地球重力场^［1，2］是地球最重要的物理场之一，它反映了地球物质的空间分布、运动和变化，并制约着地球及其邻近空间所发生的一切物理事件。地球重力场数据是一个国家的基础数据和战略数据。地球重力场的精准测量对计量科学、防震减灾、测绘学和地球动力学等领域具有十分重要的科学意义；对海洋科学、资源勘探和国家安全等领域具有十分重大的战略意义。例如：①重力场数据是确定地球模型和大地水准面的基本数据。②重力场数据尤其是重力异常是进行陆地和海洋资源勘探，发现石油、矿物质和天然气等资源的重要依据。③重力场数据是进行地震前兆观测研究进而开展地震预报的主要手段之一，我国地震部门就有许多通过重力变化数据分析预报地震的成功案例，在我国防震减灾领域发挥了重要作用。④重力场数据及其时变信息是精密测量中必不可少的影响因素，如在计量学领域中利用瓦特天平法重新定义质量、高精度时间频率基准钟等。⑤重力场数据也常用于航天领域中校准陀螺仪、加速度计和离心机等惯性元件，进而为确保航天器不偏离飞行轨道提供技术保障。

重力加速度是随着时间和空间变化的量值。就其随着时间变化而言，同一地点的重力加速度每24小时约有200 μGal（1 μGal=1×10^-8 m/s²）的变化量；就其空间变化而言，同一地点的高程每变化1 m，重力加速度约有300 μGal的变化量（重力垂直梯度）。在我国范围，北至漠河（重力加速度值约为9.81 m/s²）、南至香港（重力加速度值约为9.78 m/s²）、西至乌鲁木齐（重力加速度值约为9.80 m/s²）、东至威海（重力加速度值约为9.79 m/s²），形成了最大3 000 mGal（1 mGal=1×10^-5 m/s²）以上的重力加速度变化量。

重力加速度计量^［3，4］有着非常重要的作用，它不仅体现在“质量重新定义”、“铯原子喷泉钟及光钟中的引力红移”等基础研究领域，还体现在压力、测力、扭矩、衡器和大地测量等专业的实际应用领域。具体来说，通过力感应或力平衡原理检定或校准力值和压力元件的装置，由于重力加速度计量的不准确，会带来较大的测量偏差。从全国范围看，相对于东部地区，西藏和贵州位于较高海拔、低气压地区，属地的重力加速度值相对于我国同纬度的重力加速度平均值较小，有1×10^-2 m/s²（1 000 mGal）量级的偏差。西藏和贵州地区重力加速度计量的不准确会导致当地力值和压力元件测量出现偏差。因此，在我国西藏和贵州以外生产及校准过的力值和压力元件，在这两个地区使用时，需要根据两地的重力加速度值进行修正。

国际大地测量协会（International Association of Geodesy，IAG）重力委员会下的全球绝对重力参考系统工作组（International Association of Geodesy -Global Joint Working Group on Absolute Gravity Reference Systems 2.2，IAG-JWG 2.2）和国际计量委员会—质量及相关量咨询委员会（International Committee for Weights and Measures-Consultative Committee for Mass and related quantities，CIPM-CCM）下的重力测定工作组（Consultative Committee for Mass and related quantities-Working Group on Gravimetry，CCM-WGG）将如何在全球建立准确度更高的新的全球重力参考系统以及建立全球重力数据库系统等研究工作列入到其重点工作中。国际上美国、俄罗斯、英国、法国、德国、意大利、瑞士、奥地利、芬兰、捷克和土耳其等国家计量院或其指定实验室均建立了“重力计量基标准体系”，以支撑全球准确度为几个微伽（μGal）的新的“全球重力参考系统”的建设。

2013年3月，国务院印发的《国家重大科技基础设施建设中长期规划（2012—2030年）》中明确提出：“建设精密重力测量研究设施，主要包括：精密重力测量基准台与检测系统，卫星、航空和水下重力探测环境模拟与物理仿真试验系统，全球高精度重力场数据处理系统等”。2012年至今，国家投入了大量资金用以研制各种类型的重力仪设备，并着手建立重力精密测量的研究设施，同时，启动“中国大陆构造环境监测网络”等多项重大工程用以构建国内重力数据观测网，这些正在建设的大型国家工程都与重力精密测量和计量密不可分，从国家对相关研究的立项和投入可以看出，我国对重力相关信息极为重视，国家重力计量参考网能为这些大型国家发展项目提供重力计量参考数据，为数据有效性提供保障服务。此外，国家重力计量参考网还能直接为不同地区精密力值测量的仪器设备如测力机、电子秤、压力计和扭矩的校准服务提供基本保障。

