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1、重力测量简介,目录,重力的相关概念重力基准重力测量原理卫星重力场测量简介,一、重力的相关概念,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,离心力：设坐标系统绕z轴以角速度转动，则Q点（x，y，z）的离心力：,离心力为惯性力，但不是物质力，其方向垂直于自转轴向外，并且随该点到自转轴距离的增大而增大。,一、重力的相关概念,重力：,狭义定义： 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度及平均地极的离心力之合力。,广义定义：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瞬时角速度及瞬时地极的离心力之合力。,一、重力的相关概念,重力的单位,一、重
2、力的相关概念,重力异常 重力异常是一个标量，分为大地水准面重力异常和地面重力异常。,一、重力的相关概念,一、重力的相关概念,二、重力基准,世界重力基点： 世界公认的一个重力起始点,维也纳系统（1900年-IUGG）,波茨坦系统（1909年-IUGG,1898-1906年）,国际重力基准网：,1956年IAG决定建立世界一等重力网（FOWGN）,1967年IAG决定在波茨坦绝对重力值中加上-14mGal作为新的国际重力基准,1971年IUGG决定采用IGSN71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,二、重力基准,国际绝对重力基本网（IAGBN) 1982年提出了国际绝对重力基本网
3、（IAGBN)的布设方案，IAGBN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。1987年IUGG第19届大会曾通过决议，建议着手实施，但现在尚未建立,二、重力基准,中国的重力基准网：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,中国曾在1957年建成第一个国家57重力基本网，它的平均联测精度为:,1985年中国又新建了国家85重力基本网，其平均联测精度较之“57网”提高一个数量级，达到 的精度,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。,二、重力基准,中国20
4、00重力基本网,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133个点组成，其中有17个基准点（绝对重力点）和116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116个基本点每点布设了一个引点。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 ，平差后重力基本网的中误差不大于 。,三、重力测量原理,测量方式：绝对重力测量和相对重力测量（1）绝对重力测量：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978983Gal。（2）相对重力测量：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5000mGal。（
5、3）固定台站重力测量：观测重力随时间的变化。（4）流动站重力测量：观测重力随空间位置的变化,三、重力测量原理,重力测量原理,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对重力测量。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：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、卫星跟踪卫星测量、卫星重力梯度测量）。,绝对重力测量,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,现代绝对重力测量仪器大多是利用自由落体的原理
6、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：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。相对重力测量的方法主要有两种：动力法和静力法原理：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化就可以测定两点的
7、重力差。,相对重力测量,卫星重力场测量,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，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。70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10公里，精度优于分米级。联合SLR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。,卫星重力场测量,卫星轨道追踪技术测定地球重力场 利用地面观测站对
8、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。 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
9、 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,1、高卫星与低卫星SST-CHAMP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,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径。在1994年之前,除了19791980年期间的MAGSAT磁场计划,几乎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。 正是在这种情况下,1994年,德国
10、的波茨坦地球科学研究中心(GFZGeoForschungsZentrum Potsdam)提出实施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。,CHAMP卫星结构示意图,星载设备：GPS接受机；加速度计；恒星敏感器；SLR反射棱镜；地磁场探测仪；,CHAMP卫星轨道示意图,Global network of the International Laser Ranging Service (ILRS) (yellow) CHAMP downlink station coverage (blue),CHAMP卫星工
