原子重力儀性能要求和測試方法-編制說明

《原子重力儀性能要求和測試方法》

國家標(biāo)準(zhǔn)編制說明

（征求意見稿）

2023年3月12日

1

《原子重力儀性能要求和測試方法》

國家標(biāo)準(zhǔn)編制說明

一、工作簡況

（一）任務(wù)來源

2021年8月24日，國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會發(fā)布《關(guān)于下達2021年第二

批推薦性國家標(biāo)準(zhǔn)計劃及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)外文版計劃的通知》，下達了《原子重力儀性

能要求和測試方法》推薦性國家標(biāo)準(zhǔn)的制定任務(wù)，計劃號：20214289-T-469，

項目周期24個月。本標(biāo)準(zhǔn)由全國量子計算與測量標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會（SAC/TC

578）提出并歸口，由中國計量科學(xué)研究院、浙江工業(yè)大學(xué)、華中科技大學(xué)、中

國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國航空工業(yè)集

團公司北京長城計量測試技術(shù)研究所、中國航天科技集團有限公司錢學(xué)森空間技

術(shù)實驗室、科大國盾量子技術(shù)股份有限公司、深圳中國計量科學(xué)研究院技術(shù)創(chuàng)新

研究院、濟南量子技術(shù)研究院等單位共同負責(zé)起草。其中，中國計量科學(xué)研究院

為該標(biāo)準(zhǔn)起草工作的牽頭單位。

（二）制訂背景

重力加速度的精密測量對地球科學(xué)、計量科學(xué)、資源勘探、地震預(yù)報、國防

軍事等領(lǐng)域有重要意義。絕對重力儀用于實現(xiàn)重力加速度的絕對值測量，按照工

作原理的不同，可以分為基于落體角錐棱鏡的激光干涉型重力儀，以及以冷原子

作為落體的原子干涉型重力儀等。

原子重力儀經(jīng)過三十年的發(fā)展，技術(shù)已經(jīng)成熟，在準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性方面已經(jīng)

接近或超過光學(xué)重力儀。原子重力儀的性能評價參數(shù)有許多，主要有不確定度、

短期靈敏度、長期穩(wěn)定度、測量重復(fù)性、分辨力、內(nèi)符合精度和重復(fù)頻率等，每

個參數(shù)的評估方法也不同，比如不確定度分析，不同研制單位考慮的分項不盡相

同，難以進行有效的性能評估分析。為了推進原子重力儀的研制和應(yīng)用，對原子

重力儀性能進行評估以保證測量重力加速度量值的準(zhǔn)確性、可靠性和一致性，需

要對各性能參數(shù)和評定方法進行規(guī)范，形成標(biāo)準(zhǔn)。

3

（三）國家標(biāo)準(zhǔn)主要起草人及其所做的工作

本標(biāo)準(zhǔn)由中國計量科學(xué)研究院、浙江工業(yè)大學(xué)、華中科技大學(xué)、中國科學(xué)院

精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國航空工業(yè)集團公司北

京長城計量測試技術(shù)研究所、中國航天科技集團有限公司錢學(xué)森空間技術(shù)實驗室、

科大國盾量子技術(shù)股份有限公司、深圳中國計量科學(xué)研究院技術(shù)創(chuàng)新研究院、濟

南量子技術(shù)研究院等單位共同起草。起草單位及主要工作如下表1：

表1標(biāo)準(zhǔn)起草單位及主要工作

序號單位主要工作

主持編寫標(biāo)準(zhǔn)框架和主體內(nèi)容，組織專家

1中國計量科學(xué)研究院研討會，開展調(diào)研，進行測量不確定度、靈

敏度、穩(wěn)定度等標(biāo)準(zhǔn)試驗驗證

編寫標(biāo)準(zhǔn)草稿中的動態(tài)測量部分的術(shù)語、

2浙江工業(yè)大學(xué)指標(biāo)要求、測試方法以及試驗驗證，參加專

家研討會，提供技術(shù)咨詢意見

編寫標(biāo)準(zhǔn)草稿中測量不確定度的分類和定

義，編寫引力質(zhì)量法測量分辨力的方案并

3華中科技大學(xué)

進行試驗驗證，參加專家研討會，提供技術(shù)

咨詢意見

中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技編寫標(biāo)準(zhǔn)草稿中原子重力儀的原理介紹、

4分類定義，參加專家研討會，提供技術(shù)咨詢

術(shù)創(chuàng)新研究院

意見

編寫標(biāo)準(zhǔn)草稿中分辨力測試方法，包括重

5中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)力梯度法和潮汐跟隨法，參加專家研討會，

提供技術(shù)咨詢意見

中國航空工業(yè)集團公司北京長編寫標(biāo)準(zhǔn)草稿中測試條件部分，針對振動

6噪聲進行定義和區(qū)分，參加專家研討會，提

城計量測試技術(shù)研究所

供技術(shù)咨詢意見

中國航天科技集團有限公司錢

7多次參加專家研討會，提供反饋意見

學(xué)森空間技術(shù)實驗室

科大國盾量子技術(shù)

