2000國(guó)家重力基本網(wǎng)部分站的最新絕對(duì)重力測(cè)量＊

張宏偉 董朝陽(yáng) 趙東明 肖 凡 李建國(guó) 紀(jì)立東

1)61365部隊(duì),天津 300140 2)解放軍信息工程大學(xué)測(cè)繪學(xué)院,鄭州 450052

2000國(guó)家重力基本網(wǎng)部分站的最新絕對(duì)重力測(cè)量＊

張宏偉1)董朝陽(yáng)1)趙東明2)肖 凡1)李建國(guó)1)紀(jì)立東1)

1)61365部隊(duì),天津 300140 2)解放軍信息工程大學(xué)測(cè)繪學(xué)院,鄭州 450052

為分析部分 2000國(guó)家重力基本網(wǎng)點(diǎn)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性,應(yīng)用 FG5/240絕對(duì)重力儀在該網(wǎng)的永興島和鄭州站進(jìn)行了絕對(duì)測(cè)量。對(duì)觀測(cè)結(jié)果的處理表明,觀測(cè)精度優(yōu)于 5×10-8ms-2;同時(shí)對(duì)觀測(cè)值及其對(duì)應(yīng)的 2000國(guó)家重力基本網(wǎng)點(diǎn)的重力值進(jìn)行了比較,得出兩者之間重力值差異變化。

FG5/240絕對(duì)重力儀;2000國(guó)家重力基本網(wǎng);絕對(duì)重力測(cè)量;垂直梯度;重力年變化量

1 引言

2000國(guó)家重力基本網(wǎng) (簡(jiǎn)稱(chēng) 2000網(wǎng))由 21個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)、126個(gè)基本點(diǎn)和 112個(gè)基本點(diǎn)引點(diǎn) (共計(jì)259個(gè)點(diǎn))組成[1]。其中基準(zhǔn)點(diǎn)是首次獨(dú)立自主使用當(dāng)前精度最高的野外絕對(duì)重力儀 FG5測(cè)定我國(guó)的重力基準(zhǔn),重力基準(zhǔn)點(diǎn)的分布基本均勻、合理,覆蓋范圍大,特別是在我國(guó)的西北和東北等絕對(duì)重力空白區(qū)首次布設(shè)了絕對(duì)重力點(diǎn),并聯(lián)測(cè)了香港、澳門(mén)以及南海等地區(qū),使我國(guó)的重力基準(zhǔn)點(diǎn)有效地控制了全網(wǎng),不僅使 2000網(wǎng)的覆蓋面更廣泛,而且確保了 2000網(wǎng)的可靠性與高精度[2]。

根據(jù)重力測(cè)量技術(shù)的特點(diǎn),在 2000網(wǎng)的平差時(shí)采用了“弱基準(zhǔn)”原則,即該網(wǎng)平差時(shí)不固定任何重力點(diǎn)的重力測(cè)量數(shù)據(jù),所有絕對(duì)重力觀測(cè)值及相對(duì)重力觀測(cè)值都賦以適當(dāng)?shù)臋?quán),都作為變量參與平差而得到相應(yīng)的改正數(shù)[2,3],平差后的平均中誤差為±7.3×10-8ms-2,完全滿(mǎn)足我國(guó)的重力測(cè)量要求。

2000網(wǎng)成果于 2003年 12月 3日發(fā)布使用,在我國(guó)各個(gè)領(lǐng)域的重力測(cè)量中發(fā)揮著不可替代的基準(zhǔn)作用,但隨著地殼運(yùn)動(dòng)、地下水改變和自然災(zāi)害的發(fā)生,我國(guó)的重力基準(zhǔn)是否發(fā)生變化,需要進(jìn)行考證和研究。本文就 2000網(wǎng)的永興島 (2081,基本點(diǎn))和鄭州站(3040,引點(diǎn))的最新絕對(duì)重力觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行處理,同時(shí)和其對(duì)應(yīng)的 2000網(wǎng)點(diǎn)的重力值進(jìn)行比對(duì)并分析測(cè)量精度。

2 FG5/240絕對(duì)重力儀及檢驗(yàn)測(cè)量

FG5絕對(duì)重力儀是一種高精密、高準(zhǔn)確測(cè)量垂直重力加速度的便攜式儀器。其技術(shù)參數(shù)[4]見(jiàn)表1。

表1 絕對(duì)重力測(cè)量設(shè)備成套配置要求Tab.1 Ma in equipment and techn ical parameters of FG5/ 240 absolute gravi meter

