科技是发展的利器，是强国的支撑．习近平总书记多次强调，科技自立自强是国家强盛之基，要把科技的命脉牢牢掌握在自己手中．国家重大科技基础设施作为“国之重器”，是创新驱动发展的利器，是大国博弈的支撑，是世界科技强国的重要标志．2013年，国务院印发了《国家重大科技基础设施建设中长期规划(2012~2030年)》，并提出逐步完善重大设施体系，首次在国家战略层面上给出规划路线图．在“十四五”时期，我国将以更大的力度加快布局一批更高水平、更大规模的重大科技基础设施．随着创新改革试验的不断深入，重大科技基础设施已不仅是传统意义上的大型研究平台，其更多地承担起国家科技改革与创新的时代重任，全面开启建设社会主义科技强国的历史使命．地球重力场是近地空间最基本的物理场之一，反映了地球(固体地球、海洋和大气等)物质分布及其随时间和空间的变化．重力场数据是国家的基础数据、战略数据．精密重力测量是地球系统各圈层相互作用、固体地球构造与运动、全球海平面变化及其洋流、冰川融化、陆地水资源、气候、地质灾害和地震等领域研究的关键观测手段之一；在油气田、煤田、金属与非金属矿产资源勘查领域，重力勘探技术也发挥出越来越重要的作用．此外，精密重力测量还可以为引力及其相关物理规律实验检验等提供重要技术支撑，全面推动我国各类重力测量装备的研制及应用研究，不断催生出多学科交叉、集成的新型精密重力测量技术，如超导重力测量技术、冷原子干涉重力测量技术等．精密重力测量相关的关键技术和装置，如激光测距和时间延迟干涉技术、高精度加速度计装置、超稳时钟装置等可直接服务于我国空间引力波探测计划——天琴计划．“精密重力测量研究设施”(Precise Gravity Measurement Facility，简称PGMF)是“十二五”期间国家优先支持的16项重大科技基础设施建设项目之一．项目总投资8.592 8×108元，建设期五年，主管部门为教育部和湖北省人民政府，共建部门为中国科学院和武汉市人民政府．项目法人单位为华中科技大学，共建单位为中科院精密测量科学与技术创新研究院、中国地质大学(武汉)和中山大学，建设依托主体为华中科技大学物理学院引力中心．2013年1月，国务院印发《国务院关于印发国家重大科技基础设施建设中长期规划(2012—2030年)的通知》(国发〔2013〕8号)，明确优先建设“精密重力测量研究设施”等16项国家重大科技基础设施；2015年，国家发展和改革委员会批复项目建议书．目前，项目基建工程已进入收尾阶段，工艺平台进展顺利，大部分装置已完成或基本完成建设任务且技术指标达到验收要求，逐步开展工艺性能验收工作．1 精密重力测量研究设施建设目标及实施策略1.1　总体架构和总目标PGMF以具备全球毫伽级、基准微伽级的重力数据获取、评估与应用能力为目标，着力建成国际一流、综合指标国际领先的研究设施，并使之发展成为具有国际影响力的重力测量科学中心之一．建成后，将为我国地球科学基础研究及精密重力仪器研制、测量与应用研究提供必要的实验条件，满足我国地球科学研究、资源勘探、国家安全等对重力数据和重力基准的战略需求[1]．设施涵盖了重力数据的测量溯源、基准、检验与测量、评估全过程，将建设2个平台、4个体系、11个系统、24个装置，满足重力测量仪器比对与校准、重力测量环节物理仿真与评估、重力测量基础科学前沿研究和重力测量应用国家需求研究(图1)．10.13245/j.hust.220901.F001图1精密重力测量研究设施建设总体架构PGMF将建立基于牛顿万有引力定律的重力测量标准、基于冷原子干涉技术的高精度绝对重力测量基准、构成2 µGal的重力基准体系．