8多次參加專家研討會，提供反饋意見

股份有限公司

深圳中國計量科學(xué)研究院

9參加起草工作和研討會

技術(shù)創(chuàng)新研究院

10濟南量子技術(shù)研究院參加起草工作和研討會

4

（四）工作過程

項目啟動至進行了五次工作會議和多次調(diào)研活動，因受疫情影響，工作會議

形式主要以線上騰訊會議形式開展。會議主要內(nèi)容如下：

第一次會議于2022年3月11日召開，正式成立了標(biāo)準(zhǔn)起草工作組。會議對

標(biāo)準(zhǔn)起草各階段工作進行初步安排，包括起草階段、征求意見階段、審查階段、

報批階段的時間安排與工作成果要求。會議對標(biāo)準(zhǔn)草案的框架內(nèi)容進行了詳細討

論，與會專家建議建立一套原子重力儀性能評估體系，規(guī)定一批參數(shù)進行評估，

根據(jù)指標(biāo)情況對原子重力儀進行分類，原子重力儀不確定度評估涉及面要更廣一

些，測量環(huán)境需要進行分類，給出不同環(huán)境的具體指標(biāo)。會議同時明確了標(biāo)準(zhǔn)草

案編寫注意事項。會后向各位專家發(fā)放了反饋調(diào)查問卷。

第二次會議于2022年5月13日召開，本次會議針對專家反饋的調(diào)查問卷，

邀請了國內(nèi)從事原子重力儀研制的多位專家進行詳細討論。針對原子重力儀的分

類方式，經(jīng)過專家討論形成統(tǒng)一意見，將原子重力儀分為靜態(tài)測量和動態(tài)測量兩

類。針對術(shù)語定義，詳細討論了“準(zhǔn)確度”、“測量速率”、“靈敏度”“重復(fù)性”

等具體定義，明確了“穩(wěn)定度”與“分辨力”的區(qū)別。針對測試方法，專家建議

增加動態(tài)測量指標(biāo)的測試方法。

第三次會議于2022年6月10日召開，針對專家反饋意見，邀請國內(nèi)從事原

子重力儀研制的專家修改完善標(biāo)準(zhǔn)草案，增加了原子重力儀動態(tài)測量相關(guān)的術(shù)語

定義和測試方法，補充完善“分辨力”的多種測試方法，增加了原子重力儀不

確定度評估方法，明確了原子重力儀的分類以及原理介紹，給出測試環(huán)境條件的

具體參數(shù)，經(jīng)過本次討論，基本完成標(biāo)準(zhǔn)草稿主體框架和主要內(nèi)容。

第四次會議于2022年7月26日召開，本次會議邀請了標(biāo)準(zhǔn)編寫組的各位專

家針對標(biāo)準(zhǔn)草稿進行詳細研討。會議介紹了前期專家的反饋意見以及目前處理的

情況，標(biāo)準(zhǔn)的整體框架和內(nèi)容梗概。針對標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容，專家建議增加總體原則和目

標(biāo)，利用示意圖說明測試方法和原理。針對術(shù)語定義，專家建議動態(tài)范圍等指標(biāo)

還需要進一步明確細化。針對測試方法部分長期穩(wěn)定度的時間規(guī)定，專家進行了

詳細討論，明確了測試時間范圍。

第五次會議于2022年12月30日召開，本次會議針對前期調(diào)研過程中與相

關(guān)應(yīng)用單位的交流討論，邀請工作組進一步完善標(biāo)準(zhǔn)草稿。動態(tài)測量方面討論了

5

動態(tài)范圍與量程的定義和測試方法。分辨力測量方法中，詳細討論了潮汐跟隨法

的合理性。針對靈敏度和穩(wěn)定度，詳細討論了數(shù)據(jù)采樣時間的區(qū)分。另外，會議

討論了標(biāo)準(zhǔn)編制說明初稿，形成了修改意見。

2022年8月赴浙江省杭州市調(diào)研，與浙江工業(yè)大學(xué)、杭州微伽量子科技有

限公司等原子重力儀相關(guān)的研制單位進行交流，針對標(biāo)準(zhǔn)如何服務(wù)于原子重力儀

的生產(chǎn)測試，促進產(chǎn)業(yè)發(fā)展，采納了相關(guān)專家對于標(biāo)準(zhǔn)草稿的具體意見，包括短

期靈敏度和長期穩(wěn)定度的測試時間等，明確了標(biāo)準(zhǔn)需要強化基礎(chǔ)性、通用性。

2022年11月與地震局相關(guān)研究單位進行線上調(diào)研交流，針對原子重力儀在

地震行業(yè)的應(yīng)用，原子重力儀相關(guān)指標(biāo)和測試方法可參考地震觀測儀器進網(wǎng)技術(shù)

要求。特別是原子重力儀的分辨力指標(biāo)，通過與地震行業(yè)專家的交流討論，完善

了潮汐跟隨方法的測試步驟和數(shù)據(jù)處理。

二、標(biāo)準(zhǔn)編制原則

1.科學(xué)性和系統(tǒng)性

本標(biāo)準(zhǔn)遵循GB/T1.1-2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)

