近?；鶞收窘^對重力的測定分析*

張宏偉 肖 凡 何志堂 王應建 趙東明 夏 晨

1)解放軍61365 部隊，天津 300140

2)解放軍信息工程大學測繪學院，鄭州 450052

3)陜西省測繪局，西安710054

1 引言

中國大陸構造環境監測網絡工程(簡稱陸態網)的科學目標是建成覆蓋中國大陸及近海高精度、高時空分辨率和實時動態的四維觀測體系，以監測中國大陸構造環境變化。

現陸態網已建成260 個GNSS 基準站，并建成了基本均勻分布于全國的100 個基準站構成的絕對重力基準網，其中約有12 個近海基準站(圖1)。由于基準站均為近?；鶞收?，因此我們將著重分析固體潮和海洋負荷潮對絕對重力觀測的影響。

2 近?；鶞收窘^對重力測定概況

陸態網12 個近海基準站的絕對重力分別用FG5/214 和FG5/240 絕對重力儀進行測量，其中FG5/214 測定了北海、廣州、廈門、平潭、湛江和溫州6 個基準站，FG5/240 測定了另外6 個基準站，分別為青島、永興島、上海、瓊中、榮成和薊縣站(表1)。北海、平潭、湛江、溫州、青島和榮成等6 個站為陸態網新選基準站，廣州、廈門、永興島、上海、瓊中和薊縣為2000 國家重力基本網和中國地殼運動觀測網絡共址的基準站，而上海和瓊中兩個基準站同時還是中國地震重力網的絕對重力點［1，2］。

圖1 絕對重力基準站點位分布Fig.1 Distribution of the absolute gravity fiducial stations

表1 近海絕對重力基準站概況Tab.1 General situation of the absolute gravity fiducial stations near ocean

3 絕對重力觀測及數據處理

3.1 絕對重力觀測

根據陸態網技術要求［3］，絕對重力測定的方法為:有效觀測組數為25 組，每小時觀測1 組，每組觀測起始時刻設置在整點或30 分時刻，每組下落次數為100 次，單次落體測量間隔為10 s;計算每次下落有效高度處的重力觀測值，并進行固體潮、海潮、氣壓、光速有限和極移等改正;計算組均值、組內標準差、總均值、組間標準差和不確定度［3］。

為分析同一項目中執行測定任務的絕對重力儀之間的一致性和系統偏差，測量前FG5/214 和FG5/240 在武漢進行了同址觀測，觀測結果表明2臺儀器的內符合精度均優于2 ×10－8ms－2，互差為1.2 ×10－8ms－2，具有較好的一致性，不存在明顯的系統偏差［4－6］。

在觀測過程中，FG5/240 還在夏縣與FG5/232進行了同址觀測，其結果為:兩臺儀器互差小于5 ×10－8ms－2，儀器性能穩定，無明顯系統差。

3.2 重力垂直梯度觀測

FG5 絕對重力儀觀測得到的絕對重力值為儀器頂部下落位置的重力值，其有效高度為130 ±1.5 cm 處，而通常為了相對重力測量傳遞和研究方便，會將絕對重力儀測量得到的有效高度處的重力值歸算到某基準高度處，典型的基準高度主要有3 個:0、100 和130 cm［6］，因此，需要利用測站的重力垂直梯度值進行歸算。

使用兩臺高精度相對重力儀進行往返測量，每臺儀器有效成果數不少于5 個，測定段差中誤差不大于±4 ×10－8ms－2。

3.3 觀測數據處理及分析

絕對重力儀每次下落過程中采集700 個不同下落高度及其對應時間的“數據對”，舍去開始和末尾各50 個數據后，再擬合解算出每次落體觀測的有效高度處的絕對重力值［7］。觀測過程中北?；鶞收居? 組數據被舍棄，分別為第18 ～23 和46 ～48 組;廈門基準站有兩組數據被舍棄，為第20 和23 組;榮成有1 組數據被舍棄，為第15 組(表2)。

表2 近海絕對重力基準站觀測信息Tab.2 Observation information at the absolute gravity fiducial stations near ocean

1)重力固體潮改正分析

重力固體潮改正采用“g8”軟件提供的Berger模型和ETGTAB 模型，Berger 模型中重力潮汐因子取1.155 4;ETGTAB 模型所使用的坐標系為1980參考橢球系統(GRS80)，其基本參數為:長半軸a=6 378 137 m，地心引力常數為398 600.5 × 109m3s－2，扁率f=1/298.257 222 100 882 7，自轉角速度ω=7.291 15 ×10－5rad/s，杜森常數為2.627 689 m2s2。表3 為經固體潮模型改正后的絕對重力觀測結果的組間標準偏差統計。

2)重力海洋負荷潮改正分析

計算海洋負荷潮對重力影響的公式為

式中，R 為地球半徑，ρ0為海水密度，H(θ，λ)為瞬時潮高，G(r－r')為重力格林函數。利用“g8”軟件提供的3 種海潮改正模型計算基準站的絕對重力觀測結果，其組間標準偏差統計見表3。

表3 不同模型改正后重力觀測結果的標準偏差統計(單位:10 －8ms －2)Tab.3 Standard deviations of observational results after corrections by different models(unit:10 －8ms －2)