建设5×10-9 s-2重力梯度测量集成与评估系统，实现海空重力测量实验室环境下对飞机/舰船等环境复杂运动模拟、背景物理场模拟测试评估；为空间分辨率达到100 km、测量精度达到2 mGal的高精度卫星重力测量系统提供加速度计、激光测距、精确卫星编队的地面仿真评估．建立全球重力场模型和我国区域重力场精化模型，推动地球物质迁移与全球环境变化规律等基础科学研究，提升我国国际影响力；以重力测量技术研究为突破口，研发一批先进重力测量仪器，掌握高精度绝对重力测量、航空重力梯度测量和卫星重力测量核心技术．设施工程总体建设内容包括重力测量基准平台、重力测量物理仿真平台、建安工程及配套公用设施．1.2　四大体系及其科学目标1.2.1　重力基准溯源体系重力基准溯源体系将建立本地频率/长度标准溯源系统，将测量的重力值溯源到国际基本单位，包括时频标准溯源装置、长度标准溯源装置、时间频率传输装置；建设引力标准溯源系统，具备0.2 μGal重力测量分辨率和溯源能力，包括标准引力场装置和引力校验溯源装置．重力测量基准须要建立统一的、可比对且可传递的精密重力测量仪器和数据标准．为了实现这一目标，计量的可溯源性是必需的，即通过一条无断裂的、具有规定不确定度的比较链，使测量结果或测量标准值能够与规定的参考标准，通常是与国家测量标准或国际测量标准联系起来．重力测量溯源链反映了测量结果和计量基本单位相联系的能力．通过频率/长度标准将绝对重力测量单位溯源到国际基本单位，通过引力标准将重力测量分辨率溯源到万有引力定律，再通过重力测量基准传递到重力测量仪器并向下传递到重力测量数据，从而实现重力测量的溯源．重力基准溯源体系包括时频标准溯源装置、长度标准溯源装置、时间频率传输装置、标准引力场装置和引力检验溯源装置5个装置．时频标准溯源装置和长度标准溯源装置生成本地时频标准(不确定度为1×10-13)和长度标准(不确定度为1×10-11)；时频传输装置(传输链路的稳定度1×10-14/τ1/2，τ表示取样时间)将本地时频标准传递给各用户终端．对高精度的重力测量仪器进行标定，须人为产生大小达到数十微伽，精度达到亚微伽的引力加速度．PGMF在前期从事精密引力实验研究的基础上，拟采用环形配置的多个球体及高精度的升降装置来产生精确的校验引力场，引力场变化幅度最大可达20 μGal(在-10~10 μGal范围内可调，1 μGal=1×10-8 m/s2)，精度优于0.2 μGal．1.2.2　重力基准校验评估体系重力基准校验评估体系建设目标是建立国际领先水平的绝对重力测量基准，主要包括高精度重力测量仪器、重力测量基准站和重力仪器校验3个系统．重力基准校验评估体系建成后将具备三大主要功能：一是为地球物理研究[2-3]、国家基本重力网建立[4-5]等相关领域提供高精度绝对重力测量仪器；二是提供重力基准和长期连续重力测量数据[6-7]，并为绝对重力仪比对提供符合规范的比对场所[8-9]；三是提供重力测量仪器校验服务，包括标度因子、分辨率、测量偏差、温度系数、电磁系数等的检验．其中，高精度重力测量仪器研制是核心建设内容，将自主研制达到国际领先水平的高精度原子干涉绝对重力仪、原子干涉重力梯度仪和扭秤水平重力梯度仪．重力基准校验评估体系建设具体目标是实现绝对重力测量精度2 μGal，重力仪器校验评估精度2 μGal．重力测量仪器系统主要由高精度重力、重力梯度测量等设备仪器集成，为重力基准提供绝对重力、相对重力和重力梯度测量的高精度仪器，解决地面重力测量仪器核心技术和提升重力基准的仪器测量性能．