構(gòu)和起草規(guī)則》和GB/T20001.4《標(biāo)準(zhǔn)編寫規(guī)則第4部分：試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》的

規(guī)則起草。所規(guī)定的原子重力儀的性能評價指標(biāo)和測試方法與我國近年來的量子

精密測量的發(fā)展和應(yīng)用緊密結(jié)合，吸納了國內(nèi)該領(lǐng)域內(nèi)同行所積累的相關(guān)經(jīng)驗，

確保標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容科學(xué)性和系統(tǒng)性，填補國內(nèi)原子重力儀領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)空白。

2.準(zhǔn)確性和完整性

本標(biāo)準(zhǔn)充分考慮了原子重力儀的不同工作原理和不同工作場景，所約定的術(shù)

語適用于不同的原子重力儀的性能評價和測試。本標(biāo)準(zhǔn)在約定性能評價標(biāo)準(zhǔn)和測

試方法時充分了現(xiàn)有的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，保證術(shù)語的語義準(zhǔn)確性和內(nèi)容的完整性。

3.可操作性

本標(biāo)準(zhǔn)所約定的性能指標(biāo)和測試方法已經(jīng)在原子重力儀相關(guān)文獻中反復(fù)實

現(xiàn)，并且是行業(yè)內(nèi)普遍認同的原子重力儀性能評價的指標(biāo)術(shù)語，具有可操作性。

4.標(biāo)準(zhǔn)的對象和范圍

本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了原子重力儀的各類評價指標(biāo)和相應(yīng)的測試方法。本標(biāo)準(zhǔn)對原子

重力儀領(lǐng)域覆蓋范圍廣，適用于不同類型的原子重力儀的性能評價和測試。

6

三、標(biāo)準(zhǔn)中主要技術(shù)內(nèi)容確定的依據(jù)和過程

1.不確定度。原子重力儀的最大優(yōu)勢是測量絕對重力，絕對重力作為一個隨

時間地點在變化的參量，突出其準(zhǔn)確性需要通過很多參數(shù)來描述，因此需要進行

不確定度評估，一般用A類和B類不確定度評估，對于B類不確定度評估，本

標(biāo)準(zhǔn)起草過程中參考了國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究經(jīng)驗，并且參考了光學(xué)干涉式重力

儀的不確定度評估，針對原子重力儀給出14項建議進行B類不確定度評估的項

目。

2.靈敏度。原子重力儀作為慣性儀器非常適宜用阿倫標(biāo)準(zhǔn)偏差對其性能進

行評估。阿倫標(biāo)準(zhǔn)偏差測評法是20世紀(jì)60年代由美國國家標(biāo)準(zhǔn)局DavidAllan

提出，它是一種基于時域的分析方法，可以用來分析慣性傳感器的誤差特性，該

方法的主要特點是能容易對各種誤差源及其噪聲統(tǒng)計特性進行細致的表征，計算

方便、易于分離，廣泛應(yīng)用于原子鐘、原子重力儀、原子陀螺儀等儀器的性能評

估。采用阿倫標(biāo)準(zhǔn)偏差評估重力儀的短期靈敏度和長期靈敏度是原子干涉重力測

量領(lǐng)域內(nèi)的普遍做法，因此采用阿倫標(biāo)準(zhǔn)偏差評估的方法給出短期靈敏度和長期

靈敏度的術(shù)語定義和測試方法。

3.其他指標(biāo)。本標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)原子重力儀的實際發(fā)展?fàn)顩r將原子重力儀分為靜

態(tài)型和動態(tài)型，其中靜態(tài)測量型又分為不可搬運的臺站式原子重力儀和流動搬運

定點靜態(tài)測量的流動式原子重力儀，為使得本標(biāo)準(zhǔn)對上述幾種類型的原子重力儀

具有廣泛覆蓋性，尤其是對動態(tài)測量或移動測量的定義，參考GB/T20256-2019

國家重力控制測量規(guī)范、DZ/T0356-2020海洋重力測量技術(shù)規(guī)、DZ/T0381-2021

航空重力測量技術(shù)規(guī)范、DZ/T0004-2015重力調(diào)查技術(shù)規(guī)范（1：50000），特引

入內(nèi)符合精度、交叉點偏差等術(shù)語來給出移動測量場景下的性能評價指標(biāo)和方法。

同時，標(biāo)準(zhǔn)對原子重力儀的不同使用場景的環(huán)境噪聲和相應(yīng)性能指標(biāo)做出區(qū)分。

四、試驗驗證情況

（試驗驗證情況的說明，如試驗數(shù)據(jù)、技術(shù)報告等。）

本標(biāo)準(zhǔn)針對原子重力儀部分性能指標(biāo)和測試方法開展了試驗驗證，包括測量

不確定度、短期靈敏度、長期穩(wěn)定度、分辨力、內(nèi)符合精度、交叉點偏差等。試

驗對象為不同單位研制的原子重力儀，按照標(biāo)準(zhǔn)草稿中測試流程和數(shù)據(jù)處理方法，

得到相應(yīng)性能指標(biāo)，驗證了方法科學(xué)性和可行性。

7

試驗驗證的過程和數(shù)據(jù)見附錄。

五、標(biāo)準(zhǔn)與其他國際、國外相關(guān)文件的關(guān)系

目前，國際上暫無關(guān)于原子重力儀性能要求或測試方法相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，本標(biāo)準(zhǔn)

