年西安測繪研討所先后樹立了2個地球重力場模子，分別展開到22和20階，后來該所又陸續樹立了新的模子。1989年原武漢測繪學院寧津生等綜合空中和空間重力測量數據，樹立了我國首個高階重力場模子，展開到180階，該模子在表現我國部分重力場方面與國內外其他模子比擬均具有明顯優勢。中國科學院測量與地球物理研討地點1993年構建了360階的地球重力場模子，該模子在我國青躲高原地區具有較高的精度，是以在相關地區的地質構造和地球動力學研討方面發揮了嚴重的感化。隨后在1994年，武漢測繪科技年夜學和西安測繪研討所也分別樹立了360階的地球重力場模子。李建成等樹立結局部重力場模子，并開展了年夜地水準面精化的研討。進進2000年后，隨著系列重力衛星計劃的實施，國內外研討機構發布了許多高階靜態重力場模子，比擬以前的模子，這些模子的精度和辨別率都有了顯著進步。我國在重力衛星領域的發展相對滯后，在相關焦點關鍵技術和原始數據獲取等方面遭到東方國家的封鎖和限制，但在衛星重力測量數據處理方式和地球重力場建模程度方面已達到國際先進程度。
我國開展的另一個重力學研討的內容是時變重力的研討，其代表是重力潮汐的研討。在方俊和包養網比擬許厚澤的帶領下，中國科學院測量與地球物理研討所率先在國內開展了重力固體潮的研討。與國際固體潮研討中間（ICET）開展一起配合，在我國東西和南北2條剖面上開展了重力潮汐觀測與研討，在此基礎上發展并改進了諸多觀測數據處理的方式與技術。值得一提的是，郗欽文發展了引潮位展開理論，樹立了高精度的引潮位展開表，該表今朝是國際上被廣泛應用的潮波表之一；李國營用小參數擾動法樹立了一套固體潮理論模擬方式，并矯正了Wahr模子中的潮汐依賴參數。在這一時期，以拉科斯特ET型重力儀為重要的觀測手腕。隨著超導重力儀的引進，在許厚澤和孫戰爭的領導下，我國重力固體潮的研討進進了一個疾速發展的階段。超導重力儀以其觀測精度高、穩定性好和漂移率低為特點，為重力固體潮研討供給了大批高質量的連續觀測資料，為發現地球動力學現象惹起的微弱信號創造了條件，如地球內核平動振蕩信號的探測。這一時期我國學者也開展了年夜氣負荷、浪潮負荷、陸地水負荷、地球不受拘束核章動、地球不受拘束振蕩、地動和地球簡正模信號檢測等與重力場相關的研討任務。初次應用重力技術探討了核幔邊界物性。此外，得益于衛星重力的長期連續觀測，全球性的重力場時變特征研討在我國也蓬勃地開展了起來，此中最重要的是對全球水分布的研討，包括年夜標準的水系變化與冰川活動和中小標準的平地冰川和湖泊水體變化，以及地球結構、構造活動和氣候事務、地質災害等相關研討。我國在時變重力場相關的地球內部形變動力學理論和正演數據模擬方面已達到國際先進程度。
2000年后，以FG-5型絕對重力儀及LCR、CG6等型號的相對重力儀為代表的高精度儀器為我國開展年夜范圍的重力網監測創造了條件，隨著我國先后建成地殼運動觀測網絡和中國年夜陸構造環境監測網絡，樹立了地面間覆蓋率的重力觀測網絡。比擬晚期的重力監測網，新樹立的觀測網絡精度有了顯著進步，這為監測我國重力場形態與變化特征，以及研討構造形變動力學問題發揮了宏大感化。國家“十二五”嚴重科技基礎設施項目——緊密重力測量綜合研討設施平臺建設和基于第十屆國際絕對重力比對基礎上樹立的全球重力基準原點（北京）也具有主要的戰略意義。
