[科普中國(guó)]-重力基線

重力基線是指由若干個(gè)高精度重力點(diǎn)組成的作為重力儀格值檢測(cè)基準(zhǔn)的基線。

概念重力基線是重力檢定場(chǎng)的組成部分，其校準(zhǔn)重力儀的標(biāo)準(zhǔn)裝置，主要包括重力長(zhǎng)基線、重力短基線和動(dòng)態(tài)檢定場(chǎng)。相對(duì)重力儀一般作為校準(zhǔn)重力短基線和動(dòng)態(tài)檢定場(chǎng)的傳遞標(biāo)準(zhǔn)，也可用于重力長(zhǎng)基線的檢核設(shè)備，其技術(shù)性能必須滿足重力檢定場(chǎng)和測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的要求。

CG-5相對(duì)重力儀校準(zhǔn)重力基線的可行性研究背景檢定重力儀的標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)地主要有重力長(zhǎng)基線、重力短基線和動(dòng)態(tài)檢定場(chǎng)。以這些場(chǎng)地的點(diǎn)間相對(duì)重力段差值作為標(biāo)準(zhǔn)值，檢定被檢相對(duì)重力儀，也可以作為絕對(duì)重力儀的檢核標(biāo)準(zhǔn)。這些作為標(biāo)準(zhǔn)值的重力段差值一般使用高精度的相對(duì)重力儀進(jìn)行校準(zhǔn)，也可以使用絕對(duì)重力儀測(cè)量每個(gè)點(diǎn)的絕對(duì)重力值，用點(diǎn)間的絕對(duì)重力值作差計(jì)算各點(diǎn)間的相對(duì)重力段差值。由于絕對(duì)重力測(cè)量要求作業(yè)環(huán)境條件嚴(yán)格，一般場(chǎng)地條件難以滿足絕對(duì)重力測(cè)量要求，通常重力長(zhǎng)基線采用絕對(duì)重力儀標(biāo)定，用相對(duì)重力儀進(jìn)行檢核；重力短基線和動(dòng)態(tài)檢定場(chǎng)采用相對(duì)重力儀直接進(jìn)行點(diǎn)間重力段差標(biāo)定。

CG-5相對(duì)重力儀是新型數(shù)字重力測(cè)量?jī)x器，采用微處理器進(jìn)行讀數(shù)、改正、顯示及輸出，具有測(cè)量點(diǎn)位自動(dòng)定位功能，量程為8000×10-5m/s2，讀數(shù)分辨力為1×10-8m/s2，擴(kuò)展不確定度為15×10-8m/s2，工作溫度范圍為-45～+45℃，重量輕，體積小，特別適合作為校準(zhǔn)重力基線的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)使用。

CG-5的技術(shù)性能根據(jù)文獻(xiàn)1，作為測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的相對(duì)重力儀的重復(fù)性、穩(wěn)定性和測(cè)量不確定度必須符合要求。一般要求，穩(wěn)定性需小于等于合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度或最大允許誤差;測(cè)量不確定度需小于等于三分之一的下級(jí)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)或檢測(cè)設(shè)備的不確定度。研究從檢定合格的CG-5相對(duì)重力儀中隨機(jī)選出6臺(tái)儀器，分析其技術(shù)性能。

為了提高校準(zhǔn)重力基線的準(zhǔn)確度，要求所使用的6臺(tái)CG-5相對(duì)重力儀同時(shí)測(cè)量同一重力基線段差值結(jié)果具有一致性。多臺(tái)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的一致性采用計(jì)算“歸一化偏差En”的方法，判斷多臺(tái)測(cè)量結(jié)果的一致性。歸一化偏差En的計(jì)算公式為

式中：xi為第i臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)儀器的測(cè)量值； 為多臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)儀器測(cè)量值的平均值；U為測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展不確定度，數(shù)值為15×10-8m/s2。

比對(duì)結(jié)果一致性的評(píng)判原則：En≤1，證明該臺(tái)儀器的測(cè)量結(jié)果與平均值之差在合理的預(yù)期之內(nèi)，可采用；En>1，證明該臺(tái)儀器的測(cè)量結(jié)果與平均值之差沒有達(dá)到合理的預(yù)期，不可采用。