中所規(guī)定的性能評價指標(biāo)和測試方法均為國內(nèi)外文獻中普遍采用的方法。

六、標(biāo)準(zhǔn)采用國際文件的情況說明

無

七、標(biāo)準(zhǔn)與其他法律、法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)等的關(guān)系

本標(biāo)準(zhǔn)的制定參考了我國近些年在原子重力儀的發(fā)展所積累的經(jīng)驗，考慮到

原子重力儀推廣到實際應(yīng)用的需求，本標(biāo)準(zhǔn)在動平臺原子重力儀方面的給出的術(shù)

語與DZ/T0356-2020海洋重力測量技術(shù)規(guī)范、DZ/T0381-2021航空重力測量技

術(shù)規(guī)范保持一致。另外，振動噪聲是影響原子重力儀性能的重要因素，在測試方

法中為統(tǒng)一測試振動環(huán)境，本標(biāo)準(zhǔn)引用了VC振動準(zhǔn)則。

八、重大分歧意見的處理過程及依據(jù)

無

九、對標(biāo)準(zhǔn)實施情況的說明

建議發(fā)布時間為2024年1月，實施時間為2025年1月。本標(biāo)準(zhǔn)的實施將有

力推動原子重力儀的產(chǎn)業(yè)化。據(jù)ITU（國際電信聯(lián)盟）研究，原子重力儀潛在市

場規(guī)模數(shù)十億元，國內(nèi)外已經(jīng)成立商業(yè)公司從事原子重力儀產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)。原

子重力儀將應(yīng)用于地震監(jiān)測、資源勘探、大地測量和國防軍事等領(lǐng)域。本標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)

一原子重力儀相關(guān)術(shù)語和測量方法，為原子重力儀性能評價提供參考，有利于實

現(xiàn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈上下游之間的協(xié)調(diào)發(fā)展。

十、其他事項

無

8

附錄：

1.測量不確定度的試驗驗證。

測量不確定度評定包括A類評定和B類評定，其中B類評定表示針對原子

重力儀系統(tǒng)內(nèi)各種物理因素以及外界環(huán)境因素對重力測量的影響進行分析、實驗

得到的不確定度分量的評定。中國計量科學(xué)研究院利用所研制的原子重力儀，開

展了部分物理效應(yīng)進行了試驗驗證。

激光頻率偏移會引起的重力儀測量結(jié)果誤差。激光頻率與標(biāo)稱值偏差百

kHz，會引起μGal量級的重力偏移。試驗采用中國計量科學(xué)研究院研制的飛秒光

梳測量原子重力儀系統(tǒng)的激光頻率，圖1所示為激光頻率測量結(jié)果，測量時間為

12小時，頻率波動小于±10kHz，測量值為384228054712.236kHz，與理論值相

差-490kHz，對應(yīng)的重力修正值-1.3μGal。飛秒光梳的初始頻率和重復(fù)頻率鎖定

在銣鐘上，不確定度主要來源于激光頻率的波動，對應(yīng)重力測量不確定度0.03

μGal。

圖1激光頻率測量結(jié)果

原子重力儀系統(tǒng)中非共振激光引起原子能級移動會導(dǎo)致重力測量結(jié)果出現(xiàn)