重力测量仪器系统采用研制原子干涉重力仪[10-11]、原子干涉重力梯度测量装置[12]、扭秤重力梯度测量装置和采购商用重力仪器等技术途径进行集成，实现2 μGal绝对重力测量和5×10-9 s-2重力梯度测量的技术指标，为地球物理研究、国家基本重力网建立等相关领域提供高精度绝对重力测量仪器，也为该体系中的重力测量基准和重力仪器校验提供标准仪器．重力测量基准站系统总的目标是建立微伽级的国际一流重力比对场所，为我国高精度绝对重力测量仪器及重力基本网提供基准，同时还将为重力测量和地球物理研究提供连续的绝对和相对重力观测数据．该系统主要由符合国际标准的重力比对场所和高精度环境参数监测装置构成，最终目标是实现比对场所重力分布测量精度小于1 μGal和背景物理场影响监测小于1 μGal的技术指标．基准站系统是国家大地测量的重要基础和重力测量的重要参考框架，是空间科学发展、航天、航海的重要支撑，是地理空间信息的重要组成部分，是地球物理物探的重要控制框架，也是国防建设的重要参考．重力仪器校验系统是为了服务于各种重力测量仪器尤其是高精度重力测量仪器的性能指标检测和评价，并形成重力测量仪器校验标准与规范，是重力基准平台对外服务的主要部分．重力仪器校验系统是以PGMF中频率/长度标准溯源系统、引力标准溯源系统、重力测量仪器系统和重力测量基准站系统等作为基础，同时也是这些系统能力的一种外在体现．对重力仪器进行校验可以分为重力仪器自身性能参数评估校验和背景环境物理场对重力仪器测量耦合评估两个部分．对应地，重力仪器校验系统包括重力仪性能校验装置和重力仪环境校验装置等两部分，最终目标是实现重力仪分辨率校验水平0.2 μGal和不确定度校验2 μGal的技术指标．1.2.3　海空重力梯度测量物理仿真体系海空重力梯度测量物理仿真体系的建设目标是构建重力梯度测试分辨率达到1×10-9 s-2和海空重力梯度测量仿真与评估达到5×10-9 s-2的重力梯度测量与海空环境模拟测试与评估保障平台，主要包括海空重力梯度集成测试系统和海空环境物理仿真与评估系统．海空重力梯度测量物理仿真体系建成后将具备四大主要功能：一是具备高精度的惯性单元技术及超导测量技术系统集成能力和完善的单元技术测试能力；二是研发旋转加速度计重力梯度测量系统和更高精度的低温超导重力梯度测量系统；三是形成动机座平台及海空环境物理仿真模拟(如机载、艇载、车载)等基础保障条件，满足重力梯度测量系统关键技术研发和环境模拟的测试与评估的需求；四是构建海空重力测量的综合评估系统，实现真实重力场信息的准确提取．海空重力梯度测量物理仿真体系以旋转重力梯度测量技术和超导重力梯度测量技术的突破为出发点，完善相关支撑单元技术和基础测试条件，发展海空环境物理仿真与评估能力，形成两种技术路线同步研发和一个海空环境物理仿真与评估系统为支撑的海空重力梯度测量研发与物理仿真体系，最终推动重力梯度测量技术从实验室走向应用环境．海空重力梯度集成测试系统将针对旋转加速度计重力梯度仪和超导重力梯度仪两种重力梯度测量系统分别建设系统集成与综合测试装置，实现从单元技术到系统集成的能力．目前国际已有的以及在研制和发展的重力梯度仪包括旋转重力梯度仪、超导重力梯度测量系统、冷原子重力梯度仪、基于微机械加工的重力梯度仪，以及静电重力梯度仪等[13-17]，其中旋转加速度计重力梯度仪是目前在机载/船载等运动平台获得成功应用的重力梯度测量仪器[18-19]，超导重力梯度测量系统被认为是瞄准1×10-9 s-2甚至更高测量精度的下一代海空重力梯度测量系统[20-21]．