儀器在引進(jìn)時(shí),為了測(cè)試其觀測(cè)精度及穩(wěn)定性,在北京白家疃 Z01測(cè)站進(jìn)行了 3個(gè)階段的測(cè)試(第1階段是 2009-04-02—07,第 2階段是 2009-04-10—15,第 3階段是 2009-08-12—16)。測(cè)量成果表明：在北京白家疃測(cè)站進(jìn)行的連續(xù) 24小時(shí)以上 (多于24組)的測(cè)量精度優(yōu)于 ±3×10-8ms-2;3次合格成果的最大互差小于 5×10-8ms-2,即重復(fù)性精度優(yōu)于 ±5×10-8ms-2,各組測(cè)量結(jié)果間的離散度優(yōu)于 ± 5×10-8ms-2,內(nèi)符合精度優(yōu)于 ±2×10-8ms-2。

3 永興島和鄭州站的測(cè)量計(jì)算

3.1 測(cè)量與數(shù)據(jù)處理

在開(kāi)展測(cè)量之前,FG5/240絕對(duì)重力儀在武漢與國(guó)內(nèi)其他絕對(duì)重力儀進(jìn)行了比對(duì)測(cè)量,以檢驗(yàn)儀器的穩(wěn)定性和可靠性,通過(guò)比對(duì)測(cè)量得出：FG5/240絕對(duì)重力儀內(nèi)符合精度優(yōu)于 2×10-8ms-2,總體精度評(píng)定為 ±3.4×10-8ms-2,優(yōu)于設(shè)計(jì)的絕對(duì)重力網(wǎng)5.0×10-8ms-2的精度要求。

依據(jù)規(guī)范要求[4]分別在永興島和鄭州站進(jìn)行絕對(duì)重力測(cè)量：1)每 30分鐘為一組觀測(cè),每組的觀測(cè)起始時(shí)間設(shè)置在整點(diǎn)或整 30分時(shí)刻;2)共觀測(cè)25組,每組觀測(cè)的下落次數(shù)不少于 100次;3)每個(gè)絕對(duì)重力點(diǎn)使用 2臺(tái) CG5型相對(duì)重力儀(442、444)進(jìn)行重力梯度測(cè)量。

為了得到地面標(biāo)志點(diǎn)的高精度重力值,除對(duì)有效觀測(cè)高度處的重力值利用隨機(jī)軟件“g8”進(jìn)行固體潮、海洋負(fù)荷潮、氣壓和極移的改正[5,6]外,還需要通過(guò)垂直梯度歸算到地面標(biāo)志點(diǎn)處[7]。

1)潮汐改正。包括固體潮和海洋負(fù)荷潮的改正。其中固體潮改正引起的重力變化為 ±300× 10-8ms-2,海洋負(fù)荷潮的影響為 ±(5～6)×10-8ms-2。本次計(jì)算采用 ETGTAB模型對(duì)測(cè)量的絕對(duì)重力值進(jìn)行潮汐改正。

2)氣壓改正。氣壓改正公式為

式中：q=(0.30～0.42)是大氣壓導(dǎo)納因子,本文采用 0.30×10-8ms-2/mBar;δg是單位為 10-8ms-2的大氣壓改正,P為觀測(cè)點(diǎn)的瞬時(shí)氣壓值,P0為觀測(cè)點(diǎn)處的標(biāo)準(zhǔn)氣壓值。

3)極移改正。此項(xiàng)改正由于測(cè)站到地球旋轉(zhuǎn)軸距離的改變而引起的離心加速度變化,年變化約為 ±9×10-8ms-2[6]。改正量通常是由每個(gè)測(cè)站上最接近觀測(cè)時(shí)間的極點(diǎn)位置進(jìn)行計(jì)算：

式中,δg是極移改正 (10-8ms-2),ω是指地球的旋轉(zhuǎn)角速度 (rad/s),a為參考橢球體長(zhǎng)半軸 (m),φ為大地緯度 (rad),λ為大地經(jīng)度 (rad),x,y是指在IERS系統(tǒng)中的極坐標(biāo) (rad)[6,8]。

4)高度改正。在落體艙內(nèi),重力值確定的實(shí)際位置在落體艙的頂部。對(duì)于觀測(cè)到的重力值,需要將其轉(zhuǎn)換到地面點(diǎn)處。計(jì)算測(cè)量點(diǎn)的重力梯度并通過(guò)軟件對(duì)重力值歸算到地面標(biāo)志處。