偏移，即雙光子頻移效應(yīng)。試驗中改變拉曼激光功率，測量重力值。如圖2所示，

設(shè)定三個拉曼光功率，多次測量重力值，得到對應(yīng)的重力偏移，對此數(shù)據(jù)進行線

性擬合，正常工作時，拉曼光功率為20mW，根據(jù)擬合系數(shù)得到重力修正值為-

15.6μGal，對應(yīng)的不確定度為0.9μGal。

9

圖2雙光子頻移評估

2.短期靈敏度和長期穩(wěn)定度試驗驗證。

短期靈敏度是表征原子重力儀對重力加速度變化的響應(yīng)能力的參數(shù)，是衡量

原子重力儀短時間（如100s以下）測量噪聲的參數(shù)。將中國計量院研制原子重

力儀放置在重力點位進行重力測量，得到多個重力值，數(shù)據(jù)已扣除重力潮汐等相

關(guān)效應(yīng)。連續(xù)測量時間為15000秒，利用測量數(shù)據(jù)計算阿倫標(biāo)準(zhǔn)偏差，得到圖3

所示阿倫標(biāo)準(zhǔn)偏差曲線。對阿倫標(biāo)準(zhǔn)偏差曲線進行線性擬合，得到斜率值為28

μGal/Hz，即短期靈敏度為28μGal/Hz。

√√

圖3阿倫偏差曲線

長期穩(wěn)定度是表征原子重力儀保持其計量特性隨時間恒定能力的參數(shù)，與測

量時間有關(guān)，是衡量原子重力儀長時間（如100s以上）變化的參數(shù)。根據(jù)阿倫

標(biāo)準(zhǔn)偏差曲線，評估特定測量時間對應(yīng)的阿倫標(biāo)準(zhǔn)偏差值，即為長期穩(wěn)定度指標(biāo)。

圖3中連續(xù)采集15000s重力數(shù)據(jù)，可以評估1000s處穩(wěn)定度為0.9μGal。

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3.分辨力測量試驗驗證。

利用引力質(zhì)量法對華中科技大學(xué)研制的原子重力儀的分辨力進行了測試。在

源質(zhì)量參考位置和不同加速度變化量對應(yīng)的位置分別進行測量，每個位置采集8

個有效重力數(shù)據(jù)，并在兩個位置之間進行交替測量，各獲得4組數(shù)據(jù)。試驗中，

附加加速度變化量分別設(shè)為4μGal、1μGal時可用重力儀觀測到明顯的臺階信

號，如圖4、5、6所示，當(dāng)理論計算附加加速度變化量減小到0.6μGal時，已無

明顯臺階信號，如圖6所示，此時兩個臺階平均值之差為0.56μGal，對應(yīng)的不

確定度為0.62μGal，即表明重力儀分辨力約為0.6μGal。圖中采樣周期為1分

鐘，即相鄰兩個點之間的時間為1分鐘，數(shù)據(jù)已扣除重力潮汐等相關(guān)效應(yīng)。

圖4附加加速度變化量4μGal時利用重力儀測得的臺階信號

圖5附加加速度變化量1μGal時利用重力儀測得的臺階信號

11

圖6附加加速度變化量0.6μGal時利用重力儀測得的臺階信號

4.動態(tài)測量試驗驗證。

利用浙江工業(yè)大學(xué)研制的動態(tài)型原子重力儀，開展了動態(tài)測試方法的試驗驗

證。圖7為試驗測線規(guī)劃的示意圖，試驗主測線與聯(lián)絡(luò)測線（檢查線）垂直相交，

測線和檢查線的具體規(guī)劃需視實際選定海域確定，一般主測線盡量垂直于區(qū)域地

質(zhì)構(gòu)造線方向。試驗過程中，試驗船將沿選定測線開展網(wǎng)格耕地式測量作業(yè)，并

在測線中將選擇多條測線開展重復(fù)性測量。根據(jù)實際測線規(guī)劃，進行內(nèi)符合精度

與交叉點偏差的數(shù)據(jù)評估。船載絕對重力測量數(shù)據(jù)的評估應(yīng)選取勻速直線航行航

段的數(shù)據(jù)，測線兩端上線或者下線時的轉(zhuǎn)彎數(shù)據(jù)不作為測線評估數(shù)據(jù)。為保證規(guī)

劃的測線數(shù)據(jù)完整，船只在開始測線前需要提前一段時間上線且測線結(jié)束后需要

沿測線繼續(xù)航線一段時間，具體行船船只要求如下：

a）沿布設(shè)測線均勻、直線航行，航速應(yīng)不大于12kn；

b）提前上線時間應(yīng)大于5min。延遲下線時間應(yīng)大于5min；

c）觀測點橫向偏離設(shè)計航線應(yīng)不大于測線距的1%，其中95%的觀測點應(yīng)

不大于0.5%；對于大比例尺調(diào)查，觀測點橫向偏離設(shè)計航線的左右距離應(yīng)不大

于50m，其中95%的觀測點應(yīng)不大于25m；

d）航線修正：東西向測線每次修正量應(yīng)小于2°，南北向測線每次修正量應(yīng)

小于1°，每分鐘修正一次；

e）航速變化：東西向測線應(yīng)小于0.2kn，南北向測線應(yīng)小于0.5kn；

f）上下線轉(zhuǎn)向舵角應(yīng)小于15°。

12

主測線

.

.

.....

.

.

檢查線

圖7試驗測線規(guī)劃的示意圖

內(nèi)符合精度：船載絕對重力測量的內(nèi)符合精度是利用重復(fù)線測試數(shù)據(jù)來評價

船載絕對重力測量的動態(tài)測量精度，反映的是各重復(fù)線測試數(shù)據(jù)相對于他們的平

均場（多次重復(fù)線測量后得到的平均重力場）數(shù)據(jù)的符合程度。用作評估內(nèi)符合

精度的絕對重力值數(shù)據(jù)需要對儀器工作狀態(tài)以及航行條件變化引起的各類重力

值變化進行修正，包括系統(tǒng)效應(yīng)修正、潮汐改正、厄特沃什改正、高度改正。使

用低通濾波器對重力數(shù)據(jù)進行濾波，得到最終用于評估內(nèi)符合精度的絕對重力數(shù)

