CG-5相对重力仪野外实验精度分析

针对CG-5相对重力仪零点漂移规律对测量精度的影响及仪器系统阐述欠缺等问题,通过静态、动态和布设相对重力网实验对CG-5相对重力仪进行测试,研究CG-5型相对重力仪的漂移规律、性能及精度。结果表明,仪器的静态零点漂移线性度很好,6d的零漂率变化不大,总体呈下降的趋势。经过零点漂移改正后的动态零漂率很小,仅为5μGal/h,动态实验的动态误差为2.207μGal,在限差10μGal之内。相对重力网平差精度较高,均在限差5μGal之内。CG-5相对重力仪在测试中表现出了较稳定的状态,测得数据精度较高,符合厂商提供的标称精度。     

海空重力测量数据处理关键技术研究

正海空重力测量是以舰船或飞机为载体,应用重力仪(或加速度计)测定海面或近地空中重力加速度的重力测量方法,是目前获取地球重力场中高频信息的两种主要技术手段。本文主要围绕海空重力测量运动载体精密定位、动态环境效应改正、数据滤波、误差分析处理与精度评估、航空重力数据向下延拓及多源数据融合处理等关键技术,开展分析论证、技术攻关和试验验证。论文的主要工作及创新如下:(1)研究了海空重力测量观测模型,完善了航空重力     

海空重力测量平台倾斜改正修正模型

针对现行海空重力测量平台倾斜改正模型存在的近似性问题,提出了顾及地球扰动重力和科里奥利（Coriolis）加速度两个水平分量影响的平台倾斜改正修正模型,从理论上论证了使用修正模型的合理性,通过数值计算评估了使用近似模型可能带来的误差影响量值,同时使用实际观测数据验证了修正模型的有效性,为修改完善海空重力测量作业标准和数据处理模型提供了必要的理论支撑。     

LaCoste & Romberg航空重力仪的零点漂移

概述LaCoste&Romberg(L&R)航空重力仪零点漂移的计算方法。以连续48天的实验室观测数据分析SA-1航空重力仪零点漂移的特点,以野外实测数据计算SA-1和SA-2两套航空重力仪的零点漂移。最后,简要给出航空重力测量数据处理中零点漂移的顾及方法。     

精密重力测量中相对重力仪格值系数的贝叶斯估计方法

相对重力仪的格值系数随时间会发生微小的变化,是影响精密重力测量精度的重要因素。通常需定期对相对重力仪进行专门的基线标定来评估仪器格值系数的变化。本文提出了一种利用重力观测数据进行格值系数评估的新方法,原理是利用测网中已知的多个绝对重力基准点作为先验约束,同时考虑仪器的非线性漂移变化,将格值系数作为超参数,基于贝叶斯原理和赤池贝叶斯信息准则（ABIC）估计最优值。通过对模拟数据的测试,该方法在高斯噪声和仪器非线性漂移等不确定性存在的情况下,可以获得格值系数的准确估计结果。对实测重力数据的测试表明：估计的格值系数与测量前在基线场标定的格值系数差值在5×10^-5以内;而且相较于采用标定不准确的格值系数,该方法可以获得与绝对重力测量结果差异更小的平差重力值。本文研究结果为有效提高精密重力测量的效率和精度提供了方法保障。     

波罗的海高精度海洋重力测量数据处理与分析

海洋重力测量是海洋地区获取高精度、高分辨率地球重力场信息的重要技术方法。研究了波罗的海地区海洋重力测量数据的处理方法,利用测线交叉点处重力测量观测值建立的漂移函数有效减小了重力仪漂移异常的影响,其测量精度达到了0.5 mGal。2017年,海空重力仪Chekan-AM更新以后,其测量稳定性有了显著提高。数据处理结果表明,搭载在常规科考船DENEB的海洋重力测量精度为0.2 mGal,而首次搭载在渡轮URD的海洋重力测量精度为0.6 mGal。根据波罗的海地区局部大地水准面构建的初步结果,证明了获取的海洋重力测量数据对填补数据空白、检测老旧数据以及提高大地水准面精度等方面具有重要作用,研究结果为未来波罗的海地区建立高精度的统一大地水准面提供了数据基础和技术支持。     

船载绝对重力仪测量系统的误差修正模型及不确定度分析

目前的激光干涉绝对重力仪均在静态环境下工作,而动态环境下的绝对重力测量是技术发展的热点之一。船载绝对重力测量能够很好地克服海洋相对重力测量仪器的零漂、标定、误差累积等问题,提高作业效率和可靠性。基于激光干涉绝对重力仪工作原理设计了一个船载绝对重力仪测量系统,该系统由绝对重力测量系统、陀螺仪稳定平台、力平衡式加速度计和GPS（global positioning system）组成。通过对影响船载绝对重力测量系统的垂直波动、纵摇横摇、水平波动以及厄特弗斯效应等4类干扰源进行分析,给出了该系统正常工作的动态限制条件、误差修正方法和修正精度,验证了在现有技术条件下,船载绝对重力仪测量系统的测量精度可以优于±1.1 mGal,为进一步的船载绝对重力测量实验提供理论支撑。     

华南陆地时变重力观测数据质量评估

陆面时变微重力观测常用于监测地壳内部物质变化.仪器不确定性是影响数据质量的重要因素.本文以华南地区2015年至2018年的时变重力观测数据为研究对象,分别从相对重力仪的非线性漂移特征、格值系数变化入手,引入贝叶斯分析方法,量化不确定性来源,并以网内绝对重力观测结果进行交叉检验,评估时变重力数据产品质量.研究表明:华南2015年以来的重力观测质量由于相对重力仪非线性漂移产生的不确定性较弱,格值系数不准确引起的不确定性更大,约为20×10-8 m/s2;通过绝对重力基准约束和贝叶斯优化可以明显提高数据产品精度.本文研究结果对评价陆地重力数据质量,客观地开展重力场变化解释、分析强震孕育和物质变迁等科学问题具有重要的参考价值.     

