航空重力测量分为航空标量重力测量、航空矢量重力测量和航空梯度重力测量。通常所称航空重力测量指航空标量重力测量。

1957年，加拿大首次报道了航空重力测量试验。1958年，美国空军采用拉科斯特（LCR）常平架式海洋重力仪完成了首次试验。1960年，费尔柴尔德航空测量队采用LCR重力仪完成了第二次试验，精度达到10×10^-3厘米/秒²。1965年，美国海军采用常平架LCR海洋重力仪完成了首次直升机航空重力测量。1966年，采用LCR稳定平台式重力仪、激光测高仪、摄影相机和高密度飞行区导航雷达，形成了整套直升机重力测量系统，测量精度为3×10^-3厘米/秒²。20世纪80年代末，应用GPS载波相位和差分定位技术，航空重力测量系统可用于地球物理勘探和大地测量所要求的大区域测量。

1991～1992年，美国海军研究实验室联合丹麦国家地籍测量局实施了首次大区域即格陵兰岛航空重力测量任务。1992年瑞士联邦技术大学和LCR公司合作完成瑞士全境航空重力测量。1991～1997年美国哥伦比亚大学联合得克萨斯大学完成了南极西部冰盖重力测量。1996～1997年多家欧洲研究机构联合执行了斯卡格拉克海峡和亚速尔群岛航空重力测量。丹麦国家航天中心负责或作为主要部门参与完成了马来西亚（2002～2003）、蒙古国（2004～2005）、意大利爱奥尼亚海岸带和马耶拉山区（2005）、埃塞俄比亚（2006～2007）、印度尼西亚（2008）、阿联酋海洋区域（2009）和尼泊尔（2010）等国家和区域的航空重力测量，主要用于精化这些国家和地区的大地水准面。美国国家地理空间情报局自2008年开始计划历时10年完成美国及其周边地区的航空重力测量，作为构建美国新一代垂直基准的重要数据。这些任务多数采用改进型LCR航空重力仪，空间分辨率为5～6千米、精度为1.5×10^-3厘米/秒²～5×10^-3厘米/秒²。

1997年，加拿大桑达地球物理公司推出了惯性基准航空重力仪（AirGrav），其核心是一个精准温控的舒勒调谐三轴平台惯导系统。2001年，俄罗斯莫斯科重力测量技术公司研制成功原理类似于AIRGrav的GT型航空重力仪。它们均提供商业服务，对于100秒的滤波长度精度可达0.6×10^-3厘米/秒²。2000年葡萄牙波尔图大学利用低成本SINS系统获取了半波长10～100千米、精度5×10^-3厘米/秒²～10×10^-3厘米/秒²的重力估值。

中国航空重力测量的实质性研究始于1996年。西安测绘研究所于2002年、2007年分别采用LCRⅠ型和Ⅱ型航空重力仪研制集成了中国首套与第二套航空标量重力测量系统。首套系统于2002～2003年分别在陕西汉中、山西大同和黑龙江哈尔滨进行了飞行试验和试生产。2005～2016年累计完成中国东部海陆交互带及华南内陆地区近30万测线千米的飞行测量，精度对于10千米的半波长分辨率在山区优于5×10^-3厘米/秒²、在平坦地区优于2×10^-3厘米/秒²。2007年国土资源部航空遥感中心引进了全套GT-1A航空重力测量系统，用于油气资源勘查和远景评价。综合利用之后引进的多套GT-2A型系统，截至2016年累计完成航空重力测量（1∶5万～1∶20万）68万测线千米，精度对于3～6千米的半波长分辨率为0.6×10^-3厘米/秒²～2.0×10^-3厘米/秒²。

美国俄亥俄州立大学利用1995年在加拿大落基山脉的实测数据，获得了分辨率为3.5千米、水平和垂直分量精度分别为6×10^-3厘米/秒²～8×10^-3厘米/秒²、3×10^-3厘米/秒²～5×10^-3厘米/秒²的试验结果。航空矢量重力测量至2017年仅有部分试验结果。中国国防科技大学研制的航空矢量重力测量系统于2017年在山西大同地区进行了飞行试验，对于200秒的滤波尺度，水平和垂直分量的精度分别为6×10^-3厘米/秒²～15×10^-3厘米/秒²、3×10^-3厘米/秒²～5×10^-3厘米/秒²。

