重力测量简介

1、重力测量简介重力测量简介目录目录l重力的相关概念l重力基准l重力测量原理l卫星重力场测量简介一、重力的相关概念一、重力的相关概念万有引力万有引力：质量与质量之间的一种相互吸引力，简称引力。一、重力的相关概念一、重力的相关概念离心力离心力：设坐标系统绕：设坐标系统绕z轴以角速度轴以角速度转动，则转动，则Q点（点（x，y，z）的离）的离心力：心力： 2222sinPxy 2()px iy j离心力为惯性力，但不是物质力，离心力为惯性力，但不是物质力，其方向垂直于自转轴向外，并且其方向垂直于自转轴向外，并且随该点到自转轴距离的增大而增随该点到自转轴距离的增大而增大。大。 一、重力的相关概念一、重力的

2、相关概念重力：重力： GFPamG狭义定义：狭义定义： 地球所有质量对任一质点所地球所有质量对任一质点所产生的引力与该点相对于地球的平均角速产生的引力与该点相对于地球的平均角速度及平均地极的离心力之合力。度及平均地极的离心力之合力。 广义定义：广义定义：宇宙间全部物质对任一质宇宙间全部物质对任一质点所产生的引力和该点相对于地球的点所产生的引力和该点相对于地球的瞬时角速度及瞬时地极的离心力之合瞬时角速度及瞬时地极的离心力之合力力。 一、重力的相关概念一、重力的相关概念l重力的单位一、重力的相关概念一、重力的相关概念l重力异常重力异常重力异常是一个标量，分为重力异常是一个标量，分为大地水准面重力异

3、常大地水准面重力异常和和地面重力异常地面重力异常。一、重力的相关概念一、重力的相关概念一、重力的相关概念一、重力的相关概念二、重力基准二、重力基准世界重力基点：世界重力基点： 世界公认的一个重力起始点世界公认的一个重力起始点维也纳系统（维也纳系统（19001900年年-IUGG-IUGG） 波茨坦系统（波茨坦系统（19091909年年-IUGG,1898-1906-IUGG,1898-1906年）年） 国际重力基准网：国际重力基准网： 19561956年年IAGIAG决定建立世界一等重力网（决定建立世界一等重力网（FOWGNFOWGN） 19671967年年IAGIAG决定在波茨坦绝对重力值中

4、加上决定在波茨坦绝对重力值中加上-14mGal-14mGal作作为新的国际重力基准为新的国际重力基准 19711971年年IUGGIUGG决定采用决定采用IGSN71IGSN71代替波茨坦国际重力基准代替波茨坦国际重力基准 新的波茨坦国际重力基点的值为新的波茨坦国际重力基点的值为 二、重力基准二、重力基准l国际绝对重力基本网（国际绝对重力基本网（IAGBN) 1982年提出了国际绝对重力基本网（年提出了国际绝对重力基本网（IAGBN)的布设方案，的布设方案，IAGBN的主要任务就是长期监的主要任务就是长期监测重力随时间的变化，其次是作为重力测量的测重力随时间的变化，其次是作为重力测量的基准，以

5、及为重力仪标定提供条件。因此，这基准，以及为重力仪标定提供条件。因此，这些点建立后按规则间隔数年进行重复观测。些点建立后按规则间隔数年进行重复观测。1987年年IUGG第第19届大会曾通过决议，建议着届大会曾通过决议，建议着手实施，但现在尚未建立手实施，但现在尚未建立二、重力基准二、重力基准520.2 10 ms5220 10 ms中国的重力基准网：中国的重力基准网：在全国范围内提供各种目的在全国范围内提供各种目的重力测量的基准和最高一级控制重力测量的基准和最高一级控制 中国曾在中国曾在19571957年建成第一个国家年建成第一个国家5757重力基本网，它的平均重力基本网，它的平均联测精度为联

6、测精度为: : 19851985年中国又新建了国家年中国又新建了国家8585重力基本网，其平均联测重力基本网，其平均联测精度较之精度较之“5757网网”提高一个数量级，达到提高一个数量级，达到 的精度的精度, ,该网改正了波茨坦系统的系统误差，增测了该网改正了波茨坦系统的系统误差，增测了绝对重力基准点，加大了基本点的密度。绝对重力基准点，加大了基本点的密度。 二、重力基准二、重力基准中国中国2000重力基本网重力基本网 825 10 ms 覆盖了中国的全部领土（除台湾外，包含南海海域和香港、覆盖了中国的全部领土（除台湾外，包含南海海域和香港、澳门特别行政区）。全网由澳门特别行政区）。全网由13

7、3133个点组成，其中有个点组成，其中有1717个基准个基准点（绝对重力点）和点（绝对重力点）和116116个基本点（相对重力联测点）。为个基本点（相对重力联测点）。为便于今后联测和作为基本点的备用点，对便于今后联测和作为基本点的备用点，对116116个基本点每点个基本点每点布设了一个引点。布设了一个引点。重力基准点的观测精度优于重力基准点的观测精度优于 重力基本点的相对观测精度优于重力基本点的相对观测精度优于 ，平差后重力基平差后重力基本网的中误差不大于本网的中误差不大于 。 -8210 10 ms 8210 10 m s 三、重力测量原理三、重力测量原理l测量方式测量方式：绝对重力测量和相