表1列出了各臺(tái)CG-5相對(duì)重力儀的歸一化偏差En值。由表得1出，各臺(tái)儀器的歸一化偏差En小于1，證明這6臺(tái)CG-5相對(duì)重力儀的一致性好，可聯(lián)合作為重力基線段差的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。

研究結(jié)論重力基線場(chǎng)作為檢定和校準(zhǔn)重力儀的標(biāo)準(zhǔn)裝置必須定期進(jìn)行校準(zhǔn)，一般校準(zhǔn)周期應(yīng)不大于2年。國(guó)內(nèi)建立了多條重力基線場(chǎng)，重力基線采用絕對(duì)重力儀比對(duì)，然后測(cè)量部分點(diǎn)位的絕對(duì)重力值進(jìn)行校準(zhǔn)，由于絕對(duì)重力測(cè)量要求很高，一般的場(chǎng)地不能滿足測(cè)量要求，測(cè)量成本很高，使得重力基線多年來沒有經(jīng)過系統(tǒng)校準(zhǔn)。由6臺(tái)CG-5相對(duì)重力儀組成的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展不確定度為6.2×10-8m/s2，小于重力基線段差不確定度20×10-8m/s2的三分之一、多臺(tái)儀器測(cè)量結(jié)果歸一化偏差En均小于1，多臺(tái)儀器的一致性好，因此，6臺(tái)及以上的CG-5相對(duì)重力儀可作為校準(zhǔn)重力基線段差的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。CG-5相對(duì)重力儀可適應(yīng)野外測(cè)量要求，校準(zhǔn)成本低，可定期校準(zhǔn)重力基線。研究的突破在于嘗試了單臺(tái)CG-5儀器達(dá)不到校準(zhǔn)要求時(shí)，采用歸一化偏差優(yōu)選測(cè)量結(jié)果一致的多臺(tái)儀器聯(lián)合組成測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，采取多臺(tái)平均值法提高校準(zhǔn)精度，解決單臺(tái)儀器技術(shù)指標(biāo)與被檢測(cè)設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)相當(dāng)而無法滿足測(cè)試不確定度比的問題。2

陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)靈山重力基線場(chǎng)初值測(cè)定與數(shù)據(jù)分析中國(guó)大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目（簡(jiǎn)稱陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)）是我國(guó)一項(xiàng)重大科學(xué)工程基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目。靈山重力基線場(chǎng)（簡(jiǎn)稱靈山基線）初值測(cè)定項(xiàng)目是陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)子項(xiàng)目之一，主要目的是建立一個(gè)為相對(duì)重力儀一次項(xiàng)比例因子標(biāo)定、校準(zhǔn)的重力基準(zhǔn)。2014年6月，國(guó)家測(cè)繪地理信息局第一大地測(cè)量隊(duì)對(duì)靈山基線初始值進(jìn)行了測(cè)定。

靈山基線初始值測(cè)定概況（1）點(diǎn)位布設(shè)及施測(cè)內(nèi)容

靈山基線共設(shè)計(jì)重力基本點(diǎn)26個(gè)，重力基準(zhǔn)點(diǎn)4個(gè)；整個(gè)基線位于北京市門頭溝區(qū)靈山自然風(fēng)景區(qū)內(nèi)，各點(diǎn)位沿風(fēng)景區(qū)主干道兩側(cè)分布。其中，最大重力段差約為250000×10-8ms-2，最小重力段差約為2×10-8ms-2。施測(cè)主要內(nèi)容為對(duì)重力基準(zhǔn)點(diǎn)實(shí)施絕對(duì)重力測(cè)量，同時(shí)進(jìn)行重力垂直梯度測(cè)量，并在所有點(diǎn)位之間進(jìn)行相對(duì)重力聯(lián)測(cè)。各點(diǎn)位情況如表2所示。

