近海基准站绝对重力的测定分析*

张宏伟 肖 凡 何志堂 王应建 赵东明 夏 晨

1)解放军61365 部队，天津 300140

2)解放军信息工程大学测绘学院，郑州 450052

3)陕西省测绘局，西安710054

1 引言

中国大陆构造环境监测网络工程(简称陆态网)的科学目标是建成覆盖中国大陆及近海高精度、高时空分辨率和实时动态的四维观测体系，以监测中国大陆构造环境变化。

现陆态网已建成260 个GNSS 基准站，并建成了基本均匀分布于全国的100 个基准站构成的绝对重力基准网，其中约有12 个近海基准站(图1)。由于基准站均为近海基准站，因此我们将着重分析固体潮和海洋负荷潮对绝对重力观测的影响。

2 近海基准站绝对重力测定概况

陆态网12 个近海基准站的绝对重力分别用FG5/214 和FG5/240 绝对重力仪进行测量，其中FG5/214 测定了北海、广州、厦门、平潭、湛江和温州6 个基准站，FG5/240 测定了另外6 个基准站，分别为青岛、永兴岛、上海、琼中、荣成和蓟县站(表1)。北海、平潭、湛江、温州、青岛和荣成等6 个站为陆态网新选基准站，广州、厦门、永兴岛、上海、琼中和蓟县为2000 国家重力基本网和中国地壳运动观测网络共址的基准站，而上海和琼中两个基准站同时还是中国地震重力网的绝对重力点［1，2］。

图1 绝对重力基准站点位分布Fig.1 Distribution of the absolute gravity fiducial stations

表1 近海绝对重力基准站概况Tab.1 General situation of the absolute gravity fiducial stations near ocean

3 绝对重力观测及数据处理

3.1 绝对重力观测

根据陆态网技术要求［3］，绝对重力测定的方法为:有效观测组数为25 组，每小时观测1 组，每组观测起始时刻设置在整点或30 分时刻，每组下落次数为100 次，单次落体测量间隔为10 s;计算每次下落有效高度处的重力观测值，并进行固体潮、海潮、气压、光速有限和极移等改正;计算组均值、组内标准差、总均值、组间标准差和不确定度［3］。

为分析同一项目中执行测定任务的绝对重力仪之间的一致性和系统偏差，测量前FG5/214 和FG5/240 在武汉进行了同址观测，观测结果表明2台仪器的内符合精度均优于2 ×10－8ms－2，互差为1.2 ×10－8ms－2，具有较好的一致性，不存在明显的系统偏差［4－6］。

在观测过程中，FG5/240 还在夏县与FG5/232进行了同址观测，其结果为:两台仪器互差小于5 ×10－8ms－2，仪器性能稳定，无明显系统差。

3.2 重力垂直梯度观测

FG5 绝对重力仪观测得到的绝对重力值为仪器顶部下落位置的重力值，其有效高度为130 ±1.5 cm 处，而通常为了相对重力测量传递和研究方便，会将绝对重力仪测量得到的有效高度处的重力值归算到某基准高度处，典型的基准高度主要有3 个:0、100 和130 cm［6］，因此，需要利用测站的重力垂直梯度值进行归算。

使用两台高精度相对重力仪进行往返测量，每台仪器有效成果数不少于5 个，测定段差中误差不大于±4 ×10－8ms－2。

3.3 观测数据处理及分析

绝对重力仪每次下落过程中采集700 个不同下落高度及其对应时间的“数据对”，舍去开始和末尾各50 个数据后，再拟合解算出每次落体观测的有效高度处的绝对重力值［7］。观测过程中北海基准站有9 组数据被舍弃，分别为第18 ～23 和46 ～48 组;厦门基准站有两组数据被舍弃，为第20 和23 组;荣成有1 组数据被舍弃，为第15 组(表2)。

表2 近海绝对重力基准站观测信息Tab.2 Observation information at the absolute gravity fiducial stations near ocean

1)重力固体潮改正分析

重力固体潮改正采用“g8”软件提供的Berger模型和ETGTAB 模型，Berger 模型中重力潮汐因子取1.155 4;ETGTAB 模型所使用的坐标系为1980参考椭球系统(GRS80)，其基本参数为:长半轴a=6 378 137 m，地心引力常数为398 600.5 × 109m3s－2，扁率f=1/298.257 222 100 882 7，自转角速度ω=7.291 15 ×10－5rad/s，杜森常数为2.627 689 m2s2。表3 为经固体潮模型改正后的绝对重力观测结果的组间标准偏差统计。

2)重力海洋负荷潮改正分析

计算海洋负荷潮对重力影响的公式为

式中，R 为地球半径，ρ0为海水密度，H(θ，λ)为瞬时潮高，G(r－r')为重力格林函数。利用“g8”软件提供的3 种海潮改正模型计算基准站的绝对重力观测结果，其组间标准偏差统计见表3。

