CG-5重力仪静态观测残差研究

徐声鑫

摘要：为确保CG-5重力仪静态观测数据的准确性，在观测结果统计与分析过程中，不可忽视固体潮校正和漂移非线性误差。在实际操作过程中，通常通过对比用Tsoft和MT80W计算的固体潮值和CG-5重力仪内部软件提供的固体潮值，以及分析大量CG-5重力仪静态观察数据，来获取CG-5重力仪的固体潮和漂移残留误差，以此来提高CG-5的静态观测精度。

关键词：CG-5重力仪;固体潮;静态观测;残差;漂移

前言

CG-5重力仪产自加拿大，是数字式的全自动重力测量仪器，其敏感元件采用的是一种石英弹簧。CG-5重力仪所具备的功能包括有自动仪器倾斜改正、对仪器内部微小温度波动进行温度补偿、改正线性漂移和地震滤波等。目前，我国已引进约300台CG-5重力仪，并将其广泛应用于各个领域的重力勘测。

由于CG-5重力仪所具备的自动读数功能和记录功能，能有效降低人为因素对观测结果的干扰。此外，加上测量结果数据的大量叠加，通常能将隨机误差维持在2之内。因此，CG-5重力仪通常被认为具备微伽级的相对重力测量精度。然而，CG-5重力仪的测量精度在受测量随机误差的影响之外，还应同时考虑与理论固体潮校正值的误差以及零位漂移的非线性误差。通过对比用Tsoft和MT80W计算的固体潮值和CG-5重力仪内部软件提供的固体潮值，以及分析大量CG-5重力仪静态观察数据，来获取CG-5重力仪的固体潮和漂移残留误差，以此来提高CG-5的静态观测精度。

一、静态观测

重力仪零位漂移值通常为对连续的静态观测数据进行理论固体潮校正来获取。通过观察漂移曲线和分析处理数据来获取重力仪漂移的变化规律，并从中得出重要的心梗参数，包括有平均漂移速率、非线性度和随机噪声水平等。

以某内陆地区为例，经多次CG-5重力仪连续超过20小时的静态观测，来获取相关的静态观测数据。重力仪读数自动记录时间间隔设定为1分钟，设定采样频率6Hz，利用重力仪自身具备的地震滤波功能来过滤每分钟360个数据中由微振动引起的低频噪声，忽略不计超过6倍标准差的高频噪声，并由样本数据来计算出平均数值，同时进行倾斜改正和温度补偿。利用CG-5重力仪内部软件进行理论固体潮校正和线性漂移校正，最具代表性的残余漂移曲线，如图2（a）所示。

重力仪最初测量的漂移数据中往往掺杂一定的干扰信息，为避免其对后续数据的分析和应用产生影响，通常采用潮汐数据预处理软件来进行处理和消除。目前，重力仪观测数据预处理效果最好的软件为比利时皇家天文台Vauterin博士研发的Tsoft潮汐数据预处理软件，其具备强大的图形处理功能以及人性化的人机交互界面，能直接纠正测量过程中的各种干扰，并同时进行多种数据分析（滤波、谱分析和回归分析等），显著提升了观测数据预处理的直观性。

在分析观测结果时，对比用Tsoft与国内常用的MT80W潮汐软件计算的固体潮值和CG-5重力仪内部软件的理论固体潮值;经固体潮值校正和线性漂移校正后，用Tsoft软件纠正静态漂移残差数据中的少量局部干扰。

二、3种固体潮理论值对比

对比CG-5、Tsoft和MT80W软件计算的固体潮理论值，发现三者之间存在一定的差异（图1）。

由图1可知，经20小时的计算数据中，CG-5和MT80W理论固体潮互差的最大波幅为3.2;CG-5和Tsoft理论固体潮互差的最大波幅为3.9;MT80W与Tsoft理论固体潮互差的最大波幅为2.6。由此可知，CG-5内部固体潮软件误差较大。同时，与图1（c）对比，图1（a）与图1（b）呈现为高次曲线，会对较短时段重力测量结果的准确性产生影响。

三、残差分析

利用3种固体潮理论值，对2015年5月20日-21日20小时静态观测数据进行固体潮校正。原始数据经线性漂移校正和CG-5固体潮理论值校正后的重力残差曲线，如图2（a）所示。从中可以发现数据中存在部分较大的高频干扰，将对后续仪器数据的分析和应用产生影响。用Tsoft软件处理突变点后，其结果如图2（b）所示。图2（c）为原始数据经MT80W和Tsoft固体潮理论值校正结果，图2（d）为Tsoft处理突变点后的残差曲线。

CG-5残差波动的主要影响影响包括有重力仪日漂移的非线性、固体潮模型误差和海潮影响。经观测结果显示，CG-5长期漂移的线性度较为理想，因该地区为内陆地区，几乎不受海潮影响，因此，经线性校正后所得的3条残差曲线的波动，其主要影响因素分别为日漂移的非线性和固体潮模型误差。

从图2中可以看出，曲线波动幅度最小的为图2（d），波动幅度最大的为图2（b）。由此可知，Tsoft固体潮校正较为完善，CG-5固体潮校正存在较大误差。经统计分析图2（b）、2（c）和2（d），可得出CG-5重力仪静态观测数据的残差指标（表1）.

此外，经相关测量数据显示，以18天静态观测结果为例，其固体潮理论波幅与标准残差的相关系数仅为0.4，相关性较低，且在100-300×的重力固体潮变化范围内，标准残差值趋于稳定。

四、结论

（1）2015年5月20-21日的理论潮汐波幅为131×，CG-5重力仪提供的理论固体潮值和MT80W与Tsoft所计算的固体潮值的最大差值约为4×，在大潮日，改差值存在加大的可能性。

（2）经静态观测数据显示，经CG-5仪器自身固体潮校正后所得的残差最大波动幅度大于8×，而采用Tsoft固体潮校正时，其残差波动幅度和以及标准差都较小。

（3）因检测地区地处内陆，不受海潮影响，CG-5的残差波动的主要影响因素为日漂移的非线性和固体潮模型误差。且经18天的静态观测数据分析得出，固体潮理论值波幅与残差波幅以及其标准差之间的相关性极低，可直接忽略不计。

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