2012-06启动的国家现代测绘基准体系基础设施建设一期工程是国家重大测绘专项。项目对我国测绘基础设施整体布设、综合利用传统和现代测绘技术手段实施观测,最终实现高精度、三维、动态以及成果统一(陆海统一、几何基准与物理基准一体)的现代国家测绘基准体系具有重要意义。重力基准体系建设是该项目的重要任务之一。该任务采用新建、改造两种方法,对国家重力基准点进行整体规划,并实施高精度绝对重力观测。
本文拟通过2013~2014年该项目绝对重力观测的实施方法、数据处理、观测结果等情况的分析,研究国家重力基准体系建立中高精度绝对重力观测过程中仪器、基本参数设置、实施办法等方面的关键技术要求和适宜性。
1 点位分布及观测方法 1.1 点位分布概述国家测绘地理信息局第一大地测量队2013~2014年度共对25个国家重力基准点实施了绝对重力观测,点位情况见表 1。
绝对重力观测采用两台绝对重力仪实施,仪器型号分别为A10/028、FG5/214。与其他项目不同的是,本次绝对重力观测同期进行,即一台仪器观测结束后另一台仪器立刻观测。观测之前对A10/028进行了比对实验(结果参见文献[1]),专家咨询委员会认为A10/028绝对重力仪可以参与项目实施。两台仪器的参数设置如表 2所示[2-3]。
考虑到两台绝对重力仪观测室、仪器架设高度不同(A10在0.8 m左右,FG5在1.3 m左右),势必会因重力垂直梯度空间非线性变化而产生误差[4-5],因此在每个点位上方两个高度(0.8 m左右,1.3 m左右)进行了重力垂直梯度观测,以尽量消除该因素对两台仪器观测高度不同所产生的影响。
重力垂直梯度观测使用2台标称精度为20 μGal的相对重力仪实施。按标志面-高点(0.8 m左右、1.3 m左右)-标志面的顺序进行观测(或高点-标志面-高点),1个独立测线计算1个独立结果。每台仪器在每个高度合格结果不少于5个。
2 数据处理 2.1 重力垂直梯度数据处理 2.1.1 独立测线结果计算重力垂直梯度计算时,先计算每台相对重力仪的每个独立测线结果。在此过程中,进行了固体潮、零漂改正。其中固体潮改正值δth采用零潮汐系统,按照式(1)计算:
(1) |
式中,
(2) |
式中,δfc=-4.83+15.73sin2ψ-1.59sin4ψ;F(Φ)=0.998 327+0.001 67cos2Φ;Φ为测站大地纬度;ψ为测站地心纬度。
零漂改正值gi按照式(3)计算:
(3) |
式中,
(4) |
式中,GA、GB分别为测线始、末点已知重力值;g′A、g′B、g′i分别为测站始、末、待定点观测归算值;g′C、g′D分别为各静调点始、末的观测归算值;tA、tB、ti分别为测站始、末、待定点的观测时间;tC、tD分别为各静调点始、末的观测时间。
2.1.2 重力垂直梯度结果及精度计算根据独立测线计算及实测高度结果,计算不同高度处的重力垂直梯度值及精度。重力垂直梯度值θ按照式(5)计算:
(5) |
式中,Δh为高点与标志面间的高度;Δggr为所有相对重力观测段差的平均值,按照式(6)计算:
(6) |
重力垂直梯度观测精度m按照式(7)计算:
(7) |
式中,vi为第i个独立段差值与段差平均值之差,按照vi=Δgi-Δggr计算;n为段差总个数。
2.2 绝对重力数据处理 2.2.1 合格数据检查数据处理之前,对所有数据进行检查,删除不合格数据。对FG5/214观测数据而言,如果每组不合格数少于80次,则认为该组全部数据无效,同时剔除;对A10/028观测数据,则剔除对应的一个序列数据。绝对重力观测数据的合格情况如表 3所示。
固体潮、海潮、极移对绝对重力观测结果影响很大,必须加以改正。固体潮改正采用ETGTAB模型;海潮改正采用FES2004模型;极移改正δgp值按照式(8)计算:
(8) |
式中,ω为地球自转角速度,取7 292 115×10-11;a为地球长半轴,取6 378 136;λ、Φ分别为测点的地理经、纬度;x、y分别为地极坐标,采用IERS发布的earth rotation data。
处理FG5/214数据时重力垂直梯度采用1.3 m处成果;A10/028采用0.8 m处成果。
2.2.3 重力值及精度计算对FG5/214观测数据,先以组为计算单位,计算单组重力值;再对组重力值计算精度,精度超限时,剔除与均值之差最大的组重力值。重复上述步骤,直到精度符合要求。该精度为FG5/214绝对重力仪在该点成果的最终精度m,按照式(9)计算。再对剩余该点的组重力值取平均,作为FG5/214绝对重力仪在该点FG5/214所获得的重力值ghe,按照式(10)计算:
(9) |
(10) |
式中,ghi为第i组组平均值;n为合格观测结果的组数。
A10/028观测数据处理参照上述办法计算。不同之处在于,把红、蓝激光各自观测数据分别处理后整体计算。
2.3 观测结果及精度 2.3.1 结果及精度经过上述数据处理,得到各点两个高度重力垂直梯度值及观测精度、地面重力值及观测精度。详细情况见表 4。
从表 4结果可以看出,云和基准点1.3 m处重力垂直梯度结果精度最弱(2.643 μGal)。A10/028观测精度在灵武最大(2.671 μGal),在祁阳最小(0.468 μGal); FG5/214观测精度在泰州最大(1.337 μGal),在洪江最小(0.151 μGal)。整体来看,FG5/214、A10/028观测结果精度都小于5 μGal[6-7]。因此,采用上述方法(既实施绝对重力观测、又实施重力垂直梯度观测,两台高精度绝对重力仪同期观测)以及数据处理方法建立高精度重力基准是合适的,同时FG5/214与A10/028的观测结果可以满足高精度重力基准建设的要求。
FG5/214与A10/028之间最终结果差值最大是4.9 μGal(大柴旦),最小差值仅为0.1 μGal(东平)。所有25个点中两台仪器最终观测结果差值都在5.0 μGal以内,表明两台仪器观测结果之间一致性较好。另一方面,两台仪器观测同期实施的方法在很大程度上减少了点位附近地质运动等干扰因素的影响。因此,采用两台绝对重力仪同期实施观测的方法可以有效提高国家重力基准成果的精度。
从图 1可以看出,相比较而言,FG5/214的结果精度分布更集中,在1/3限差(5.0 μGal)以内的精度占94%。而A10/028的结果精度分布比较分散,3/4以内限差各区间分布大致比例为3 :4 :2(32% :42% :24%)。说明在对细微重力信号变化捕获方面,FG5型绝对重力仪具有一定优势[8-10],而A10型绝对重力仪在野外适应性方面具有一定优势。因此从重力基准建设的工程性质来看,在可能存在较大外界环境干扰的点位上,A10型绝对重力仪获得点位重力值更容易,操作性更好;FG5型绝对重力仪对于一定范围内的点位重力变化的监测更具优势。所以两台仪器配合实施更利于国家重力基准的建设、动态变化监测与研究。
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