（2）施測(cè)要求

基本點(diǎn)之間聯(lián)測(cè)采用6臺(tái)高精度相對(duì)重力儀實(shí)施。往返對(duì)稱觀測(cè)，每臺(tái)儀器合格成果數(shù)不少于6個(gè)。每臺(tái)儀器在一段的段差結(jié)果互差小于40.0×10-8ms-2。絕對(duì)重力測(cè)量采用FG5型儀器實(shí)施。每次下落時(shí)間間隔為10s；每組下落次數(shù)為100次（合格下落次數(shù)不少于75次），每組時(shí)間間隔為1h；合格組數(shù)不少于24組。結(jié)果精度優(yōu)于5.0×10-8ms-2。重力垂直梯度采用2臺(tái)高精度相對(duì)重力儀實(shí)施。采取往返對(duì)稱的聯(lián)測(cè)方式，在地面與約1.30m高處之間施測(cè)。每臺(tái)儀器合格成果數(shù)不少于5個(gè)，總合格成果數(shù)不少于10個(gè)。結(jié)果精度優(yōu)于3.0×10-8ms-2。

野外概算通過野外概算得到4個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)結(jié)果和29段重力段差（LS11點(diǎn)位破壞，故沒有聯(lián)測(cè)）。野外概算采用FG5絕對(duì)重力儀隨機(jī)軟件g9。對(duì)4個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)絕對(duì)重力觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了固體潮改正、氣壓改正、儀器高改正、極移改正和垂直梯度改正。相對(duì)重力聯(lián)測(cè)、重力垂直梯度測(cè)量數(shù)據(jù)處理時(shí)均進(jìn)行了重力儀讀數(shù)轉(zhuǎn)換、格值改正、固體潮改正、氣壓改正、儀器高改正和零漂改正。采用Gravitation Measure軟件進(jìn)行野外數(shù)據(jù)概算。

野外概算結(jié)果分析1）由表3可知，基準(zhǔn)點(diǎn)絕對(duì)重力測(cè)量成果野外概算成果精度都優(yōu)于5.0×10-8ms-2；其中JX1成果精度誤差最大，JX3成果精度誤差最小。平差后，精度基本一致，主要因?yàn)榛鶞?zhǔn)點(diǎn)在平差時(shí)權(quán)重大于基本點(diǎn)，且基準(zhǔn)點(diǎn)相對(duì)穩(wěn)定性較好，野外干擾不大。

2）由表4可知，各點(diǎn)間相對(duì)重力聯(lián)測(cè)結(jié)果野外各儀器結(jié)果之間最大互差都小于40×10-8ms-2；由圖1可以看出，野外相對(duì)重力聯(lián)測(cè)各段結(jié)果各儀器之間互差在10×10-8ms-2~30×10-8ms-2之間個(gè)數(shù)逐漸增加；在30×10-8ms-2~40×10-8ms-2之間個(gè)數(shù)逐漸減少；在0~10×10-8ms-2和大于40×10-8ms-2沒有分布，說明野外聯(lián)測(cè)結(jié)果分布符合設(shè)計(jì)要求，儀器穩(wěn)定、狀態(tài)良好、成果穩(wěn)定。由表4、圖1可知，相鄰兩點(diǎn)間段差主要在1000×10-8ms-2~10000×10-8ms-2，其次分布在10000×10-8ms-2~100000×10-8ms-2；小段差（小于100×10-8ms-2）、大段差（247243×10-8ms-2左右）都有分布。這種段差分布對(duì)于高精度相對(duì)重力儀不同讀數(shù)區(qū)間都能較好覆蓋，減少了一次項(xiàng)比例因子外推產(chǎn)生的誤差；段差在1000×10-8ms-2~100000×10-8ms-2之間比較集中，也符合實(shí)際工程中段差的分布，能最大程度地消除工程實(shí)施中儀器一次項(xiàng)比例因子的影響。故該基線及成果滿足高精度相對(duì)重力儀的檢驗(yàn)、一次項(xiàng)比例因子標(biāo)定需要。

3）由表5、圖2可知，各點(diǎn)最終結(jié)果精度都優(yōu)于5×10-8ms-2；集中分布在3×10-8ms-2~5×10-8ms-2之間，精度較高，主要因?yàn)榛鶞?zhǔn)點(diǎn)數(shù)量較多、施測(cè)成果精度較高、空間幾何分布（聯(lián)測(cè)路線）比較合理，同時(shí)相對(duì)重力聯(lián)測(cè)成果精度較好也有一定的作用。3

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

陳紅 - 副教授 - 西南大學(xué)