據(jù)。

表2中所示的為重復(fù)次數(shù)為四次的重復(fù)線示例數(shù)據(jù)，每條重復(fù)線存在15個

公共段數(shù)據(jù)點數(shù)。對這四條重復(fù)線數(shù)據(jù)進行平均計算可得到表中第五行的平均場

數(shù)據(jù)Fi。將重復(fù)線數(shù)據(jù)與平均場數(shù)據(jù)Fi進行相減后可得到δij，最后通過公式計

算可得到重復(fù)線示例數(shù)據(jù)的內(nèi)符合精度為0.44mGal。

表2規(guī)劃重復(fù)4次的重復(fù)線數(shù)據(jù)示例單位為：mGal（10-5m/s2）

重復(fù)線11.622.734.645.987.129.339.258.656.956.024.453.322.472.552.21

重復(fù)線21.223.474.345.226.789.989.768.217.787.224.653.012.122.451.87

重復(fù)線30.763.562.784.877.459.569.458.877.117.314.023.963.023.122.86

重復(fù)線40.222.323.154.457.218.739.139.347.566.654.604.062.682.722.33

平均場0.963.023.735.137.149.409.408.777.356.804.433.692.572.712.32

交叉點偏差：同一測線與其他所有相交測線交點位置的重力異常值，經(jīng)各項

改正后重力異常值的整體偏差。用作評估交叉點偏差的絕對重力值數(shù)據(jù)需要對儀

器工作狀態(tài)以及航行條件變化引起的各類修正項進行修正，包括系統(tǒng)效應(yīng)修正、

13

潮汐改正、厄特沃什改正、高度改正。使用低通濾波器對重力數(shù)據(jù)進行濾波，得

到最終用于評估交叉點偏差的絕對重力數(shù)據(jù)。交叉點為主測線與聯(lián)絡(luò)測線在空間

的重合位置上的絕對重力數(shù)據(jù)，用于計算交叉點偏差的交點數(shù)應(yīng)大于或等于30

點，舍棄點數(shù)不得超過總交叉點數(shù)的3%。如表3所示的規(guī)劃為6×6的網(wǎng)交叉點

示例數(shù)據(jù)，總共有36個交叉點數(shù)據(jù)，表中的數(shù)據(jù)為主測線和聯(lián)絡(luò)測線在空間交

叉位置上的重力值差異值?？梢园l(fā)現(xiàn)主測線2與聯(lián)絡(luò)測線3的交叉點7.98mGal

明顯大與所有交叉點標(biāo)準(zhǔn)差1.35mGal的三倍，因此在進行交叉點偏差統(tǒng)計時可

將其舍棄。舍棄后進行剩余數(shù)據(jù)的交叉點偏差計算，根據(jù)公式進行計算，最終得

到交叉點偏差為0.46mGal。

n

2

∑δi

ε=±i=1

c2n

2

εc——交叉點偏差，單位為m/s；

2

δi——交叉點處重力測量結(jié)果差值，單位為m/s；

n——交叉點數(shù)。

表格3規(guī)劃6×6測網(wǎng)交叉點示例數(shù)據(jù)，單位為：mGal（10-5m/s2））

主測線1主測線2主測線3主測線4主測線5主測線6

聯(lián)絡(luò)測線11.251.652.122.020.120.85

聯(lián)絡(luò)測線20.990.210.152.210.560.35

聯(lián)絡(luò)測線30.777.980.530.380.220.47

聯(lián)絡(luò)測線41.682.360.950.361.680.36

聯(lián)絡(luò)測線50.780.890.232.010.780.36

聯(lián)絡(luò)測線60.320.850.750.450.360.89

14

目錄

一、工作簡況...............................................................3

（一）任務(wù)來源............................................................3

（二）制訂背景............................................................3

（三）國家標(biāo)準(zhǔn)主要起草人及其所做的工作....................................4

（四）工作過程............................................................5

二、標(biāo)準(zhǔn)編制原則...........................................................6

三、標(biāo)準(zhǔn)中主要技術(shù)內(nèi)容確定的依據(jù)和過程......................................7

四、試驗驗證情況...........................................................7

五、標(biāo)準(zhǔn)與其他國際、國外相關(guān)文件的關(guān)系......................................8

六、標(biāo)準(zhǔn)采用國際文件的情況說明..............................................8

七、標(biāo)準(zhǔn)與其他法律、法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)等的關(guān)系......................................8

八、重大分歧意見的處理過程及依據(jù)............................................8

九、對標(biāo)準(zhǔn)實施情況的說明...................................................8

十、其他事項...............................................................8

附錄：.....................................................................9

2

《原子重力儀性能要求和測試方法》

國家標(biāo)準(zhǔn)編制說明

一、工作簡況

（一）任務(wù)來源

2021年8月24日，國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會發(fā)布《關(guān)于下達2021年第二

批推薦性國家標(biāo)準(zhǔn)計劃及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)外文版計劃的通知》，下達了《原子重力儀性

能要求和測試方法》推薦性國家標(biāo)準(zhǔn)的制定任務(wù)，計劃號：20214289-T-469，

項目周期24個月。本標(biāo)準(zhǔn)由全國量子計算與測量標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會（SAC/TC

