2000國家重力基本網(wǎng)部分站的最新絕對重力測量＊

張宏偉 董朝陽 趙東明 肖 凡 李建國 紀(jì)立東

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

2000國家重力基本網(wǎng)部分站的最新絕對重力測量＊

張宏偉1)董朝陽1)趙東明2)肖 凡1)李建國1)紀(jì)立東1)

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

為分析部分 2000國家重力基本網(wǎng)點(diǎn)的長期穩(wěn)定性,應(yīng)用 FG5/240絕對重力儀在該網(wǎng)的永興島和鄭州站進(jìn)行了絕對測量。對觀測結(jié)果的處理表明,觀測精度優(yōu)于 5×10-8ms-2;同時對觀測值及其對應(yīng)的 2000國家重力基本網(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絕對重力儀;2000國家重力基本網(wǎng);絕對重力測量;垂直梯度;重力年變化量

1 引言

2000國家重力基本網(wǎng) (簡稱 2000網(wǎng))由 21個基準(zhǔn)點(diǎn)、126個基本點(diǎn)和 112個基本點(diǎn)引點(diǎn) (共計259個點(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重力儀 FG5測定我國的重力基準(zhǔn),重力基準(zhǔn)點(diǎn)的分布基本均勻、合理,覆蓋范圍大,特別是在我國的西北和東北等絕對重力空白區(qū)首次布設(shè)了絕對重力點(diǎn),并聯(lián)測了香港、澳門以及南海等地區(qū),使我國的重力基準(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)重力測量技術(shù)的特點(diǎn),在 2000網(wǎng)的平差時采用了“弱基準(zhǔn)”原則,即該網(wǎng)平差時不固定任何重力點(diǎn)的重力測量數(shù)據(jù),所有絕對重力觀測值及相對重力觀測值都賦以適當(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,完全滿足我國的重力測量要求。

2000網(wǎng)成果于 2003年 12月 3日發(fā)布使用,在我國各個領(lǐng)域的重力測量中發(fā)揮著不可替代的基準(zhǔn)作用,但隨著地殼運(yùn)動、地下水改變和自然災(zāi)害的發(fā)生,我國的重力基準(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))的最新絕對重力觀測結(jié)果進(jìn)行處理,同時和其對應(yīng)的 2000網(wǎng)點(diǎn)的重力值進(jìn)行比對并分析測量精度。

2 FG5/240絕對重力儀及檢驗測量

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

表1 絕對重力測量設(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,為了測試其觀測精度及穩(wěn)定性,在北京白家疃 Z01測站進(jìn)行了 3個階段的測試(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)。測量成果表明：在北京白家疃測站進(jìn)行的連續(xù) 24小時以上 (多于24組)的測量精度優(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量計算

3.1 測量與數(shù)據(jù)處理

在開展測量之前,FG5/240絕對重力儀在武漢與國內(nèi)其他絕對重力儀進(jìn)行了比對測量,以檢驗儀器的穩(wěn)定性和可靠性,通過比對測量得出：FG5/240絕對重力儀內(nèi)符合精度優(yōu)于 2×10-8ms-2,總體精度評定為 ±3.4×10-8ms-2,優(yōu)于設(shè)計的絕對重力網(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)行絕對重力測量：1)每 30分鐘為一組觀測,每組的觀測起始時間設(shè)置在整點(diǎn)或整 30分時刻;2)共觀測25組,每組觀測的下落次數(shù)不少于 100次;3)每個絕對重力點(diǎn)使用 2臺 CG5型相對重力儀(442、444)進(jìn)行重力梯度測量。

為了得到地面標(biāo)志點(diǎn)的高精度重力值,除對有效觀測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。本次計算采用 ETGTAB模型對測量的絕對重力值進(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為觀測點(diǎn)的瞬時氣壓值,P0為觀測點(diǎn)處的標(biāo)準(zhǔn)氣壓值。

3)極移改正。此項改正由于測站到地球旋轉(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測站上最接近觀測時間的極點(diǎn)位置進(jìn)行計算：

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),重力值確定的實際位置在落體艙的頂部。對于觀測到的重力值,需要將其轉(zhuǎn)換到地面點(diǎn)處。計算測量點(diǎn)的重力梯度并通過軟件對重力值歸算到地面標(biāo)志處。

5)觀測精度和不確定度計算。每個點(diǎn)位觀測25組,每組下落次數(shù)為 100次,得到 100個重力值自動拒絕限差設(shè)為 3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差 mj,利用每組的約 100個重力值計算均值綜合 25組均值計算總均值 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絕對重力儀在 2000網(wǎng)的永興島和鄭州站的測量結(jié)果如表 2。

表2 永興島和鄭州站絕對重力測量結(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 LCR-G型相對重力儀聯(lián)測后采用“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)測而得,精度為 ±18.838×10-8ms-2,觀測時間和聯(lián)測精度均超限,經(jīng)平差后精度有大幅度提高,為 ±9.2×10-8ms-2,雖然能夠滿足重力測量需要,但其可信度較低;鄭州 (3040)為引點(diǎn),由鄭州 (2040)汽車聯(lián)測而得,聯(lián)測精度為 ± 9.496×10-8ms-2,相比絕對重力儀的精度[10],降低約一個量級。

利用重力儀觀測的 25組絕對重力值的算術(shù)平均值作為該站本次測量的重力值,并和其對應(yīng)的2000網(wǎng)成果進(jìn)行比較分析后發(fā)現(xiàn),這兩個點(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)。考慮到 FG5/240絕對重力儀精度較高,為 1.0×10-8ms-2量級[10],而這兩個站的 2000網(wǎng)重力值是用相對重力儀聯(lián)測后平差所得,以及地殼運(yùn)動、重力值隨時間變化的影響、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)行相對測量并聯(lián)測 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。

