本书是"航海导航技术系列丛书"之一，针对重力扰动因素导致的船舶导航性能波动的现实问题，立足船舶导航的具体需求和应用场景，对重力信息的测量、处理及其在船舶导航领域的运用方法开展研究。本书首先介绍与船舶导航相关的重力基本理论，为重力场测量技术和应用技术论述提供必要的专业知识;后续重点对现行有效的服务于海洋重力场测绘和船舶导航的重力测量技术进行论述，并对典型重力信息测量仪器装备的原理和性能作较为详细的介绍;对重力在惯性导航系统运行中的影响和对策进行论述，包括利用重力信息对惯性导航设备误差进行补偿等直接应用，以及重力辅助导航与误差修正等深入应用;最后对各类新型重力信息测量、处理、应用技术，以及更为广阔的应用领域进行了介绍和展望。

前言

船舶导航主要在海面和水下开展，是一种在地表空间进行的导航活动。我国的现代船舶导航技术从 20 世纪 60 年代起步，经六十余年的努力，导航能力取得长足进步，支持船舶航行的海域已拓及全球，国产惯性导航（以下简称 惯导）设备的性能已基本满足船舶全球航行的需求。在远海以及特殊海域航行中，重力扰动因素导致的惯导性能波动引起了高度关注，推动科技人员对重力影响开展深入研究，促成了惯导设备和导航技术的改进，并研制出多种重力信息测量设备。本书将系统介绍重力测量及其在船舶导航中应用的相关知识和技术，作为高精度船舶导航技术的一个特殊分支，成为 航海导航技术系列丛书 的重要组成部分。

无论是事先准备还是实时获取重力信息，都离不开对重力信息的测量、处理和运用三个环节。本书立足船舶导航的具体需求和应用场景，就这三个方面进行介绍和论述。第 1 章介绍与船舶导航相关的重力基本物理概念和适合船舶导航运用的重力场描述方法，为认识船舶惯导在重力空间中的行为特征表现铺垫数理基础，以及为接下来的重力场测量技术和应用技术论述提供必要的专业知识；第 2 章重点介绍现行有效的服务于海洋重力场测绘和船舶导航的重力测量技术，对典型重力信息测量仪器装备的原理和性能作较为详细的介绍；第 3 章针对重力在惯导运行中的影响和对策进行论述，包括利用重力信息对惯导误差进行补偿等初级应用，以及重力辅助导航与误差修正等深入应用；第 4 章对即将出现的新型重力信息测量、处理、应用技术，以及更为广阔的应用领域进行了介绍和展望。

本书对引用参考资料的结论性研究成果不再做详尽的分析推导，感兴趣的读者可查询原著相关内容。希望本书能够为从事高精度船舶导航技术和装备研发的工程技术人员提供参考，并为初涉重力信息测量与应用技术研发的学生和科技人员提供基础性的知识辅导。

编著者2024 年 12 月

目录

第 1 章 绪论

1.1 地表的特征面

1.2 大地参考椭球

1.3 导航坐标系

1.4 重力对船舶导航的影响

第 2 章 重力理论基础

2.1 重力场

2.1.1 重力位

2.1.2 重力

2.1.3 重力梯度

2.2 重力模型

2.2.1 正常重力场模型

2.2.2 大地水准面模型

2.2.3 扰动重力位与重力异常

2.2.4 垂线偏差

2.2.5 重力潮汐

2.2.6 重力基准网

2.2.7 重力数据库

2.3 重力数据处理

2.3.1 重力数据空间延拓

2.3.2 重力异常修正

第 3 章 重力场测量技术

3.1 重力场测量仪器

3.1.1 绝对重力仪

3.1.2 静态相对重力仪

3.1.3 动态相对重力仪

3.1.4 重力梯度仪

3.1.5 卫星重力测量系统

3.2 重力场测绘

3.2.1 卫星重力测量

3.2.2 地面重力测量

3.2.3 海 / 空重力测量

3.2.4 海 / 空重力矢量测量

3.2.5 海 / 空重力梯度测量

3.3 导航重力测量

3.3.1 水下动态重力测量

3.3.2 水下动态重力梯度测量

第 4 章 重力辅助导航

4.1 惯导重力误差补偿技术

4.1.1 含垂线偏差的惯导误差传播方程

4.1.2 补偿惯导重力误差

4.2 重力匹配定位技术

4.2.1 重力匹配定位原理及技术发展和方法

4.2.2 重力匹配导航系统及相关技术

4.3 重力测量同步制图与定位技术

4.3.1 G-SLAM 技术

4.3.2 G-SLAM 原理

第 5 章 重力测量与导航应用展望

5.1 新原理重力测量技术

5.1.1 冷原子干涉绝对重力测量

5.1.2 冷原子干涉重力梯度测量

5.1.3 超导重力测量

5.1.4 超导重力梯度测量

5.1.5 静电悬浮重力梯度测量

5.1.6 MEMS 重力梯度测量

5.1.7 新一代卫星重力测量技术展望

5.1.8 基于卫星测高对重力场测量技术

5.2 多源信息融合技术

5.2.1 多源重力数据特性分析

5.2.2 多源重力数据融合方法

5.3 重力信息应用领域的扩展

5.3.1 静态重力数据的应用

5.3.2 构建重力场和大地水准面模型

附录 A 符号

A.1 空间与运动符号

A.2 地球参数符号

A.3 重力测量符号

A.4 运算与函数符号

附录 B 缩略语

B.1 机构名称缩略语

B.2 技术术语

参考文献