盡管我國重力學在理論模子和觀測網絡建設方面已有長足的發展，可是在高精尖的觀測技術領域依然存在明顯的缺乏，尤為主要的是我國自立研制科學儀器的研發進度緩慢，工藝技術仍相對落后。東方國家的絕對和相對重力測量技術已經很是成熟，量子重力技術已經獲得衝破性進展，重力梯度技術已經勝利應用于礦產油氣資源勘察和水下飛行器輔助婚配導航，有用進步了其平安性和隱蔽性。我國重力觀測技術和儀器則明顯落后，最先進的技術均被東方國家壟斷，特別是對于一些高端儀器設備，東方國家對我國采取禁運辦法，這對我國重力觀測技術晉陞和重力學學科發展構成了嚴峻的挑戰。是以與儀器設計和包養制造相關的理論和技術需進一個步驟加強，相關的任務亟需進一個步驟開展。可喜的是，近10多年來，國內多家相關機構均已經開展了高精度重力儀的研制，包含傳統的小型絕對重力儀、超導重力儀和海空重力儀，以及新型的微機電系統（MEMS）重力儀、量子重力儀和量子重力梯度儀。從今朝的情況來看，盡管今朝的研制程度距離成熟產品的商品化有不少包養差距，但已獲得了主要的進展，一些儀器已經外行業應用中發揮了主要感化。此外，在空間衛星重力測量方面，“天琴一號”和“天繪-4”等國產衛星的勝利發射，已經實現了對地球重力場的自立觀測。
“十三五”時期，我國提出向地球深部進軍，周全實施深地探測、深海探測、深空對地觀測戰略，這對重力學特別是重力學的應用領域提出了更高的請求，也為我國重力學的發展創造了傑出的契機。若何使重力學的發展為我國在探測未知領域的進程中發揮更年夜的感化，是一個急需思慮的戰略和戰術問題。重力學并不是一個獨立發展的學科，是以，起首需求解決的是，在現有的理論和技術的基礎上，若何與其他相關學科和先進技術進行有用融會彌補現有技術的缺乏，若何發展新的理論指導技術的進步，從而推動重力學更好地向前發展，服務于國家需求。
重力學未來發展標的目的
近年來，隨著國家大批人力物力投進的增添，我國地球重力場領域的研討與應用發展敏捷，在綜合定位、導航、授時（PNT）系統，中國探月工程和航空航天等嚴重工程的實施中，地球重力場顯示出了加倍至關主要的感化。重力學的未來發展具有從區域重力走向聚焦全球重力發展態勢，從地表重力走向聚焦陸地與空間重力發展態勢，在應用方面有從靜態重力場走向動態時變重力場的發展態勢。是以，重力學的戰略包養布局應強調技術發展和科學應用，需求針對相關嚴重基礎與應用科學問題，進一個步驟集中優勢氣力，深化重力學與其他學科的穿插融會，打造海陸天空一體化的重力場觀測與研討體系，服務社會發展及國家戰略需求。建議我國未來20年重力學發展標的目的的主要領域包含：
海陸天空一體化的立體重力觀測技術。衛星重力、地表重力和海空重力測量技術是未來獲得高精度重力數據的必備條件，是學科發展的必定趨勢，而此中自立技術的研發是關鍵。衝破東方的重力測量技術壟斷，優先支撐絕對重力儀、陸地及航空重力儀的自立研發，推動下一代重力衛星任務，即通過引進多組多星座重力衛星來晉陞當前單組雙星形式重力衛星的才能，聯合我國的斗極系統為獲取全球高辨別率的時變重力場奠基堅實的基礎；加快陸地慣性重力、超導重力和全張量重力梯度測量等新測量技術的研發，進步重力觀測精度，特別是高精度重力梯度儀的自立研制，為資源勘察服務，為增強我國的動力平安供給主要保證和支撐。在海空重力測量方面，一方面要結合人工智能和我國的先進無人機技術，鼎力發展高自動化、小型化的無人機載重力儀和重力梯度儀，發展我國的航空重力測量技術；另一方面，發展高精度的船載陸地重力儀、海底方艙式、游曳式重力儀、重力梯度儀。鼎力發展量子重力儀，也包含鼎力發展原子鐘與光鐘技術，以廣義相對論年夜地測量為基礎實現亞厘米級年夜地水準面與全球高程基準的統一。