海空重力梯度集成测试系统包括旋转重力梯度集成测试装置及超导重力梯度集成测试装置，最终目的是突破两种重力梯度测量的关键技术，具备单元测试和系统集成的能力，满足我国研制和发展海空重力梯度测量系统的需求．海空重力测量环境物理仿真与评估系统通过在线物理/半物理模拟重力测量应用环境，实现实验室条件下的实际应用环境仿真模拟，开展重力测量仪器及系统的性能检验和评估研究，满足重力测量仪器在海空测量环境下的环境响应测试及评估需求[22-23]，确保各种重力测量仪器能够适用于复杂应用环境．主要建设内容包括海空环境模拟仿真装置和海空重力测量评估装置，其中海空环境模拟仿真装置建设机载平台复杂运动模拟装置和背景物理场模拟与评估系统两个部分，实现实验室条件下的海空载体运动和背景温度场、磁场及振动冲击的模拟；海空重力测量评估装置针对海空重力和重力梯度测量的应用需求建设用于资源勘探和国家安全方面的评估体系，为后续实际应用提供综合评估能力．1.2.4　卫星重力测量物理仿真体系卫星重力测量物理仿真体系以卫星重力测量仿真与评估达到2 mGal@100 km、静态重力场评估达到1 mGal@100 km、时变重力场评估达到每月1 µGal@300 km为总目标，建设惯性传感器与物理仿真系统、星间激光测距与物理仿真系统及卫星编队模拟与物理仿真系统．针对这三个系统所需的从单元技术、系统集成、样机测试及应用物理环境的仿真模拟进行综合评估，满足我国相关领域的战略需求．惯性传感器与物理仿真系统建设目的是完成高精度空间惯性传感器、加速度计、重力梯度仪等地面测试和在轨环境模拟性能测试平台建设，具备高精度惯性传感器、空间加速度计、空间重力梯度仪的标定、性能测试和在轨物理环境影响研究的能力．惯性传感器是卫星重力测量的核心载荷之一，其显著特点是灵敏度高、量程小[24]．主要采用高压悬浮与悬丝悬挂这两种方案来平衡地球表面重力的影响[25-26]．高压悬浮测试方案是通过竖直方向上高压产生的静电力平衡检验质量的重力，将检验质量悬浮起来．悬丝悬挂测试方案是通过金属丝悬挂检验质量来平衡重力，即所谓扭摆悬挂方案[27-29]．此外，还可以利用地面一定高度自由下落来开展短时期在轨运行模拟，从而进行飞行载荷最终功能检验．为了充分验证惯性传感器性能，高精度惯性传感器与物理仿真平台将选择高压悬浮、扭摆悬挂、自由落体三种不同手段相结合来开展惯性传感器性能测试与在轨环境模拟研究，通过优势互补综合开展高精度加速度计/惯性传感器的性能测试和在轨仿真评估．星间激光测距与物理仿真系统由5个子单元组成，将提供星间激光测距系统的测量标定、性能测试和测量环境模拟仿真等功能．此外，星间激光测距与物理仿真系统建设完成后，也将为空间光学精密测量(如高精度卫星编队飞行、卫星对地监控)、空间基础物理实验(如空间引力波探测、空间等效原理实验检验)提供关键技术研发和测试平台．星间激光测距与物理仿真系统瞄准高精度全球重力场测量，以满足下一代卫星重力测量需求为目标，研发所需标定与测试平台，以及环境模拟仿真平台．卫星编队模拟与物理仿真系统采用基于高压气悬浮技术的零重力卫星模拟器实现低噪声、零摩擦的三自由度运动仿真．在气浮台上安装高精度姿态微调二级平台实现对激光干涉测量编队的编队构型、姿态控制捕获与保持、激光束的高精度指向实现控制算法与控制环路硬件性能的仿真与验证，为未来精度更高的空间引力波探测编队技术验证提供支撑．