578）提出并歸口，由中國計量科學(xué)研究院、浙江工業(yè)大學(xué)、華中科技大學(xué)、中

國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國航空工業(yè)集

團公司北京長城計量測試技術(shù)研究所、中國航天科技集團有限公司錢學(xué)森空間技

術(shù)實驗室、科大國盾量子技術(shù)股份有限公司、深圳中國計量科學(xué)研究院技術(shù)創(chuàng)新

研究院、濟南量子技術(shù)研究院等單位共同負責(zé)起草。其中，中國計量科學(xué)研究院

為該標(biāo)準(zhǔn)起草工作的牽頭單位。

（二）制訂背景

重力加速度的精密測量對地球科學(xué)、計量科學(xué)、資源勘探、地震預(yù)報、國防

軍事等領(lǐng)域有重要意義。絕對重力儀用于實現(xiàn)重力加速度的絕對值測量，按照工

作原理的不同，可以分為基于落體角錐棱鏡的激光干涉型重力儀，以及以冷原子

作為落體的原子干涉型重力儀等。

原子重力儀經(jīng)過三十年的發(fā)展，技術(shù)已經(jīng)成熟，在準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性方面已經(jīng)

接近或超過光學(xué)重力儀。原子重力儀的性能評價參數(shù)有許多，主要有不確定度、

短期靈敏度、長期穩(wěn)定度、測量重復(fù)性、分辨力、內(nèi)符合精度和重復(fù)頻率等，每

個參數(shù)的評估方法也不同，比如不確定度分析，不同研制單位考慮的分項不盡相

同，難以進行有效的性能評估分析。為了推進原子重力儀的研制和應(yīng)用，對原子

重力儀性能進行評估以保證測量重力加速度量值的準(zhǔn)確性、可靠性和一致性，需

要對各性能參數(shù)和評定方法進行規(guī)范，形成標(biāo)準(zhǔn)。

3

（三）國家標(biāo)準(zhǔn)主要起草人及其所做的工作

本標(biāo)準(zhǔn)由中國計量科學(xué)研究院、浙江工業(yè)大學(xué)、華中科技大學(xué)、中國科學(xué)院

精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國航空工業(yè)集團公司北

京長城計量測試技術(shù)研究所、中國航天科技集團有限公司錢學(xué)森空間技術(shù)實驗室、

科大國盾量子技術(shù)股份有限公司、深圳中國計量科學(xué)研究院技術(shù)創(chuàng)新研究院、濟

南量子技術(shù)研究院等單位共同起草。起草單位及主要工作如下表1：

表1標(biāo)準(zhǔn)起草單位及主要工作

序號單位主要工作

主持編寫標(biāo)準(zhǔn)框架和主體內(nèi)容，組織專家

1中國計量科學(xué)研究院研討會，開展調(diào)研，進行測量不確定度、靈

敏度、穩(wěn)定度等標(biāo)準(zhǔn)試驗驗證

編寫標(biāo)準(zhǔn)草稿中的動態(tài)測量部分的術(shù)語、

2浙江工業(yè)大學(xué)指標(biāo)要求、測試方法以及試驗驗證，參加專

家研討會，提供技術(shù)咨詢意見

編寫標(biāo)準(zhǔn)草稿中測量不確定度的分類和定

義，編寫引力質(zhì)量法測量分辨力的方案并

3華中科技大學(xué)

進行試驗驗證，參加專家研討會，提供技術(shù)

咨詢意見

中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技編寫標(biāo)準(zhǔn)草稿中原子重力儀的原理介紹、

4分類定義，參加專家研討會，提供技術(shù)咨詢

術(shù)創(chuàng)新研究院

意見

編寫標(biāo)準(zhǔn)草稿中分辨力測試方法，包括重

5中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)力梯度法和潮汐跟隨法，參加專家研討會，

提供技術(shù)咨詢意見

中國航空工業(yè)集團公司北京長編寫標(biāo)準(zhǔn)草稿中測試條件部分，針對振動

6噪聲進行定義和區(qū)分，參加專家研討會，提

城計量測試技術(shù)研究所

供技術(shù)咨詢意見

中國航天科技集團有限公司錢

7多次參加專家研討會，提供反饋意見

學(xué)森空間技術(shù)實驗室

科大國盾量子技術(shù)