中国计量科学研究院时间频率计量科学研究所重力计量基准实验室，有着40多年从事绝对重力仪^［5~19］研制及应用、开发的经验，其拥有的NIM3A型绝对重力仪，经过国际关键比对验证，测量准确度优于5 μGal，能够满足压力、测力和衡器等力学量值的标定校准需求。同时，中国计量科学研究院昌平院区，是全球及亚太区域绝对重力仪关键比对点，也是我国乃至全球绝对重力测量量值的溯源源头，目前建有国家重力计量基准，具有非常好的技术优势。

从重力的专业角度出发，需要建立重力加速度计量（观测及仪器校准）长基线、进而建立我国重力计量基本网的主要原因有2个：一是重力加速度是随着时间和空间变化的四维变化量，需要通过地理信息（经纬度和海拔高度等）不同的多点位进行长期定点的高精度观测，才能提高其测量的精准度。二是重力测量仪器的影响因素大都是非线性的，只有通过大段差（几千毫伽）的重力测量（通常高精度重力测量需要在隔振基础上，有一定的温度控制），才能进行重力测量仪器的计量特性研究，并准确地校准重力测量类仪器。

在自由落体期间，绝对重力仪通过使用干涉仪来精确跟踪测试落体来确定g值。干涉仪输出端的光电二极管电路每次信号达到零后产生一个脉冲，这些脉冲的时间通过一个铷时钟来精确地测定。最后，对这些成对的时间t_i和距离x_i，按照最小二乘法进行解算：

式中：x0、v0和g0分别是初始位置、速度和重力加速度，它们是最佳估计值的自由参数^［20］。

实际上，在整个下落的过程中，重力梯度γ是可以测量出来的，于是得到复杂的标准方程^［20］：

在理论上，梯度也是一个自由参数，但是下落的距离比较短，敏感度很低，故在实际应用中可利用1台或者2台相对重力仪进行梯度测量。

最后，因为光速是有限的，在下落底部，条纹生成的时间总是滞后于落体到达的位置。因此公式（2）^［20］被进一步修改为：

式中：t˜i为延迟时间，t˜i=t0-(xi-x0)/c，c为光速。

根据公式（3）^［20］按照最小二乘法拟合求解出的重力值，即绝对重力值g的最佳估计值，该值是在某一特定位置开始测量的值，或者说是在某次下落的顶部的值。该值通常在一个非常方便的高度下进行计算。通过以上分析发现，干涉带上引入的误差会传递给最终的测量结果，这些误差主要来自于落体控制机构产生的系统自振与控制精度、干涉带信息提取算法误差以及测点的背景振动影响参考棱镜而引入的误差。得到最终的测量结果还要进行地球固体潮、海潮负荷、极移和气压等修正。

2016—2020年，项目组携带绝对重力测量仪器，远赴西藏、新疆、香港、内蒙古、黑龙江、吉林、辽宁、陕西、江苏、浙江、上海、湖南、福建、河北、河南、安徽、湖北、四川、山西、山东和重庆等20多个省市、地区的50余个测点，主要是省会级城市，给当地计量机构和地震等部门准确传递了重力加速度量值^［21］，确保了当地重力量值的准确、可靠及其溯源性，初步建立了国家重力计量参考网。根据实际需求，测量精度均优于50 μGal。