1.3　实施策略根据《国家重大科技基础设施管理办法》(发改高技〔2014〕2545号)和教育部《高等学校国家重大科技基础设施建设管理办法(暂行)》(教技函〔2019〕76号)文件要求，项目法人单位华中科技大学高度重视设施建设工作，依据国家和学校有关规定，制订《精密重力测量国家重大科技基础设施建设管理办法》等一系列建设和内控管理制度，力争规范安全顺利推进设施建设．设施建设阶段成立建设领导小组，学校党委书记和校长任组长，相关职能部门和院系负责人任小组成员，承担建设管理领导职责，负责审定设施建设重大事项、制定“特区”政策等；成立建设指挥部，分管校领导任指挥长，牵头负责落实领导小组决策，完成设施建设工作；设置工程总经理、总工程师、总工艺师、总经济师及各总体组长等，负责完成工艺平台建设工作．设施建设参与单位严格执行国家、学校和设施建设管理有关规定，加强设施建设过程管理，尤其是建安工程和工艺平台建设相关的计划与进度、经费、采购与合同、质量、设备与资产、安全与风险管控、变更、档案等管理．借助高校在人才引进和人才培养方面的优势，“边建设、边运行、边开放”，建成“中国特色、世界一流”的基础研究平台，尽早发挥设施的科技效益和经济社会效益．2 PGMF总体建设进展2.1　重力基准溯源体系时频标准溯源装置是频率/长度标准溯源系统的核心部分，采购的主动氢钟和铯束钟已完成验收，秒稳和准确度指标均优于验收要求，已服务于设施建设．铯喷泉钟是国际原子时的直接物理实现[30]，具有最高的频率准确度[31-32]，目前铯原子喷泉钟已达到稳定度的建设指标，正在进行系统不确定度评估．长度标准溯源装置采用当今国际上最先进的激光稳频技术[33]，在1~100 s范围内，实现了532 nm碘稳频激光不确定度为9.4×10-12、秒稳定度为5×10-14，780 nm稳频激光秒稳定度为1×10-10，均已优于或满足验收要求[34]．在此基础上，已成功自主研制了两套基于碘分子稳频的一体化星载激光稳频光路系统，其结构更紧凑、稳定性更优越，未来可应用于空间引力波探测、卫星重力测量、卫星导航定位等．时间频率传输装置通过采用高保真传输技术、传输噪声补偿技术、时间同步比对技术等，实现了两栋大楼不同实验室之间10 MHz和100 MHz氢钟输出信号传递，100 MHz传递引入的附加频率稳定度小于6×10-15τ-1/2，优于验收指标．标准引力场装置是引力校验溯源系统的核心，对高精度重力仪的分辨率进行直接溯源标定，将为地球物理研究、基本物理量测量等精密重力测量研究提供高精度引力基准平台和弱力测量平台[35]．目前该装置已完成针对FG5[36]的标定装置建设并投入试运行，状态良好，实现了加速度变化范围±10 μGal，精度0.2 μGal，满足验收要求，并已应用于相对重力仪CG-6的重力标定，为其提供0~8 μGal的加速度变化量．引力检验溯源装置通过对引力常数G值溯源来检验标准引力场的准确性和稳定性，由扭称周期法测G子装置和角加速度法测G子装置组成，是引力校验溯源系统正常运转的基本保障．在此基础上搭建新版引力检验溯源装置，目前正在抓紧建设，周期法测G子装置搭建工作已初步完成，角加速度测G子装置已进入整体的组装与调试阶段．2.2　重力基准校验评估体系重力测量仪器系统包括固定重力测量装置、移动重力测量装置．目前研制的原子重力测量分辨率达到2.0 μGal@200 s，已满足验收要求；不确定度达到1.8 μGal，已优于验收要求．自研的冷原子垂向梯度仪梯度测量分辨率达3×10-9 s-2@1 000 s，优于验收指标．相对重力仪测量分辨率达到0.1 μGal@200 s，优于验收指标．