8、对重力测量：绝对重力测量和相对重力测量l（1）绝对重力测量绝对重力测量：用仪器直接测定地面上某点的用仪器直接测定地面上某点的绝对重力值。地球表面上的绝对重力值约在绝对重力值。地球表面上的绝对重力值约在978983Gal。l（2）相对重力测量相对重力测量：用仪器测定地面上两点之间的用仪器测定地面上两点之间的重力差值。地球表面上的最大重力差约重力差值。地球表面上的最大重力差约5000mGal。l（3）固定台站重力测量固定台站重力测量：观测重力随时间的变化。：观测重力随时间的变化。l（4）流动站重力测量流动站重力测量：观测重力随空间位置的变化观测重力随空间位置的变化三、重力测量原理三、重力测量原理重

9、力测量原理重力测量原理 动力法：动力法：观测物体的运动状态以测定重力，可应用于绝对重力测量和相观测物体的运动状态以测定重力，可应用于绝对重力测量和相对重力测量对重力测量。静力法：静力法：它是观测物体受力平衡，量测物体平衡位置受重力变化而产生它是观测物体受力平衡，量测物体平衡位置受重力变化而产生的位移来测定两点的重力差，该方法只能用于相对重力测量。的位移来测定两点的重力差，该方法只能用于相对重力测量。重力测量类型：重力测量类型：陆地重力测量、海洋重力测量、航空（或机载）重力测陆地重力测量、海洋重力测量、航空（或机载）重力测量、卫星重力测量（地面跟踪观测卫星轨道摄动、卫星雷达测高、卫星量、卫星重力

10、测量（地面跟踪观测卫星轨道摄动、卫星雷达测高、卫星跟踪卫星测量、卫星重力梯度测量）。跟踪卫星测量、卫星重力梯度测量）。绝对重力测量绝对重力测量l自由落体测绝对重力（自由落体三位置法）绝对重力测量绝对重力测量绝对重力测量绝对重力测量l现代绝对重力测量仪器大多是利用自由落体的原理来测量重力的。用激光干涉技术精密地测量距离，用极为准确的时钟和电子设备测定时间。因此，最新的现代绝对重力仪，如FG5类型已经达到微伽级别精度。我国计量科学研究所研制的NIM型绝对重力仪和NIM-2绝对重力仪的精度约为15微伽。摆仪法仪器操作复杂，精确测定摆长比较困难，精度较低，因此很少使用。相对重力测量相对重力测量l相对重

11、力测量相对重力测量：由重力基准点，根据两地的重由重力基准点，根据两地的重力差值，推求其它点重力的方法。力差值，推求其它点重力的方法。l相对重力测量的方法主要有两种：动力法和相对重力测量的方法主要有两种：动力法和静静力法力法l原理原理：弹性体在重力下发生形变，而弹性体所弹性体在重力下发生形变，而弹性体所受到的弹性力与重力平衡时，则弹性体处于某受到的弹性力与重力平衡时，则弹性体处于某一平衡位置，当重力改变时，则弹性体的平衡一平衡位置，当重力改变时，则弹性体的平衡位置就有所改变观测弹性体两次平衡位置的变位置就有所改变观测弹性体两次平衡位置的变化就可以测定两点的重力差。化就可以测定两点的重力差。相对重

12、力测量相对重力测量卫星重力场测量卫星重力场测量l测量地球重力场的方法：-利用重力仪进行地球表面重力观测-海洋地区的卫星测高-卫星轨道追踪分析得到地球重力场模型卫星重力场测量卫星重力场测量l卫星测高技术卫星测高是在卫星上安置雷达测高仪或激光测高仪，卫星测高是在卫星上安置雷达测高仪或激光测高仪，直接测定卫星至其海面星下点的距离，并利用卫星的直接测定卫星至其海面星下点的距离，并利用卫星的在轨位置确定其星下点的大地高。在轨位置确定其星下点的大地高。70年代开始出现卫年代开始出现卫星雷达测高，至今发展了多代卫星测高系统，用于精星雷达测高，至今发展了多代卫星测高系统，用于精确测定平均海平面的大地高，确定海

13、洋大地水准面和确测定平均海平面的大地高，确定海洋大地水准面和海洋重力异常，分辨率可优于海洋重力异常，分辨率可优于10公里，精度优于分米公里，精度优于分米级。联合级。联合SLR低阶重力场模型，至今已建立和发展了低阶重力场模型，至今已建立和发展了多个高阶地球重力场模型。多个高阶地球重力场模型。卫星重力场测量卫星重力场测量l卫星轨道追踪技术测定地球重力场 利用地面观测站对卫星进行追踪观测，可以计算出卫星轨道。通过对卫星轨道的分析（主要以球函数展开系数的形式表示）得到重力场模型。目前，应用地面观测站对多颗卫星的跟踪数据探测地球重力场加上激光测卫数据和卫星测高数据，先后求得了3670阶的卫星重力场模型。