永興島的絕對重力測量精度雖然滿足要求,但測量精度偏低達(dá) ±4.69×10-8ms-2,主要是該點(diǎn)位所在地永興島是一個面積僅 1.9 km2的海洋小島,觀測站點(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];且在觀測時,該島正在進(jìn)行工程建設(shè),爆破影響較大,此外,該點(diǎn)的觀測時間為 8月,環(huán)境氣溫非常高(超過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Tab.3 Compatison between gravity values of Yongxing island and Zhengzhou station

兩個站的觀測時間間隔較長為 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)行長期多次數(shù)觀測,以獲得點(diǎn)位高精度的重力年變化量。

4 結(jié)語

1)在進(jìn)行重力觀測時應(yīng)盡量收集測點(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。

2)需要在 2000網(wǎng)站上使用不同儀器進(jìn)行更多地重復(fù)測量[10],并和其他動態(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,避免因為系統(tǒng)參數(shù)不同造成使用混亂,并對全國的重力測量形成控制,統(tǒng)一全國重力非潮汐和潮汐變化觀測,為地震監(jiān)測和地球動力學(xué)研究服務(wù)[9]。

3)目前我國已有多臺絕對重力儀,建議多安排定期同址比對觀測,當(dāng)有多臺儀器執(zhí)行同一工程任務(wù)時,應(yīng)進(jìn)行測前、測中及測后的比對觀測,以消除儀器間的系統(tǒng)誤差。

4)對永興島基準(zhǔn)站的絕對重力測量能夠?qū)⒔^對重力基準(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),將為我國南海海域的國防建設(shè)、地震預(yù)報、海平面變化和地球動力學(xué)等研究提供高精度的重力場變化信息。

5)2000網(wǎng)的絕對重力觀測站僅為 21個,遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足檢測和研究我國大陸重力場變化的需要,因此應(yīng)盡可能地增加觀測點(diǎn)的密度,尤其是構(gòu)造和地震活動區(qū),以滿足研究工作的需要[8]。

1 曾安敏,等.2000國家重力基本網(wǎng)與 1985國家重力基本網(wǎng)的轉(zhuǎn)換關(guān)系研究 [J].海洋測繪,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國家大地控制網(wǎng)的構(gòu)建和它的技術(shù)進(jìn)步[J].測繪學(xué)報,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)

3 楊元喜,等.絕對重力與相對重力混合平差的基準(zhǔn)及質(zhì)量控制[J].測繪工程,2001,10(2)：11-14.(Yang Yuanxi, et al.Datum and quality control for synthetic adjustment of absolute and relative gravity networks[J].Engineering of Surveying andMapping,2001,10(2)：11-14)

4 中國地殼運(yùn)動觀測技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社,2004.(Technical regulation for crustal movement observation of China[S].Beijing：China Environmental Science Press,2004)

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6 王勇,等.絕對重力觀測的潮汐改正[J].大地測量與地球動力學(xué),2003,23(2)：65-68.(Wang Yong,et al.Tide correction of absolute gravity measurements[J].Journal of Geodesy and Geodynamics,2003,23(2)：65-68)

7 王勇,等.1996年中國中西部地區(qū)高精度絕對重力觀測結(jié)果[J].地球物理學(xué)報,1998,41(6)：818-825.(Wang Yong,et al.Observation results of high precision absolute gravity in central and western China in 1996[J].Chinese Journal of Geophysicas,1998,41(6)：818-825)

8 張為民,等.1996-2003年中國大陸高精度絕對重力觀測[J].地球物理學(xué)進(jìn)展,2005,20(1)：204-210.(Zhang Wei min,et al.High accuracy absolute gravity observation in Chinese mainland during 1996-2003[J].Progress in Geophysics,2005,20(1)：204-210)

9 劉冬至,等.中國地震重力網(wǎng)絕對重力觀測結(jié)果分析[J].大地測量與地球動力學(xué),2007,(5)：88-93.(Liu Dongzhi,et al.The analysisof absolute gravity surveying resultof China earthquake gravity network[J].Journal of Geodesy and Geodynamics,2007,(5)：88-93)

10 邢樂林,等.成都基準(zhǔn)臺絕對重力復(fù)測結(jié)果分析[J].大地測量與地球動力學(xué),2008,(6)：38-42.(Xing Lelin, et al.Analysis of repeat absoulte gravi metric results at Chengdu seis mostation[J].Journal of Geodesy and Geodynamics,2008,(6)：38-42)

11 邢樂林,等.FG5絕對重力儀及測點(diǎn) 3053的絕對重力測量[J].測繪信息與工程,2007,32(2)：27-29.(Xing Lelin,et al.FG5 absolute gravimeter and its survey at 3053 station[J].Journal of Geomatics,2007,32(2)：27-29)

12 張為民,王勇,詹金剛,等.中國地殼運(yùn)動觀測網(wǎng)絡(luò)中的絕對重力測定[J].武漢大學(xué)學(xué)報 (信息科學(xué)版),2004, 29(3)：227-230.(ZhangWeimin,et al.Absolute gravity determination in the crustal movement observation net work of China[J].Geomatics and Infor mation Science ofWuhan University,2004,29(3)：227-230)

13 李輝,等.中國大陸近期重力場動態(tài)變化圖像[J].大地測量與地球動力學(xué),2009,(3)：1-10.(Li Hui,et al. Dynamic gravity change in recent years in China continent [J].Journal of Geodesy and Geodynamics,2009,(3)：1 -10)

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

教育部中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)絕對重力測量專項

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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