2000国家重力基本网部分站的最新绝对重力测量＊

张宏伟 董朝阳 赵东明 肖 凡 李建国 纪立东

1)61365部队,天津 300140 2)解放军信息工程大学测绘学院,郑州 450052

2000国家重力基本网部分站的最新绝对重力测量＊

张宏伟1)董朝阳1)赵东明2)肖 凡1)李建国1)纪立东1)

1)61365部队,天津 300140 2)解放军信息工程大学测绘学院,郑州 450052

为分析部分 2000国家重力基本网点的长期稳定性,应用 FG5/240绝对重力仪在该网的永兴岛和郑州站进行了绝对测量。对观测结果的处理表明,观测精度优于 5×10-8ms-2;同时对观测值及其对应的 2000国家重力基本网点的重力值进行了比较,得出两者之间重力值差异变化。

FG5/240绝对重力仪;2000国家重力基本网;绝对重力测量;垂直梯度;重力年变化量

1 引言

2000国家重力基本网 (简称 2000网)由 21个基准点、126个基本点和 112个基本点引点 (共计259个点)组成[1]。其中基准点是首次独立自主使用当前精度最高的野外绝对重力仪 FG5测定我国的重力基准,重力基准点的分布基本均匀、合理,覆盖范围大,特别是在我国的西北和东北等绝对重力空白区首次布设了绝对重力点,并联测了香港、澳门以及南海等地区,使我国的重力基准点有效地控制了全网,不仅使 2000网的覆盖面更广泛,而且确保了 2000网的可靠性与高精度[2]。

根据重力测量技术的特点,在 2000网的平差时采用了“弱基准”原则,即该网平差时不固定任何重力点的重力测量数据,所有绝对重力观测值及相对重力观测值都赋以适当的权,都作为变量参与平差而得到相应的改正数[2,3],平差后的平均中误差为±7.3×10-8ms-2,完全满足我国的重力测量要求。

2000网成果于 2003年 12月 3日发布使用,在我国各个领域的重力测量中发挥着不可替代的基准作用,但随着地壳运动、地下水改变和自然灾害的发生,我国的重力基准是否发生变化,需要进行考证和研究。本文就 2000网的永兴岛 (2081,基本点)和郑州站(3040,引点)的最新绝对重力观测结果进行处理,同时和其对应的 2000网点的重力值进行比对并分析测量精度。

2 FG5/240绝对重力仪及检验测量

FG5绝对重力仪是一种高精密、高准确测量垂直重力加速度的便携式仪器。其技术参数[4]见表1。

表1 绝对重力测量设备成套配置要求Tab.1 Ma in equipment and techn ical parameters of FG5/ 240 absolute gravi meter

仪器在引进时,为了测试其观测精度及稳定性,在北京白家疃 Z01测站进行了 3个阶段的测试(第1阶段是 2009-04-02—07,第 2阶段是 2009-04-10—15,第 3阶段是 2009-08-12—16)。测量成果表明：在北京白家疃测站进行的连续 24小时以上 (多于24组)的测量精度优于 ±3×10-8ms-2;3次合格成果的最大互差小于 5×10-8ms-2,即重复性精度优于 ±5×10-8ms-2,各组测量结果间的离散度优于 ± 5×10-8ms-2,内符合精度优于 ±2×10-8ms-2。

3 永兴岛和郑州站的测量计算

3.1 测量与数据处理

在开展测量之前,FG5/240绝对重力仪在武汉与国内其他绝对重力仪进行了比对测量,以检验仪器的稳定性和可靠性,通过比对测量得出：FG5/240绝对重力仪内符合精度优于 2×10-8ms-2,总体精度评定为 ±3.4×10-8ms-2,优于设计的绝对重力网5.0×10-8ms-2的精度要求。

依据规范要求[4]分别在永兴岛和郑州站进行绝对重力测量：1)每 30分钟为一组观测,每组的观测起始时间设置在整点或整 30分时刻;2)共观测25组,每组观测的下落次数不少于 100次;3)每个绝对重力点使用 2台 CG5型相对重力仪(442、444)进行重力梯度测量。

为了得到地面标志点的高精度重力值,除对有效观测高度处的重力值利用随机软件“g8”进行固体潮、海洋负荷潮、气压和极移的改正[5,6]外,还需要通过垂直梯度归算到地面标志点处[7]。

1)潮汐改正。包括固体潮和海洋负荷潮的改正。其中固体潮改正引起的重力变化为 ±300× 10-8ms-2,海洋负荷潮的影响为 ±(5～6)×10-8ms-2。本次计算采用 ETGTAB模型对测量的绝对重力值进行潮汐改正。

2)气压改正。气压改正公式为

式中：q=(0.30～0.42)是大气压导纳因子,本文采用 0.30×10-8ms-2/mBar;δg是单位为 10-8ms-2的大气压改正,P为观测点的瞬时气压值,P0为观测点处的标准气压值。

3)极移改正。此项改正由于测站到地球旋转轴距离的改变而引起的离心加速度变化,年变化约为 ±9×10-8ms-2[6]。改正量通常是由每个测站上最接近观测时间的极点位置进行计算：

式中,δg是极移改正 (10-8ms-2),ω是指地球的旋转角速度 (rad/s),a为参考椭球体长半轴 (m),φ为大地纬度 (rad),λ为大地经度 (rad),x,y是指在IERS系统中的极坐标 (rad)[6,8]。

4)高度改正。在落体舱内,重力值确定的实际位置在落体舱的顶部。对于观测到的重力值,需要将其转换到地面点处。计算测量点的重力梯度并通过软件对重力值归算到地面标志处。