表3 不同模型改正后重力观测结果的标准偏差统计(单位:10 －8ms －2)Tab.3 Standard deviations of observational results after corrections by different models(unit:10 －8ms －2)

在12 个近海基准站的改正计算中，永兴岛的海洋负荷潮改正最大，为±10 ×10－8ms－2，蓟县的海洋负荷潮改正最小，为±1 ×10－8ms－2，北海和广州站的海洋负荷潮改正为±2 ×10－8ms－2，其余站均为±5 ×10－8ms－2。北海和广州站海洋负荷潮改正较小的原因是观测时该站处于海洋小潮期间，对绝对重力观测的影响较小，而平潭站即使在小潮期间观测，其海洋负荷潮改正也能达到±5 ×10－8ms－2。从表3 中得出，使用不同海潮模型计算的改正对各基准站重力值的影响小于±1 ×10－8ms－2，组间标准差无明显改变。

3.4 测量精度和不确定度估计

式中:σT为固体潮改正不确定度，取0.001 ×平均固体潮改正值;σL为海洋负荷潮改正不确定度，取0.1×平均海潮负荷;σS为系统设计误差改正不确定度，取1.0;σSS为系统安装不确定度，取1.0;σg为垂直梯度改正不确定度，取0.03 ×垂直高差，垂直高差为仪器有效观测高度减去130 cm;其他参数见文献［2，4，7，8］，表4 为各基准站绝对重力观测值各项不确定度的取值。

表4 近海绝对重力基准站不确定度取值(单位:10 －8ms －2)Tab.4 Uncertainty of the absolute gravity fiducial stations near ocean(unit:10 －8ms －2)

4 基准站绝对重力测量结果分析

4.1 测量结果统计分析

各基准站观测结果的精度如表5。从表5 可以看出，各基准站观测结果的组间标准差均达到规程［3］要求。其中永兴岛最大，为±4.69 ×10－8ms－2，经分析与永兴岛所处环境有关。

4.2 上海绝对重力测定结果分析

由于FG5/240 绝对重力仪在上海基准站进行观测的同时，记录了日本本州南海岸Ms6.0地震产生的同震效应。为此对其观测数据进行详细分析。利用组均值与总均值的差值绘图(图2(a))，其中第15 组数据有大尺度的负变化，达－16.8 ×10－8ms－2，若舍去后则数据质量明显变好(图2(b))，为±4 ×10－8ms－2，因此，我们着重分析第15 组的数据(图2(c))。

从图2(c)可以看出:15 组第30 次观测(北京时间2011-08-01-23:04:55)的重力值开始出现异常，同震振幅最大达1 878 ×10－8ms－2，与地震发生时间相差约7 分钟，并且持续10 分钟以上。

表5 近海基准站绝对重力观测精度Tab.5 Observing accuracies of the absolute gravity fiducial stations near ocean

图2 上海基准站绝对重力观测数据分布Fig.2 Distribution of the absolute gravity data at ShangHai Fiducial Station

4.3 重复测量结果比较

选择蓟县、上海和永兴岛三个基准站的重力重复观测结果进行绘图比较(图3)，结果表明:蓟县、上海和永兴岛三个基准站比较稳定，其成果不确定度均优于5 ×10－8ms－2。

图3 绝对重力复测结果Fig.3 Repeated results of absolute gravity observation

5 结语

1)所有近海基准站绝对重力观测精度均优于±5 ×10－8ms－2，能够为海洋和岛屿的相对重力测量和重力场研究提供基准;

2)海洋负荷潮对近海重力测量的影响较大，在南海区域影响最大，达±10 ×10－8ms－2，在其他海域也能达到±5 ×10－8ms－2以上。目前国际上公布的海潮模型较多，但由表3 可看出对我国近海绝对重力测量的改正都不十分理想，主要是我国海洋区域较大，海潮影响复杂多变，要得到较好的改正效果，需增加验潮站的数量和建立适合我国海潮变化的海潮改正精密模型，同时对绝对重力测量采用延长观测时间或避开大潮观测。

1 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 analysis of absolute gravity surveying result of China earthquake gravity network［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2007，(5):88－93)

2 张为民，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.(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)

4 肖凡，等.FG5 绝对重力仪比对观测数据分析［J］.海洋测绘，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 绝对重力仪232/240 比对结果分析［J］.测绘信息与工程，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 in 3053 station［J］.Journal of Geomatics，2007，32(2):27－29)

7 刘冬至，邢乐林.FG5/232 绝对重力仪的试验观测结果［J］.大地测量与地球动力学，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 杨婕，等.厦门地震台重力仪同震响应特征分析［J］.大地测量与地球动力学，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)