海陸天空統一的年夜地測量重力基準網。推進重力學與年夜地測量學、陸地學、地動學、地磁學等的穿插與融會，發揮學科穿插的優勢，構建綜合立體多物理場觀測基準觀測網絡，樹立我國陸海統一的年夜地測量重力基準。加速推進衛星、航空、海面、陸地和海底重力的立體探測布局和體系建設，捉住下一代衛星重力任務的機遇，依托國際一起配合與自立發射衛星，獲取高精度高辨別率全球和區域靜態和時變重力場，滿足地球科學和全球變化領域的應用需求，加速推進全球年夜地水準面確定、陸地和陸地重力基準及高程基準體系建設，在綜合定位、導航、授時體系框架下，通過聲學、量子等手腕更快更好地樹立海底基準網，從而構建全球1′×1′辨別率厘米級精度陸地年夜地水準面，并在陸海接壤區域通過航空、空中、船載數據融會實現年夜地水準面精化，實現我國內海與陸地無縫銜接和覆蓋極地、年夜洋和全球區域。
地球系統質量遷移與青躲高原動力學問題研討。推進地球系統的物質分布與循環、地球圈層耦合運動、構造活動、極地冰川、地動災害、陸地水儲量、海立體上升、資源勘察和環境監測等前沿科學問題的應用研討。發展海底重力場變化的變形理論與建模和信號分離的方式。發展海陸天空重力數據及其他地球物理數據融會的處理技術與方式，推進物理年夜地測量邊值問題嚴密化理論。推進超高階地球重力場、時變重力場建模的理論與方式研討。青躲高原作為地球的第三極，其活躍的地質構造使得該地區成為地球科學研討的熱點區域，是以對此區域開展深刻的重力學研討可以很好的增強我國在相關科學研討中的影響力。布設青躲高原地區重力觀測網，進行重力持續觀測與復測，獲得對青躲高原動力學深刻的科學認知與理論衝破。
面向國防平安的重力學。重點布局基于重力技術的軍事航天、地表測繪與空間基準、水下無源導航與陸地環境保證、陸地重力基準、海底靜態和遠洋底動態測量、陸地重力場變化的探測、建模和分離的理論與方式。發展面向軍事需求的重力學應用，重點發展矢量重力測量技術、全張量重力梯度測量和探測技術（包含垂線誤差）、慣性重力一體化測量技術、彈道導彈的重力保證技術、長航時潛艇水下重力輔助導航等技術，爭取在重力場國防應用方面達到國際先進程度。
面向月球和火星的重力學。重點布局地月系統引潮力場演變及其地質與地球物理效應，依托我國月球和火星探測任務，發揮重力學在月球及火星的圈層耦合、質量遷移、內部結構研討中的感化。發展月球和火星重力衛星探測技術與實施計劃，為資源動力勘察服務。發展在分歧力源耦一起配合用下的行星變形理論，樹立適用于月球和火星的形變矯正模子，服務國家深空探測的戰略需求。隨著我國載人登月和月球科學站建設計劃的有序推進，開展月表原位多物理場探測是對月球進行勘察、開發，推動科學研討的需要途徑。重力測量將在月球重力場、固體潮、垂直基準建設，以及資源開發等方面發揮主要感化，而相關設備在國內還是空缺，是以月球重力儀研發也顯得很是急切。
發展人工智能等新技術在重力學研討中的應用。人工智能作為一個新興的數據處理手腕獲得了越來越廣泛的應用。隨著技術的進步，未來將會產生海量的重力測量數據及輔助觀測資料。是以，發揮人工智能在年夜數據處理上的優勢能有用晉陞重力數據的應用及相關研討的開展。是以，鼎力發展與人工智能在重力學中的應用相關的理論方式尤為主要。
（作者：孫戰爭，中國科學院緊密測量科學與技術創新研討院 中國科學院年夜學地球與行星科學學院。《中國科學院院刊》供稿）
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