5)觀測(cè)精度和不確定度計(jì)算。每個(gè)點(diǎn)位觀測(cè)25組,每組下落次數(shù)為 100次,得到 100個(gè)重力值自動(dòng)拒絕限差設(shè)為 3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差 mj,利用每組的約 100個(gè)重力值計(jì)算均值綜合 25組均值計(jì)算總均值 G、組間標(biāo)準(zhǔn)差 σset和總的不確定度

3.2 結(jié)果分析

于 2010年 8月和 10月利用 FG5/240絕對(duì)重力儀在 2000網(wǎng)的永興島和鄭州站的測(cè)量結(jié)果如表 2。

表2 永興島和鄭州站絕對(duì)重力測(cè)量結(jié)果Tab.2 Results of absolute gravity measurement at Yongxing Island and Zhengzhou station

從表 2可知,永興島和鄭州站的 2000網(wǎng)重力值是用 6臺(tái) LCR-G型相對(duì)重力儀聯(lián)測(cè)后采用“弱基準(zhǔn)”方法平差而得。其中永興島 (2081)由廣州(2075)利用船只聯(lián)測(cè)而得,精度為 ±18.838×10-8ms-2,觀測(cè)時(shí)間和聯(lián)測(cè)精度均超限,經(jīng)平差后精度有大幅度提高,為 ±9.2×10-8ms-2,雖然能夠滿(mǎn)足重力測(cè)量需要,但其可信度較低;鄭州 (3040)為引點(diǎn),由鄭州 (2040)汽車(chē)聯(lián)測(cè)而得,聯(lián)測(cè)精度為 ± 9.496×10-8ms-2,相比絕對(duì)重力儀的精度[10],降低約一個(gè)量級(jí)。

利用重力儀觀測(cè)的 25組絕對(duì)重力值的算術(shù)平均值作為該站本次測(cè)量的重力值,并和其對(duì)應(yīng)的2000網(wǎng)成果進(jìn)行比較分析后發(fā)現(xiàn),這兩個(gè)點(diǎn)的重力值都有變化：永興島減小 23.3×10-8ms-2,鄭州減小 10.8×10-8ms-2(表 3)?？紤]到 FG5/240絕對(duì)重力儀精度較高,為 1.0×10-8ms-2量級(jí)[10],而這兩個(gè)站的 2000網(wǎng)重力值是用相對(duì)重力儀聯(lián)測(cè)后平差所得,以及地殼運(yùn)動(dòng)、重力值隨時(shí)間變化的影響、環(huán)境因素(地下水、大氣壓等)的改變和自然災(zāi)害的發(fā)生,僅就單點(diǎn)重力值而言,本次測(cè)量值具有較高的可信度[11]。如若能夠在永興島和鄭州站之間利用飛機(jī)進(jìn)行相對(duì)測(cè)量并聯(lián)測(cè) 2000網(wǎng)的其他站,而后采取“弱基準(zhǔn)”方法平差,則重力值差異變化的比較就更加具有合理性和有效性。

永興島的絕對(duì)重力測(cè)量精度雖然滿(mǎn)足要求,但測(cè)量精度偏低達(dá) ±4.69×10-8ms-2,主要是該點(diǎn)位所在地永興島是一個(gè)面積僅 1.9 km2的海洋小島,觀測(cè)站點(diǎn)距海邊 200多米,點(diǎn)位基墩雖設(shè)在礁巖上,但其受海潮尤其是近海的海潮影響非常大[12];且在觀測(cè)時(shí),該島正在進(jìn)行工程建設(shè),爆破影響較大,此外,該點(diǎn)的觀測(cè)時(shí)間為 8月,環(huán)境氣溫非常高(超過(guò)30℃),激光器的穩(wěn)定性也受到了影響。

表3 永興島和鄭州站的重力值比對(duì)Tab.3 Compatison between gravity values of Yongxing island and Zhengzhou station

兩個(gè)站的觀測(cè)時(shí)間間隔較長(zhǎng)為 10年,且次數(shù)只有 2次,使得該站重力年均變化量的可信度降低,建議應(yīng)進(jìn)行長(zhǎng)期多次數(shù)觀測(cè),以獲得點(diǎn)位高精度的重力年變化量。

4 結(jié)語(yǔ)

1)在進(jìn)行重力觀測(cè)時(shí)應(yīng)盡量收集測(cè)點(diǎn)上的氣象、水文等資料,以分析誤差影響的原因,且在同一測(cè)點(diǎn)上應(yīng)盡可能安排相同儀器在相同的季節(jié)或月份內(nèi)進(jìn)行觀測(cè)。

