CG-5重力儀靜態(tài)觀測殘差研究

徐聲鑫

摘要：為確保CG-5重力儀靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在觀測結(jié)果統(tǒng)計(jì)與分析過程中，不可忽視固體潮校正和漂移非線性誤差。在實(shí)際操作過程中，通常通過對比用Tsoft和MT80W計(jì)算的固體潮值和CG-5重力儀內(nèi)部軟件提供的固體潮值，以及分析大量CG-5重力儀靜態(tài)觀察數(shù)據(jù)，來獲取CG-5重力儀的固體潮和漂移殘留誤差，以此來提高CG-5的靜態(tài)觀測精度。

關(guān)鍵詞：CG-5重力儀;固體潮;靜態(tài)觀測;殘差;漂移

前言

CG-5重力儀產(chǎn)自加拿大，是數(shù)字式的全自動重力測量儀器，其敏感元件采用的是一種石英彈簧。CG-5重力儀所具備的功能包括有自動儀器傾斜改正、對儀器內(nèi)部微小溫度波動進(jìn)行溫度補(bǔ)償、改正線性漂移和地震濾波等。目前，我國已引進(jìn)約300臺CG-5重力儀，并將其廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域的重力勘測。

由于CG-5重力儀所具備的自動讀數(shù)功能和記錄功能，能有效降低人為因素對觀測結(jié)果的干擾。此外，加上測量結(jié)果數(shù)據(jù)的大量疊加，通常能將隨機(jī)誤差維持在2之內(nèi)。因此，CG-5重力儀通常被認(rèn)為具備微伽級的相對重力測量精度。然而，CG-5重力儀的測量精度在受測量隨機(jī)誤差的影響之外，還應(yīng)同時考慮與理論固體潮校正值的誤差以及零位漂移的非線性誤差。通過對比用Tsoft和MT80W計(jì)算的固體潮值和CG-5重力儀內(nèi)部軟件提供的固體潮值，以及分析大量CG-5重力儀靜態(tài)觀察數(shù)據(jù)，來獲取CG-5重力儀的固體潮和漂移殘留誤差，以此來提高CG-5的靜態(tài)觀測精度。

一、靜態(tài)觀測

重力儀零位漂移值通常為對連續(xù)的靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行理論固體潮校正來獲取。通過觀察漂移曲線和分析處理數(shù)據(jù)來獲取重力儀漂移的變化規(guī)律，并從中得出重要的心梗參數(shù)，包括有平均漂移速率、非線性度和隨機(jī)噪聲水平等。

以某內(nèi)陸地區(qū)為例，經(jīng)多次CG-5重力儀連續(xù)超過20小時的靜態(tài)觀測，來獲取相關(guān)的靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)。重力儀讀數(shù)自動記錄時間間隔設(shè)定為1分鐘，設(shè)定采樣頻率6Hz，利用重力儀自身具備的地震濾波功能來過濾每分鐘360個數(shù)據(jù)中由微振動引起的低頻噪聲，忽略不計(jì)超過6倍標(biāo)準(zhǔn)差的高頻噪聲，并由樣本數(shù)據(jù)來計(jì)算出平均數(shù)值，同時進(jìn)行傾斜改正和溫度補(bǔ)償。利用CG-5重力儀內(nèi)部軟件進(jìn)行理論固體潮校正和線性漂移校正，最具代表性的殘余漂移曲線，如圖2（a）所示。

重力儀最初測量的漂移數(shù)據(jù)中往往摻雜一定的干擾信息，為避免其對后續(xù)數(shù)據(jù)的分析和應(yīng)用產(chǎn)生影響，通常采用潮汐數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件來進(jìn)行處理和消除。目前，重力儀觀測數(shù)據(jù)預(yù)處理效果最好的軟件為比利時皇家天文臺Vauterin博士研發(fā)的Tsoft潮汐數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件，其具備強(qiáng)大的圖形處理功能以及人性化的人機(jī)交互界面，能直接糾正測量過程中的各種干擾，并同時進(jìn)行多種數(shù)據(jù)分析（濾波、譜分析和回歸分析等），顯著提升了觀測數(shù)據(jù)預(yù)處理的直觀性。