自主研制的小型化量子重力仪已基本完成搭建，且分辨率指标接近验收要求．激光干涉重力仪及小型化角锥重力仪已完成研制，正在进行长期稳定性测试．重力测量基准站系统包括重力比对观测装置、背景物理场监测装置．目前商采核心设备iGrav超导重力仪测量分辨率好于0.1 μGal@200 s，优于验收指标要求；精密重力测量大楼重力和新山洞核心重力基准点建设基本完成，其中山洞实验室重力比对辅助点已初步建成并于2021年3月提供对外服务，湖北省地震局、自然资源部第一大地测量队、中科院精密测量科学与技术创新研究院等陆态网绝对重力实施单位利用FG5X绝对重力仪在此基准点进行了比测，测量结果与该点长期均值偏差在5 μGal以内．背景物理场监测装置的地形图外业测量任务已全部完成并绘制出了高分辨率地形数据图，为局部水文信息监测及重力效应模拟提供了基础数据；水文地质调查已完成，且初步构建了三维饱和非饱和水文地质模型，监测系统室外施工已基本完成，正在进行监测数据的收集和分析；自主研制的激光干涉地球自转测量装置和原子干涉地球自转测量装置已完成研制，角速度分辨率均已实现2 nrad/s，优于验收要求．重力仪器校验系统包括重力仪性能校验装置、重力仪环境校验装置．目前采购的核心设备iGrav超导重力仪测量分辨率达到0.1 μGal@200 s，优于验收指标要求．自主研制的振动调制装置已实现1×10-5～1×10-9 g/Hz1/2振动调制验收指标，在实现大负载主动隔振的基础上研制了二级隔振系统，将过滤地震级别振动干扰，实现重力数据不间断测量．温控箱、恒温恒湿箱、温度测量和数据采集系统、定制磁场调制线圈等已完成建设．2.3　海空重力梯度测量物理仿真体系旋转重力梯度集成测试装置中自主研制的高精度惯性器件组装位移与角度精度分别达到1 μm和1 mrad，自主研制的高精度惯性器件分辨率优于1×10-9 g(g为重力观测值)，多个加速度计一致性匹配与测试达到6.5个量级；完成旋转MEMS加速度计重力梯度仪的集成测试，实现了静基座情况下20×10-9 s-2正弦信号的提取；动基座平台基本具备了重力梯度仪的综合测试功能．超导重力梯度集成测试装置已完成关键技术攻关，共模抑制比测试子装置、交叉耦合测试子装置和垂向激励振动装置均完成低温下的搭建与测试，加速度幅值输出均大于0.1 m/s2；漂移率测试子装置实现系统降温与自制冷闭环测试，液氦温度涨落达到500 μK@15 d，温控后温度涨落小于100 μK，具备支撑超导重力梯度仪研制的低温保障及性能测试能力．海空环境仿真模拟装置已具备载体复杂运动模拟的能力，机载运动模拟的相符程度达到90%，实现背景场温度、电磁、振动等环境模拟，满足高精度惯性器件的温度、磁场和冲击振动响应测试需求；车载野外综合测试系统已完成道路测试与评估，应用于重力仪及重力梯度仪野外测试，具备重力仪器野外测试保障能力．海空重力/重力梯度测量评估装置已基本完成建设，地质结构重力场仿真单元和重力混叠信号分析单元分别实现了基于MapGIS(中国地质大学开发的大型地理信息系统软件)的典型地质构造模型三维建模、成库、显示和重力场正演以及重力数据分析和处理功能；重力/重力梯度联合反演单元已实现重力异常、重力梯度和磁异常等多参数、多参量联合反演功能；重力/重力梯度数据三维可视化单元已实现重力/重力梯度数据管理及静态和动态数据可视化，支持二维与三维数据建模转换．