2)需要在 2000網(wǎng)站上使用不同儀器進(jìn)行更多地重復(fù)測(cè)量[10],并和其他動(dòng)態(tài)重力網(wǎng)絡(luò)工程 (地殼重力網(wǎng)和數(shù)字重力網(wǎng)[13]等)成果一并平差處理,從而保證重力系統(tǒng)的統(tǒng)一,避免因?yàn)橄到y(tǒng)參數(shù)不同造成使用混亂,并對(duì)全國(guó)的重力測(cè)量形成控制,統(tǒng)一全國(guó)重力非潮汐和潮汐變化觀測(cè),為地震監(jiān)測(cè)和地球動(dòng)力學(xué)研究服務(wù)[9]。

3)目前我國(guó)已有多臺(tái)絕對(duì)重力儀,建議多安排定期同址比對(duì)觀測(cè),當(dāng)有多臺(tái)儀器執(zhí)行同一工程任務(wù)時(shí),應(yīng)進(jìn)行測(cè)前、測(cè)中及測(cè)后的比對(duì)觀測(cè),以消除儀器間的系統(tǒng)誤差。

4)對(duì)永興島基準(zhǔn)站的絕對(duì)重力測(cè)量能夠?qū)⒔^對(duì)重力基準(zhǔn)網(wǎng)延伸、擴(kuò)大至南海海域的西沙群島上,建立南海海域的重力基準(zhǔn),將為我國(guó)南海海域的國(guó)防建設(shè)、地震預(yù)報(bào)、海平面變化和地球動(dòng)力學(xué)等研究提供高精度的重力場(chǎng)變化信息。

5)2000網(wǎng)的絕對(duì)重力觀測(cè)站僅為 21個(gè),遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足檢測(cè)和研究我國(guó)大陸重力場(chǎng)變化的需要,因此應(yīng)盡可能地增加觀測(cè)點(diǎn)的密度,尤其是構(gòu)造和地震活動(dòng)區(qū),以滿(mǎn)足研究工作的需要[8]。

1 曾安敏,等.2000國(guó)家重力基本網(wǎng)與 1985國(guó)家重力基本網(wǎng)的轉(zhuǎn)換關(guān)系研究 [J].海洋測(cè)繪,2006,26(3)：7-9. (Zeng Anmin,et al.Relationship research between national gravity datum 2000 and 1985[J].Hydrographic Surveying and Charting,2006,26(3)：7-9)

2 陳俊勇,等.2000國(guó)家大地控制網(wǎng)的構(gòu)建和它的技術(shù)進(jìn)步[J].測(cè)繪學(xué)報(bào),2007,36(1)：1-8.(Chen Junyong,et al.Establishmentof 2000 national geodetic control network of China and its technological progress[J].Acta Geodaetica et Cartographica Simica,2007,36(1)：1-8)

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5 王慶賓,吳曉平.絕對(duì)重力測(cè)量值的改正[J].測(cè)繪學(xué)院學(xué)報(bào),2001,18(3)：160-163.(WangQingbin andWu Xiaoping.The correction for absolute gravity measurement[J]. Journal of Institute of Surveying andMapping,2001,18(3)：160-163)

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LATEST ABSOLUTE GRAVITY M EASUREM ENT AT SOM E PO INTS OF 2000 NATI ONAL BASIC GRAVITY NETWORK

Zhang Hongwei1),Dong Chaoyang1),Zhao Dongming2),Xiao Fan1),Li Jianguo1)and JiLidong1)

1)61365Troops,Tianjin 300140 2)Surveying and M apping Institute of Infor m ation Engineering University,Zhengzhou 450052

To analyze the long-ter m stability of some points of 2000 NationalBasic GravityNetwork,the absolute gravi meter,FG5/240,was applied to the absolute gravitymeasurement for two benchmark pointsof 2000 NationalBasic GravityNetwork,which are located in the Yongxing island and at Zhengzhou station,and the observation accuracywas proved to be better than 5×10-8ms-2.As a result,the differences between the observation values and the reference values at the two points of 2000 NationalBasic GravityNetwork are obtained.

FG5/240 absolute gravimeter;2000 NationalBasic GravityNetwork;absolute gravitymeasurement;vertical gradient;annual variation of gravity

1671-5942(2011)04-0052-04

2011-02-13

教育部中國(guó)大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)絕對(duì)重力測(cè)量專(zhuān)項(xiàng)

張宏偉,男,1975年生,工程師,碩士,主要從事重力數(shù)據(jù)采集與處理研究.E-mail：hxy-0316@yahoo.com.cn

P223+.1

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