在分析觀測結(jié)果時，對比用Tsoft與國內(nèi)常用的MT80W潮汐軟件計(jì)算的固體潮值和CG-5重力儀內(nèi)部軟件的理論固體潮值;經(jīng)固體潮值校正和線性漂移校正后，用Tsoft軟件糾正靜態(tài)漂移殘差數(shù)據(jù)中的少量局部干擾。

二、3種固體潮理論值對比

對比CG-5、Tsoft和MT80W軟件計(jì)算的固體潮理論值，發(fā)現(xiàn)三者之間存在一定的差異（圖1）。

由圖1可知，經(jīng)20小時的計(jì)算數(shù)據(jù)中，CG-5和MT80W理論固體潮互差的最大波幅為3.2;CG-5和Tsoft理論固體潮互差的最大波幅為3.9;MT80W與Tsoft理論固體潮互差的最大波幅為2.6。由此可知，CG-5內(nèi)部固體潮軟件誤差較大。同時，與圖1（c）對比，圖1（a）與圖1（b）呈現(xiàn)為高次曲線，會對較短時段重力測量結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響。

三、殘差分析

利用3種固體潮理論值，對2015年5月20日-21日20小時靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行固體潮校正。原始數(shù)據(jù)經(jīng)線性漂移校正和CG-5固體潮理論值校正后的重力殘差曲線，如圖2（a）所示。從中可以發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中存在部分較大的高頻干擾，將對后續(xù)儀器數(shù)據(jù)的分析和應(yīng)用產(chǎn)生影響。用Tsoft軟件處理突變點(diǎn)后，其結(jié)果如圖2（b）所示。圖2（c）為原始數(shù)據(jù)經(jīng)MT80W和Tsoft固體潮理論值校正結(jié)果，圖2（d）為Tsoft處理突變點(diǎn)后的殘差曲線。

CG-5殘差波動的主要影響影響包括有重力儀日漂移的非線性、固體潮模型誤差和海潮影響。經(jīng)觀測結(jié)果顯示，CG-5長期漂移的線性度較為理想，因該地區(qū)為內(nèi)陸地區(qū)，幾乎不受海潮影響，因此，經(jīng)線性校正后所得的3條殘差曲線的波動，其主要影響因素分別為日漂移的非線性和固體潮模型誤差。

從圖2中可以看出，曲線波動幅度最小的為圖2（d），波動幅度最大的為圖2（b）。由此可知，Tsoft固體潮校正較為完善，CG-5固體潮校正存在較大誤差。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析圖2（b）、2（c）和2（d），可得出CG-5重力儀靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)的殘差指標(biāo)（表1）.

此外，經(jīng)相關(guān)測量數(shù)據(jù)顯示，以18天靜態(tài)觀測結(jié)果為例，其固體潮理論波幅與標(biāo)準(zhǔn)殘差的相關(guān)系數(shù)僅為0.4，相關(guān)性較低，且在100-300×的重力固體潮變化范圍內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)殘差值趨于穩(wěn)定。

四、結(jié)論

（1）2015年5月20-21日的理論潮汐波幅為131×，CG-5重力儀提供的理論固體潮值和MT80W與Tsoft所計(jì)算的固體潮值的最大差值約為4×，在大潮日，改差值存在加大的可能性。

（2）經(jīng)靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)顯示，經(jīng)CG-5儀器自身固體潮校正后所得的殘差最大波動幅度大于8×，而采用Tsoft固體潮校正時，其殘差波動幅度和以及標(biāo)準(zhǔn)差都較小。

（3）因檢測地區(qū)地處內(nèi)陸，不受海潮影響，CG-5的殘差波動的主要影響因素為日漂移的非線性和固體潮模型誤差。且經(jīng)18天的靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)分析得出，固體潮理論值波幅與殘差波幅以及其標(biāo)準(zhǔn)差之間的相關(guān)性極低，可直接忽略不計(jì)。

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