在12 個近?；鶞收镜母恼嬎阒?，永興島的海洋負荷潮改正最大，為±10 ×10－8ms－2，薊縣的海洋負荷潮改正最小，為±1 ×10－8ms－2，北海和廣州站的海洋負荷潮改正為±2 ×10－8ms－2，其余站均為±5 ×10－8ms－2。北海和廣州站海洋負荷潮改正較小的原因是觀測時該站處于海洋小潮期間，對絕對重力觀測的影響較小，而平潭站即使在小潮期間觀測，其海洋負荷潮改正也能達到±5 ×10－8ms－2。從表3 中得出，使用不同海潮模型計算的改正對各基準站重力值的影響小于±1 ×10－8ms－2，組間標準差無明顯改變。

3.4 測量精度和不確定度估計

式中:σT為固體潮改正不確定度，取0.001 ×平均固體潮改正值;σL為海洋負荷潮改正不確定度，取0.1×平均海潮負荷;σS為系統設計誤差改正不確定度，取1.0;σSS為系統安裝不確定度，取1.0;σg為垂直梯度改正不確定度，取0.03 ×垂直高差，垂直高差為儀器有效觀測高度減去130 cm;其他參數見文獻［2，4，7，8］，表4 為各基準站絕對重力觀測值各項不確定度的取值。

表4 近海絕對重力基準站不確定度取值(單位:10 －8ms －2)Tab.4 Uncertainty of the absolute gravity fiducial stations near ocean(unit:10 －8ms －2)

4 基準站絕對重力測量結果分析

4.1 測量結果統計分析

各基準站觀測結果的精度如表5。從表5 可以看出，各基準站觀測結果的組間標準差均達到規程［3］要求。其中永興島最大，為±4.69 ×10－8ms－2，經分析與永興島所處環境有關。

4.2 上海絕對重力測定結果分析

由于FG5/240 絕對重力儀在上海基準站進行觀測的同時，記錄了日本本州南海岸Ms6.0地震產生的同震效應。為此對其觀測數據進行詳細分析。利用組均值與總均值的差值繪圖(圖2(a))，其中第15 組數據有大尺度的負變化，達－16.8 ×10－8ms－2，若舍去后則數據質量明顯變好(圖2(b))，為±4 ×10－8ms－2，因此，我們著重分析第15 組的數據(圖2(c))。

從圖2(c)可以看出:15 組第30 次觀測(北京時間2011-08-01-23:04:55)的重力值開始出現異常，同震振幅最大達1 878 ×10－8ms－2，與地震發生時間相差約7 分鐘，并且持續10 分鐘以上。

表5 近海基準站絕對重力觀測精度Tab.5 Observing accuracies of the absolute gravity fiducial stations near ocean

圖2 上?；鶞收窘^對重力觀測數據分布Fig.2 Distribution of the absolute gravity data at ShangHai Fiducial Station

4.3 重復測量結果比較

選擇薊縣、上海和永興島三個基準站的重力重復觀測結果進行繪圖比較(圖3)，結果表明:薊縣、上海和永興島三個基準站比較穩定，其成果不確定度均優于5 ×10－8ms－2。

圖3 絕對重力復測結果Fig.3 Repeated results of absolute gravity observation

5 結語

1)所有近?；鶞收窘^對重力觀測精度均優于±5 ×10－8ms－2，能夠為海洋和島嶼的相對重力測量和重力場研究提供基準;

2)海洋負荷潮對近海重力測量的影響較大，在南海區域影響最大，達±10 ×10－8ms－2，在其他海域也能達到±5 ×10－8ms－2以上。目前國際上公布的海潮模型較多，但由表3 可看出對我國近海絕對重力測量的改正都不十分理想，主要是我國海洋區域較大，海潮影響復雜多變，要得到較好的改正效果，需增加驗潮站的數量和建立適合我國海潮變化的海潮改正精密模型，同時對絕對重力測量采用延長觀測時間或避開大潮觀測。

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

2 張為民，等.中國地殼運動觀測網絡中的絕對重力測定［J］.武漢大學學報(信息科學版)，2004，29(3):227－230.(Zhang Weimin，et al.Absolute gravity determination in the crustal movement observation network of China［J］.Geomatics and Information Science of Wuhan University，2004，29(3):227－230)

3 中國地殼運動觀測技術規程［S］.北京:中國環境科學出版社，2004.(Technical regulation for crustal movement observation of China［S］.Beijing:China Environmental Science Press，2004)

4 肖凡，等.FG5 絕對重力儀比對觀測數據分析［J］.海洋測繪，2011，31(5):55－57.(Xiao Fan，et al.Analysis of the comparison results of FG5 absolute gravimeters［J］.Hydrographic Surveying and Charting，2011，31(5):55－57)

5 肖凡，等.FG5 絕對重力儀232/240 比對結果分析［J］.測繪信息與工程，2011，36(2):40－42.(Xiao Fan，et al.Analysis of comparison results of FG5 absolute gravimeters 232/240［J］.Journal of Geomatics，2011，36(2):40－42)

6 邢樂林，等.FG5 絕對重力儀及測點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 in 3053 station［J］.Journal of Geomatics，2007，32(2):27－29)

7 劉冬至，邢樂林.FG5/232 絕對重力儀的試驗觀測結果［J］.大地測量與地球動力學，2007，(2):114－118.(Liu Dongzhi and Xing Lelin.Experimental results observed by FG5/232 absolute gravimeter［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2007，(2):114－118)

8 楊婕，等.廈門地震臺重力儀同震響應特征分析［J］.大地測量與地球動力學，2010，(增刊1):96－99.(Yang Jie，et al.Analysis of characteristics of co-seismic response of gravity instrument at Xiamen seismostation［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2010，(Supp.1):96－99)