2.4　卫星重力测量物理仿真体系高精度惯性传感器地面测试和在轨模拟与验证装置、星间激光测距物理仿真与验证装置、卫星精确编队与系统集成验证装置的关键技术验证已完成，扭摆悬挂测试装置检测与评估预先研究水平到达2×10-11 m/s2，高压悬浮测试装置检测与评估水平达到2×10-9 m/s2，自由落体装置实现2 s自由下落，长距离传输与测量模拟装置在常压下锁相精度达到6×10-3 Hz-1/2@0.1 Hz，位移测量分辨率达到10 nm/s，空间环境模拟装置等离子体密度达到107 cm-3，常压下光束初始波前畸变小于λ⁄10(λ为光束波长)，编队仿真控制模拟装置位置控制精度优于2 mm，姿态控制精度优于5 mrad，激光指向控制精度优于1 mrad．空间惯性传感器分别于2013年、2017年、2019年完成了三次飞行实验，2020年5月高精度惯性传感器作为“天琴一号”主载荷完成空间惯性基准技术、无拖曳控制技术等在轨验证[37]，惯性传感技术达到国际同类装置先进水平，标志着我国成为世界上第二个掌握高精度惯性基准技术的国家，为我国卫星重力测量、空间引力波探测、空间引力实验等实施奠定坚实基础[38-39]，该成果获2018年教育部技术发明一等奖，打破国际封锁，支撑我国某卫星任务立项，也为该装置提供核心载荷．研制出达到国际同类装置先进水平的簧片式空间加速度计，分别在2006年“实践八号”、2017年“天舟一号”货运飞船、2020年“新一代载人飞船试验船”、2021年“天和”核心舱上得到应用．扭摆悬挂测试装置目前已完成建设方案和预验收方案专家评审；核心关键技术攻关已基本完成；预研装置已应用于加速度计地面性能测试．高压悬浮测试装置关键核心技术攻关基本已完成，预研摆台已应用于加速度计地面性能测试．自由落体测试装置已完成土建工程以及20 m落管加工．编队仿真控制模拟装置已实现两项核心指标，优于验收要求．空间环境模拟与验证装置搭建准备已就绪．3 主要代表性成果3.1　万有引力常数G的精确测量引力校验溯源装置包括对万有引力常数G的溯源测量．根据万有引力定律，任何两物体之间均存在相互作用的引力，大小与物体的质量成正比，与两者间距离的平方成反比．为确定万有引力常数G的真值，引力中心团队同时使用扭秤周期法和角加速度法两种独立方法进行测量实验(图2)．最终给出了目前国际上最高精度的G值，相对不确定度均达到11.6×10-6，两结果中心值相差45×10-6，实现了对国际顶尖水平的赶超，为国际上确定万有引力常数G值做出实质性贡献．该G值被最新的国际科技数据委员会CODATA收录，共享权重从2014年的8%提高到2018年的50%．该研究成果在2018年《Nature》在线长文发表[40]，入选2018年“中国高等学校十大科技进展”和“中国科学十大进展”，并编入人民教育出版社2019版高中物理教科书(二年级下册)．10.13245/j.hust.220901.F002图2万有引力常数G的精确测量装置3.2　高精度基准型冷原子重力仪的研制重力基准校验评估体系自主研制出高精度基准型冷原子重力仪，2017年参加第十届国际重力比对(图3)，其测量精度达到国际同类仪器最好水平，为我国微伽级重力测量基准的建立奠定了坚实基础．目前该仪器性能指标得到进一步提升，绝对重力测量不确定度评估至1.8 μGal，已实现了重力基准校验评估体系的核心指标．研制出两款具有完全自主知识产权的冷原子重力仪定型产品，其中国内首台微伽级量子绝对重力仪于2020年成功交付地震行业部门使用，2021年4月参加了陆态网2021年度重力比测，打破高精度重力仪国外技术垄断的局面[6]，为我国高端量子装备的发展提供了新途径，可保障核心数据的安全．