当前，位于北京的中国计量科学研究院昌平院区已被国际相关组织（国际计量委员会质量及相关量咨询委员会，国际大地测量协会重力委员会）确定为全球绝对重力仪关键比对点和全球重力参考网点之一。2017年，中国计量科学研究院主办了国际计量委员会和国际大地测量协会共同批准的第十届全球绝对重力仪关键比对活动，建立了全球重力计量基准原点。来自全球14个国家的32台仪器参加了这次国际比对，其中13台仪器参加关键比对，而中国计量科学研究院自主研制的NIM3A型绝对重力仪是参加关键比对的唯一一台非FG5（X）型绝对重力仪的仪器。2019年，中国计量科学研究院完成了国家重力加速度计量基准的建立［国家市场监督管理总局批准，基准证书编号：国基证（2019）第142号］，其测量不确定度为1 μGal，达到了全球领先水平。因此，以北京中国计量科学研究院为中心、以乌鲁木齐中亚计量研究中心、香港计量院力学实验室、阿里地区市场监管局力学实验室、漠河重力计量实验室和抚远重力计量实验室为结点，形成了我国扁平化的重力加速度量值溯源体系，将我国的重力加速度测量量值溯源到SI国际单位制，确保其测量量值的准确性、有效性、可靠性和国际一致性。重力加速度量值溯源与传递关系如图1所示。

图1中，测量不确定度是指“根据所用到的信息，表征赋予被测量量值分散性的非负参数”；比对法是指“在规定条件下，对相同准确度等级或不确定度范围的测量仪器进行同期同址比测”；比较法是指“在规定条件下，在若干点位上，将测量仪器测量结果与点位参考值进行对比”。

中国计量科学研究院昌平院区重力计量基准实验室为重力量值传递的源头。通过计量院的社会公用计量标准“重力加速度（绝对法）校准装置”（证书编号：［2012］国量标计证字第252号）对测点进行重力测量来进行量值传递，该计量标准精度优于6 μGal。

项目组于2016—2020年给香港计量院进行现场绝对重力值的实时测量校准工作（图2）。而代表性区域的6个绝对重力测量点位的地理基本情况如表1所列。

对这些代表性区域绝对重力测量点位进行绝对重力测量校准的结果如表2所列。

由表2可知，由于我国地域宽广，经纬度、海拔高度相差较大，各地市的绝对重力加速度也不尽相同。以香港计量院的测点为参考点，绝对重力值最大的测点为漠河重力计量实验室，绝对重力值最小的测点为阿里地区市场监管局力学实验室；最大值与最小值相差约3.08669×10^-2 m/s²。由此可见，对于在我国内地生产及校准过的力值和压力元件，当其相对标准不确定度要求优于千分之一时，在阿里使用的时候，需要根据两地的重力加速度值进行修正。而各测点的测量精度也不尽相同，这是因为所携带的绝对重力仪采用振动修正原理而测点的振动环境不同所致，香港测点在闹市区且没有隔振地基，因此测量精度较低；而漠河和抚远测点由于在郊区且点位建有隔振地基，因此测量精度较高。

根据当地测量工作实际需要，我们还对各个测点的重力垂直梯度进行了测量，所用仪器为CG-5型相对重力仪。测量中采用的梯度架为定制加工的金属梯度架。重力垂直梯度测量现场如图3所示。

全国代表性区域测点的重力垂直梯度测量结果如表3所列。

由表3可知，各地市的重力垂直梯度也各不相同。当地力值和压力元件的传感器中心所在位置在该校准点位的重力加速度值需要通过该点位绝对重力仪参考高度处的重力值和重力垂直梯度的计算得到。

通过近5年来“重力计量专题服务”项目的实施，填补了我国一些计量部门没有实地测量绝对重力值的空白，帮助当地计量部门提高了力学实验室的检定及校准能力，并给当地技术人员普及了有关的计量知识。初步建立了我国的重力计量参考网共50余个站点。

本文重点介绍了全国代表性区域的6个绝对重力测量点位的测量情况。这6个点位的精度受限于测点的周围环境和地基状况。今后，还需进一步改进振动环境较差时绝对重力仪的测量精度；另外，建议计量、地震等部门在建立测点时，选择远离振动较大的环境和建设隔振地基。这样，后续的重力计量参考网的测量精度也将会有较大提升。

来自中国计量科学研究院的项目组人员在项目实施过程中，积累了在内陆干旱高温季节及高纬度、高海拔地区运输、使用仪器的宝贵经验，为将来在其他类似地区进行测量工作提供了人员准备和仪器运输、使用的借鉴。在该项目的持续支持下，项目组计划进一步完善我国的重力计量基本网，如在西藏拉萨、海南三亚等地建立重力计量实验室。