5)观测精度和不确定度计算。每个点位观测25组,每组下落次数为 100次,得到 100个重力值自动拒绝限差设为 3倍标准偏差 mj,利用每组的约 100个重力值计算均值综合 25组均值计算总均值 G、组间标准差 σset和总的不确定度

3.2 结果分析

于 2010年 8月和 10月利用 FG5/240绝对重力仪在 2000网的永兴岛和郑州站的测量结果如表 2。

表2 永兴岛和郑州站绝对重力测量结果Tab.2 Results of absolute gravity measurement at Yongxing Island and Zhengzhou station

从表 2可知,永兴岛和郑州站的 2000网重力值是用 6台 LCR-G型相对重力仪联测后采用“弱基准”方法平差而得。其中永兴岛 (2081)由广州(2075)利用船只联测而得,精度为 ±18.838×10-8ms-2,观测时间和联测精度均超限,经平差后精度有大幅度提高,为 ±9.2×10-8ms-2,虽然能够满足重力测量需要,但其可信度较低;郑州 (3040)为引点,由郑州 (2040)汽车联测而得,联测精度为 ± 9.496×10-8ms-2,相比绝对重力仪的精度[10],降低约一个量级。

利用重力仪观测的 25组绝对重力值的算术平均值作为该站本次测量的重力值,并和其对应的2000网成果进行比较分析后发现,这两个点的重力值都有变化：永兴岛减小 23.3×10-8ms-2,郑州减小 10.8×10-8ms-2(表 3)。考虑到 FG5/240绝对重力仪精度较高,为 1.0×10-8ms-2量级[10],而这两个站的 2000网重力值是用相对重力仪联测后平差所得,以及地壳运动、重力值随时间变化的影响、环境因素(地下水、大气压等)的改变和自然灾害的发生,仅就单点重力值而言,本次测量值具有较高的可信度[11]。如若能够在永兴岛和郑州站之间利用飞机进行相对测量并联测 2000网的其他站,而后采取“弱基准”方法平差,则重力值差异变化的比较就更加具有合理性和有效性。

永兴岛的绝对重力测量精度虽然满足要求,但测量精度偏低达 ±4.69×10-8ms-2,主要是该点位所在地永兴岛是一个面积仅 1.9 km2的海洋小岛,观测站点距海边 200多米,点位基墩虽设在礁岩上,但其受海潮尤其是近海的海潮影响非常大[12];且在观测时,该岛正在进行工程建设,爆破影响较大,此外,该点的观测时间为 8月,环境气温非常高(超过30℃),激光器的稳定性也受到了影响。

表3 永兴岛和郑州站的重力值比对Tab.3 Compatison between gravity values of Yongxing island and Zhengzhou station

两个站的观测时间间隔较长为 10年,且次数只有 2次,使得该站重力年均变化量的可信度降低,建议应进行长期多次数观测,以获得点位高精度的重力年变化量。

4 结语

1)在进行重力观测时应尽量收集测点上的气象、水文等资料,以分析误差影响的原因,且在同一测点上应尽可能安排相同仪器在相同的季节或月份内进行观测。

2)需要在 2000网站上使用不同仪器进行更多地重复测量[10],并和其他动态重力网络工程 (地壳重力网和数字重力网[13]等)成果一并平差处理,从而保证重力系统的统一,避免因为系统参数不同造成使用混乱,并对全国的重力测量形成控制,统一全国重力非潮汐和潮汐变化观测,为地震监测和地球动力学研究服务[9]。

3)目前我国已有多台绝对重力仪,建议多安排定期同址比对观测,当有多台仪器执行同一工程任务时,应进行测前、测中及测后的比对观测,以消除仪器间的系统误差。

4)对永兴岛基准站的绝对重力测量能够将绝对重力基准网延伸、扩大至南海海域的西沙群岛上,建立南海海域的重力基准,将为我国南海海域的国防建设、地震预报、海平面变化和地球动力学等研究提供高精度的重力场变化信息。

5)2000网的绝对重力观测站仅为 21个,远远不能满足检测和研究我国大陆重力场变化的需要,因此应尽可能地增加观测点的密度,尤其是构造和地震活动区,以满足研究工作的需要[8]。

1 曾安敏,等.2000国家重力基本网与 1985国家重力基本网的转换关系研究 [J].海洋测绘,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 陈俊勇,等.2000国家大地控制网的构建和它的技术进步[J].测绘学报,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 杨元喜,等.绝对重力与相对重力混合平差的基准及质量控制[J].测绘工程,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 中国地壳运动观测技术规程[S].北京：中国环境科学出版社,2004.(Technical regulation for crustal movement observation of China[S].Beijing：China Environmental Science Press,2004)

5 王庆宾,吴晓平.绝对重力测量值的改正[J].测绘学院学报,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)

6 王勇,等.绝对重力观测的潮汐改正[J].大地测量与地球动力学,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年中国中西部地区高精度绝对重力观测结果[J].地球物理学报,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 张为民,等.1996-2003年中国大陆高精度绝对重力观测[J].地球物理学进展,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 刘冬至,等.中国地震重力网绝对重力观测结果分析[J].大地测量与地球动力学,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 邢乐林,等.成都基准台绝对重力复测结果分析[J].大地测量与地球动力学,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 邢乐林,等.FG5绝对重力仪及测点 3053的绝对重力测量[J].测绘信息与工程,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 张为民,王勇,詹金刚,等.中国地壳运动观测网络中的绝对重力测定[J].武汉大学学报 (信息科学版),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 李辉,等.中国大陆近期重力场动态变化图像[J].大地测量与地球动力学,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

教育部中国大陆构造环境监测网络绝对重力测量专项

张宏伟,男,1975年生,工程师,硕士,主要从事重力数据采集与处理研究.E-mail：hxy-0316@yahoo.com.cn

P223+.1

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