10.13245/j.hust.220901.F003图3高精度基准型冷原子重力仪在中国计量科学研究院参加第十届国际重力比对3.3　空间惯性传感器的研制惯性传感器是卫星重力测量的核心载荷之一，其显著特点是灵敏度高，量程小．其研制困难主要来自于1g的地球重力加速度的影响与地面振动噪声的干扰，给地面物理仿真、测试与评估系统提出了极大挑战．惯性传感器与物理仿真系统难点在于如何在地面模拟惯性传感器在轨运动状态并开展其性能测试和评估．卫星重力测量体系从理论机理、关键技术、研制工艺、测试与标定等方面开展了静电加速度计系统研究，研发出了具有完全自主知识产权的静电加速度计航天产品，并经多次成功飞行验证．2019年12月，“天琴一号”技术试验卫星成功发射，进行为期6个月的空间惯性基准技术、无拖曳控制技术等在轨验证，结果显示全部技术指标均优于预期．其中高精度惯性传感器作为“天琴一号”主载荷，将之前保持的国内最好水平又提高两个数量级，惯性传感技术达到国际同类装置先进水平，标志着我国成为世界上第二个掌握高精度惯性基准技术的国家，为我国卫星重力测量、空间引力波探测、空间引力实验等实施奠定坚实基础．3.4　卫星重力测量与地球重力场精细建模方法卫星重力观测具有高采样全天候观测等优点，为全球重力场中长波信号探测及时变重力场监测提供了重要技术手段．如何高效利用卫星重力观测数据，并实现全球静态及时变重力场观测，是当前地球物理学和大地测量学领域的关键问题之一．目前已突破重力卫星关键有效载荷观测数据(加速度计、重力梯度和星间测距数据等)的在轨标定和数据质量评估等关键技术，实现了重力卫星观测数据的批量精细处理．针对低卫星跟踪卫星观测数据中的星间距离变率观测存在低频噪声问题，结合传统的预先估计技术和同时求解技术的优点，提出了低卫星跟踪观测数据低频噪声处理的双向滤波新技术[41]．针对利用低低卫星跟踪卫星观测反演地球重力场过程中，轨道噪声和星间距离变率噪声存在耦合效应的问题，结合星间距离变率经验参数和局部轨道参数的优点，创建了解耦轨道噪声和星间距离变率噪声的新技术，在保障精确提取观测信号的前提下，提升了时变重力场的建模精度水平[42]．经过多年攻关，构建了地球重力场的高精度建模方法，自主研发了卫星重力测量数据处理与地球重力场建模软件平台．基于最新发布的GRACE L1B V03数据集和AOD RL06产品，研制了60阶次和90阶次的时变重力场模型HUST-Grace2020，精度优于GRACE官方数据处理机构最新发布的同类型产品，该模型已被国际组织ICGEM收录(图4)．10.13245/j.hust.220901.F004图4CSR RL05，HUST-FPS-PPS和HUST-Grace2019模型的等效水高(色标单位：cm)为了更好地实施重力测量，还建设了国内首批重力梯度标定场，分别是位于华北地区的卫星重力标定场，和位于黑龙江五大连池区域的航空重力梯度标定场．现已开展多次野外重力测量，重力测量精度整体优于40 μGal，达到预期精度要求(图5)．10.13245/j.hust.220901.F005图5五大连池重力梯度标定场位置及测区示意图4 总结与展望经过10多年的筹备和建设，精密重力测量研究设施已基本完成建设任务，技术指标基本达到验收要求．在建设过程中，产出多项代表性成果，包括万有引力常数G的精确测量、高精度基准型冷原子重力仪、空间惯性传感器、地球重力场精细建模等．精密重力测量研究设施建成后，将为推动全球重力测量、地球物理科学研究、资源勘探等众多领域的研究发挥重要作用．精密重力测量研究设施将产生巨大的科学技术成就、经济和社会效益．