洛克马丁重力梯度仪于1994年由美国国防部解密用于物探，分为全张量重力梯度仪（FTG）和部分张量重力梯度仪FALCON。两种航空重力梯度仪的精度为5～10×10^-9/秒²，空间分辨率为0.5～1千米，均属美国出口管制产品。

重力一般利用加速度计进行测量。加速度计由试验质点、弹性约束物和外壳等组成。根据牛顿第二定律，试验质点在惯性参考系（i）中的运动方程为：（为加速度计的观测量，即比力矢量；为试验质点在惯性坐标系中的位置矢量；为引力加速度矢量）。地面静止重力测量时，调整加速度计使其敏感轴对齐重力矢量方向，，加速度计的观测量就是引力加速度矢量。航空重力测量时，加速度计敏感轴难以稳定指向垂直方向，且，加速度计的观测量是惯性加速度和引力加速度的共同影响。原理上，航空重力测量需要解决两个基本问题，一是在运动状态下维持传感器稳定指向垂直方向，二是分离引力加速度和惯性加速度。

第一个问题有四种不同解决方案。图1（a）是两轴阻尼平台系统，采用两轴反馈环路上的加速度计和陀螺使平台保持水平。平台的阻尼周期一般为4分钟或18分钟。利用这种稳定方式不能完全消除水平加速度对重力传感器输出的影响。图1（b）是阻尼周期为84分钟的舒勒调谐平台，理论上可以完全消除水平加速度的影响，但受限于惯性传感器的长期稳定性，消除并不完全。图1（c）是捷联式惯性导航系统（INS），通过计算载体坐标系与当地水平坐标系之间的旋转矩阵，将载体坐标系中测得的三个加速度分量转换至当地水平坐标系，起到类似于机械稳定平台作用，称为‘数学平台’。图1（d）为GNSS多天线系统，利用GNSS天线阵列的坐标变化确定飞机的姿态，难以达到高等级惯性系统的精度和数据采样率。

第二个问题有两种不同解决途径。一种是采用两个不同的加速度测量系统，一个同时感应引力加速度和运动加速度，另一个只感应运动加速度。在同一坐标系中对两个加速度测量系统的测量值求差，消去共同的运动加速度，差值即为引力加速度和系统误差的共同影响。INS/GNSS组合系统是其典型例子。另一种是对共用基线的两个加速度计的输出值求差，消去载体运动影响。如果共用基线是旋转稳定的，由差值读数可以获得重力梯度分量，这就是重力梯度测量的基本原理。

图1 航空重力测量的姿态稳定方式

航空重力测量系统通常包括三个部分，即用于测量比力的加速度计或重力仪（称为重力传感器系统）、使加速度计保持水平的平台系统和测量飞机惯性加速度的定位系统。按照测量对象为重力大小、矢量和梯度，航空重力测量分为航空标量重力测量、航空矢量重力测量和航空梯度重力测量三类，如图2所示。

图2 航空重力测量分类

依据重力传感器系统和平台分系统的不同，分为平台式、捷联式和旋转不变式。平台式将精密加速度计安装到稳定平台上，定向由稳定平台维持，引力加速度与惯性加速度的分离采用求差方法。捷联式系统采用数学平台，垂直加速度计是主要重力传感器，引力加速度与惯性加速度的分离采用求差方法。旋转不变式系统采用三轴加速度计，理论上不存在定向问题，而是利用三个加速度计的输出计算重力的大小。

分为平台式和捷联式，其原理类似于标量测量的平台式和捷联式。

利用同一稳定平台上的两组三轴加速度计测定异常位的二阶梯度，空中定向由稳定平台维持。

基本步骤包括：①测线重力扰动计算，主要进行飞机运动产生的垂直加速度改正、飞机速度产生的附加离心力改正即厄特弗斯改正、稳定平台倾斜改正、重力仪中心与GNSS相位中心不一致引起的偏心改正和空间改正。②测线重力扰动低通滤波，用于消除或减弱重力扰动中的高频噪声，低通滤波器的设计应兼顾测量分辨率和测量精度要求。③测线交叉点重力扰动不符值计算，主要用于分析和评估航空重力测量的内符合精度。④向下延拓，将测线重力扰动格网化并归算到地面或大地水准面。