14、 应用卫星进行重力测量的最大弱点就是卫星高度处的重力衰减问题。克服重力衰减最有效的方法就是采用低轨卫星。卫星重力场测量卫星重力场测量l卫星跟踪卫星（SST）测定地球重力场 SST测量两个卫星之间的距离、距离变化或加速度差值，其观测数能有效地提高中频重力位系数的精度。1975年，NASA进行了首次高低SST试验，在中太平洋采集了40个周期的测量数据，其距离变化率的测量精度为0.3 mm/s，由此求得的重力异常的精度在卫星高度上（约840 km）达到毫伽级。随后又进行了高低SST和低低SST两种模式的试验，所得到的重力异常的精度达到5 mGal。卫星重力场测量卫星重力场测量l1、高卫星与低卫星、高

15、卫星与低卫星SST-CHAMP研究背景研究背景地球是一个由固态、流体和气态物质构成的复杂系统。其地球是一个由固态、流体和气态物质构成的复杂系统。其中发生的相互作用是在相差悬殊的时标下进行的。客观描中发生的相互作用是在相差悬殊的时标下进行的。客观描述这种复杂系统必须有全球性的、长期的观测资料积累述这种复杂系统必须有全球性的、长期的观测资料积累,而而通过近地卫星观测是系统地获取全球性观测数据的有效途通过近地卫星观测是系统地获取全球性观测数据的有效途径。在径。在1994年之前年之前,除了除了19791980年期间的年期间的MAGSAT磁磁场计划场计划,几乎没有实施过专门针对地球磁场、重力场研究的几乎

16、没有实施过专门针对地球磁场、重力场研究的空间飞行项目。空间飞行项目。正是在这种情况下正是在这种情况下,1994年年,德国的波茨坦地球科学研究德国的波茨坦地球科学研究中心中心(GFZGeoForschungsZentrum Potsdam)提出实提出实施施CHAMP（Challenging Minisatellite Payload的简称,即富有挑战性的小型卫星有效载荷）卫星计划。卫星计划。CHAMP卫星结构示意图星载设备： CHAMP卫星轨道示意图卫星轨道示意图CHAMP卫星工作原理图卫星工作原理图地球地球GPS卫星卫星3轴加速度计轴加速度计CHAMP卫星工作原理卫星工作原理CHAMP卫星预期

17、任务卫星预期任务卫星重力场测量卫星重力场测量2、低卫星与低卫星SST-GRACEGRACE卫星重力计划卫星重力计划 GRACE重力卫星计划由美国国家宇航署重力卫星计划由美国国家宇航署(NASA)和德国空间飞行中心和德国空间飞行中心(DLR)联合开发，旨在获取地联合开发，旨在获取地球重力场的中长波部分及全球重力场的时变特征，球重力场的中长波部分及全球重力场的时变特征，并可用于探测大气和电离层环境。并可用于探测大气和电离层环境。 GRACE重力卫星计划的工程管理由美国喷气动重力卫星计划的工程管理由美国喷气动力实验室力实验室(JPL)负责。负责。 科学数据处理、分发与管理由美国喷气动力实验科学数据处

18、理、分发与管理由美国喷气动力实验室室(JPL)、德克萨斯大学空间研究中心、德克萨斯大学空间研究中心(CSR)和德和德国地学研究中心国地学研究中心(GFZ)共同承担共同承担.GRACE卫星结构图卫星结构图星载设备：GPS接受机；高精度的微波测量装置；测量非保守力的加速度计;恒星敏感器卫星进入轨道后飞行示意图卫星进入轨道后飞行示意图GRACE卫星工作原理图卫星工作原理图GPS卫星卫星GPS地面站地面站重力异常重力异常微波测距微波测距GRACE卫星工作原理卫星工作原理l以以SST-hl模式测量轨道的摄动模式测量轨道的摄动,由此也可换算出引力场。由此也可换算出引力场。l改进的三轴加速度计。改进的三轴加速度计。l用用K-频带频带1840GHz测距系统连续不断地测定测距系统连续不断地测定2颗卫星颗卫星之间的距离之间的距离,测量精度优于测量精度优于10m。两星间的距离变化。两星间的距离变化反映两星感受到的引力的变化反映两星感受到的引力的变化,也就是说也就是说,2颗卫星之间颗卫星之间距离的变化是地球引力场特征的一种直接的度量。用距离的变化是地球引力场特征的一种直接的度量。用一颗低空卫星追踪另一颗低空卫星以导出地球引力异一颗低空卫星追踪另一颗低空卫星以导出地球引力异常常,这种方案称为这种方案称为SST-ll（Satellite-to-SatelliteTrackinginlow-lowmo