11、作原理图,用星载GPS接收机,连续不断地、精确地确定CHAMP卫星的位置,用轨道摄动的数据推算引力异常。这种用高空卫星来追踪低空卫星以导出地球引力异常的方案称为SST-hl （satellite-to-satellite tracking in the high-low mode）。用三轴加速度计来测量作用于卫星的非引力加速度,如空气阻力、地球反照和太阳辐射等,以获得仅仅由地球引力异常导致的轨道偏移。用一组星光仪确定卫星相对于惯性参考系的姿态。,CHAMP卫星工作原理,CHAMP卫星预期任务,通过卫星轨道扰动分析得到中、长期地球重力场的静态和动态模型(至l=50,m=50;或者40001000
12、 km的空间解析度),该模型可以应用于地球物理学、大地测量学和海洋学。全球电磁场分布图及其在地球物理学和日地物理学中的应用。大气层和电离层探测及其在全球气候研究、天气预报、灾害研究和导航中的应用。,卫星重力场测量,2、低卫星与低卫星SST-GRACE,GRACE卫星重力计划,GRACE重力卫星计划由美国国家宇航署(NASA)和德国空间飞行中心(DLR)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，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力实验室(JPL)负责。 科学数据处理、分发与管理由美国喷气动力实验室(JPL)、德克萨斯大学空间研究中心
13、(CSR)和德国地学研究中心(GFZ)共同承担.,GRACE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,GRACE卫星工作原理图,GPS 卫星,GPS 地面站,重力异常,微波测距,GRACE卫星工作原理,以SST-hl模式测量轨道的摄动,由此也可换算出引力场。改进的三轴加速度计。用K-频带1840GHz测距系统连续不断地测定2颗卫星之间的距离,测量精度优于10m。两星间的距离变化反映两星感受到的引力的变化,也就是说, 2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。用一颗低空卫星追踪另一颗低空卫星以导出地球引力
14、异常,这种方案称为SST-ll（Satellite-to-Satellite Tracking in low-low mode）。,卫星重力梯度（SGG）测定地球重力场,卫星重力梯度SGG-GOCE,GOCE卫星研究背景,虽然CHAMP和GRACE卫星具有不同的轨道高度，由此产生不同的轨道扰动波谱，互相取长补短，可以给出一个非常可靠的高精度长波重力场模型，但是它们无法得到高精度的短波重力场，因此也不可能得出一个精确的全球重力场模型和精化的全球大地水准面。总的来说，CHAMP卫星是一次概念性的试验，而CRACE卫星则提供了高精度的静态中长波重力场及重力场的时变信息同。现代大地测量、地球物理、地球
15、动力学和海洋学等相关地学学科的发展均迫切需要得到更加精细的全波段地球重力场和厘米级大地水准面支持，为了满足上述需求，欧空局(ESA)研制了最新的重力卫星GOCE，用于测定较高空间分辨率的重力场。,GOCE卫星的结构图,1.固定的太阳能阵列机翼2.星体太阳能阵列3.尾鳍稳定装置4.重力梯度仪5.离子推进装置6.S波段天线7.GPS接受机,GOCE卫星进入预期轨道后,GOCE卫星科学目标,1.测定高精度和高空间分辨率静态重力场一大地水准面和重力异常，提供最新的具有高空间解析度、高精度的全球重力场模型和大地水准面。空间解析度(半波长)将达20080km，最高可达65km，因而有望恢复250阶地球重力
16、场模型和1cm精度的大地水准面，空间重力异常可达12magls。2.丰富地球物理学中关于地球内部的知识，使人们对地球内部的结构、物质组成、密度结构变化有更加深入的了解。3.精确测定海洋的水准面，结合卫星测高定量确定海洋的洋流以及海洋上热量的传递。4.为地貌、地形等学科提供较好的用于数据连接的海拔参考系，以实现不同高程系统之间的链接，从而更好地确定地形的起伏变化，为大地测量服务。5.通过与岩床地形学结合，精确估计两极冰盖的厚度，为研究冰盖变化提供依据。,GOCE卫星工作原理图,GOCE卫星工作原理,卫星上装载2台关键的仪器:一台是用于大地测量的GPS/GLONASS接收机,确定轨道的精度为几个厘
17、米,GLONASS是全球导航卫星系统(global navigation satellite system)的英文缩写,是苏联研制的导航系统,非常类似于GPS,由轨道的摄动可换算出中、长波长的引力场,最高球谐约60阶次;一台引力梯度仪(由三对伺服控制电容加速度计组成,每一对加速度计的距离为0. 5 m)测量3个坐标轴方向引力位的二阶导数,换算出引力场的中、短波长成分,其噪声水平低于3 mE(310-12s-2,mE:milli Eotvos毫厄缶),可以测量10-13m/s2数量级的加速度。由于卫星轨道较低,测量引力梯度的灵敏度较高GOCE确定大地水准面的准确度为1 cm,确定引力的准确度为1
18、10-5m/s2,空间分辨力为100 km。在卫星上装载引力梯度仪直接测量引力位的二阶导数,再换算出引力场,这种方案称为卫星重力测量SGG。GOCE是第一次实现SGG方案的代表,而且是一颗低轨道卫星,适合发现地球引力场的中、短波长成分。,三颗卫星重力计划比较,我国卫星重力场测量系统项目的发展规划,主要任务目的：测量地球重力场的中长波分量。测量模式：混合卫-卫跟踪测量模式。主要有效载荷：静电悬浮加速度计、K波段星间测距仪、双频GPS/GLONASS接收机和星载激光反射器。K波段星间测距仪用于实现两颗低轨重力卫星之间跟踪测量，双频GPS/GLONASS接收机用于实现低轨重力卫星和高轨GPS/GLO
19、NASS卫星之间的跟踪测量，星间激光反射器主要用于轨道模型的检验。运载与发射方式：“CZ4B”运载火箭，“一箭双星”发射。发射基地：山西太原卫星发射中心。发射时间：预计2017年。,第1代卫星重力测量系统方案,我国卫星重力场测量系统项目的发展规划,主要任务目的：测量地球重力场的高频部分；其它相关任务(待定)。测量模式：高低卫-卫跟踪测量模式。主要有效载荷：重力梯度仪、双频GPS/GLONASS接收机和重力梯度仪用于星内重力位原位测量，双频力卫星和高轨GPS/GLONASS卫星之间的跟踪测的检验。运载与发射方式：“CZ4B”运载火箭。发射基地：山西太原卫星发射中心。发射时间：预计2021年。,第2代卫星重力测量系统方案,谢谢！,