8多次參加專家研討會，提供反饋意見

股份有限公司

深圳中國計量科學(xué)研究院

9參加起草工作和研討會

技術(shù)創(chuàng)新研究院

10濟南量子技術(shù)研究院參加起草工作和研討會

4

（四）工作過程

項目啟動至進行了五次工作會議和多次調(diào)研活動，因受疫情影響，工作會議

形式主要以線上騰訊會議形式開展。會議主要內(nèi)容如下：

第一次會議于2022年3月11日召開，正式成立了標(biāo)準(zhǔn)起草工作組。會議對

標(biāo)準(zhǔn)起草各階段工作進行初步安排，包括起草階段、征求意見階段、審查階段、

報批階段的時間安排與工作成果要求。會議對標(biāo)準(zhǔn)草案的框架內(nèi)容進行了詳細討

論，與會專家建議建立一套原子重力儀性能評估體系，規(guī)定一批參數(shù)進行評估，

根據(jù)指標(biāo)情況對原子重力儀進行分類，原子重力儀不確定度評估涉及面要更廣一

些，測量環(huán)境需要進行分類，給出不同環(huán)境的具體指標(biāo)。會議同時明確了標(biāo)準(zhǔn)草

案編寫注意事項。會后向各位專家發(fā)放了反饋調(diào)查問卷。

第二次會議于2022年5月13日召開，本次會議針對專家反饋的調(diào)查問卷，

邀請了國內(nèi)從事原子重力儀研制的多位專家進行詳細討論。針對原子重力儀的分

類方式，經(jīng)過專家討論形成統(tǒng)一意見，將原子重力儀分為靜態(tài)測量和動態(tài)測量兩

類。針對術(shù)語定義，詳細討論了“準(zhǔn)確度”、“測量速率”、“靈敏度”“重復(fù)性”

等具體定義，明確了“穩(wěn)定度”與“分辨力”的區(qū)別。針對測試方法，專家建議

增加動態(tài)測量指標(biāo)的測試方法。

第三次會議于2022年6月10日召開，針對專家反饋意見，邀請國內(nèi)從事原

子重力儀研制的專家修改完善標(biāo)準(zhǔn)草案，增加了原子重力儀動態(tài)測量相關(guān)的術(shù)語

定義和測試方法，補充完善“分辨力”的多種測試方法，增加了原子重力儀不

確定度評估方法，明確了原子重力儀的分類以及原理介紹，給出測試環(huán)境條件的

具體參數(shù)，經(jīng)過本次討論，基本完成標(biāo)準(zhǔn)草稿主體框架和主要內(nèi)容。

第四次會議于2022年7月26日召開，本次會議邀請了標(biāo)準(zhǔn)編寫組的各位專

家針對標(biāo)準(zhǔn)草稿進行詳細研討。會議介紹了前期專家的反饋意見以及目前處理的

情況，標(biāo)準(zhǔn)的整體框架和內(nèi)容梗概。針對標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容，專家建議增加總體原則和目

標(biāo)，利用示意圖說明測試方法和原理。針對術(shù)語定義，專家建議動態(tài)范圍等指標(biāo)

還需要進一步明確細化。針對測試方法部分長期穩(wěn)定度的時間規(guī)定，專家進行了

詳細討論，明確了測試時間范圍。

第五次會議于2022年12月30日召開，本次會議針對前期調(diào)研過程中與相

關(guān)應(yīng)用單位的交流討論，邀請工作組進一步完善標(biāo)準(zhǔn)草稿。動態(tài)測量方面討論了

5

動態(tài)范圍與量程的定義和測試方法。分辨力測量方法中，詳細討論了潮汐跟隨法

的合理性。針對靈敏度和穩(wěn)定度，詳細討論了數(shù)據(jù)采樣時間的區(qū)分。另外，會議

討論了標(biāo)準(zhǔn)編制說明初稿，形成了修改意見。

2022年8月赴浙江省杭州市調(diào)研，與浙江工業(yè)大學(xué)、杭州微伽量子科技有

限公司等原子重力儀相關(guān)的研制單位進行交流，針對標(biāo)準(zhǔn)如何服務(wù)于原子重力儀

的生產(chǎn)測試，促進產(chǎn)業(yè)發(fā)展，采納了相關(guān)專家對于標(biāo)準(zhǔn)草稿的具體意見，包括短

期靈敏度和長期穩(wěn)定度的測試時間等，明確了標(biāo)準(zhǔn)需要強化基礎(chǔ)性、通用性。

2022年11月與地震局相關(guān)研究單位進行線上調(diào)研交流，針對原子重力儀在

地震行業(yè)的應(yīng)用，原子重力儀相關(guān)指標(biāo)和測試方法可參考地震觀測儀器進網(wǎng)技術(shù)

要求。特別是原子重力儀的分辨力指標(biāo)，通過與地震行業(yè)專家的交流討論，完善

了潮汐跟隨方法的測試步驟和數(shù)據(jù)處理。

二、標(biāo)準(zhǔn)編制原則

1.科學(xué)性和系統(tǒng)性

本標(biāo)準(zhǔn)遵循GB/T1.1-2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)

構(gòu)和起草規(guī)則》和GB/T20001.4《標(biāo)準(zhǔn)編寫規(guī)則第4部分：試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》的

規(guī)則起草。所規(guī)定的原子重力儀的性能評價指標(biāo)和測試方法與我國近年來的量子

精密測量的發(fā)展和應(yīng)用緊密結(jié)合，吸納了國內(nèi)該領(lǐng)域內(nèi)同行所積累的相關(guān)經(jīng)驗，

確保標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容科學(xué)性和系統(tǒng)性，填補國內(nèi)原子重力儀領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)空白。

2.準(zhǔn)確性和完整性

本標(biāo)準(zhǔn)充分考慮了原子重力儀的不同工作原理和不同工作場景，所約定的術(shù)

語適用于不同的原子重力儀的性能評價和測試。本標(biāo)準(zhǔn)在約定性能評價標(biāo)準(zhǔn)和測

試方法時充分