相对重力测量值的改正

影响相对重力测量精度的主要因素有潮汐、气压、仪器高、零点飘移和地下水变化以及仪器格值函数等.文中研究了在中国重力基本网2000(CGBN2000)精度要求下各影响因素的计算公式和其中存在的问题,给出了一组便于实际测量应用的计算公式;同时对重力仪格值因子的误差和选取、非构造因素中地下水活动等问题进行了讨论.     

FG5绝对重力仪及测点3053的绝对重力测量

介绍了FG5型绝对重力仪的历史、设计特点及其重力确定与改正方法,对测点3053进行了绝对重力测量,分析了观测数据和结果,给出了几点实用的建议。     

海空重力测量及应用技术研究若干进展

总结分析评述了海军重力研究团队在海空重力测量及应用技术研究领域取得的一些有理论意义和实用价值的研究成果,主要涵盖需求论证与顶层设计、观测数据归算与精度评估、测量误差分析处理与分离补偿、地表观测重力向上延拓、航空观测重力向下延拓、海域重力数据模型构建、地球外部重力场逼近和大地水准面精化等8个研究方向,重点从各项关键技术的研究背景、研究思路、难点突破、成果应用前景等几个方面进行了分析和总结,回答了该研究领域涉及理论方法和工程应用的一系列科学问题,为该领域未来发展提供借鉴和参考。     

补偿海空重力测量动态效应剩余影响的通用模型

针对目前作业过程中普遍存在的测量动态环境效应剩余影响问题,在深入分析海空重力测量误差源形成机理及其变化特性基础上,提出了一种适用于补偿各类海空重力仪动态效应剩余影响的通用模型;研究探讨了通用模型形式优选和模型参数估计问题,将基于信息论的Akaike信息量准则引入通用模型表达式的优选过程,提出应用互相关分析方法对模型参数进行估计,在双重约束下构建了补偿动态效应剩余影响的优化模型。使用典型动态环境下的海面重力观测数据对该方法的有效性进行了验证,结果显示,海洋重力测量成果内符合精度从原先的±9.35×10^-5 m/s^2大幅提升到±1.01×10^-5 m/s^2,充分体现了本文方法和模型对消除高动态测量环境效应影响的优良特性。     

航空重力向上延拓的外部精度评估

分别采用基于梯度、基于泊松积分和基于快速傅里叶变换（FFT）的地面重力向上延拓方案,并提出交叉检验方法估计地面重力数据误差及其空中误差传播,对毛乌素测区GT-2A航空重力测量系统采集的空中测线数据进行外符合精度评价。对比结果表明：地面重力格网插值误差和代表性误差对空中点的影响达到0.66~0.92 mGal（1 Gal=1×10^-2 m/s²）,航空重力数据误差估计必须扣除这一影响;基于泊松积分和基于FFT的地面重力向上延拓方法能够客观评价航空重力观测值的外符合精度,二者表现相当;扣除地面重力误差影响后,在包含残余边界效应的情况下,毛乌素测区GT-2A航空重力空中测线重力扰动的外符合精度优于1.42 mGal。     

Flight test results from a strapdown airborne gravity system

In June 1995, a flight test was carried out over the Rocky Mountains to assess the accuracy of airborne gravity for geoid determination. The gravity system consisted of a strapdown inertial navigation system (INS), two GPS receivers with zero baseline on the airplane and multiple GPS master stations on the ground, and a data logging system. To the best of our knowledge, this was the first time that a strapdown INS has been used for airborne gravimetry. The test was designed to assess repeatability as well as accuracy of airborne gravimetry in a highly variable gravity field. An east-west profile of 250 km across the Rocky Mountains was chosen and four flights over the same ground track were made. The flying altitude was about 5.5km, i.e., between 2.5 and 5.0km above ground, and the average flying speed was about 430km/h. This corresponds to a spatial resolution (half wavelength of cutoff frequency) of 5.07.0km when using filter lengths between 90 and 120s. This resolution is sufficient for geoid determination, but may not satisfy other applications of airborne gravimetry. The evaluation of the internal and external accuracy is based on repeated flights and comparison with upward continued ground gravity using a detailed terrain model. Gravity results from repeated flight lines show that the standard deviation between flights is about 2mGal for a single profile and a filter length of 120s, and about 3mGal for a filter length of 90s. The standard deviation of the difference between airborne gravity upward continued ground gravity is about 3mGal for both filter lengths. A critical discussion of these results and how they relate to the different transfer functions applied, is given in the paper. Two different mathematical approaches to airborne scalar gravimetry are applied and compared, namely strapdown inertial scalar gravimetry (SISG) and rotation invariant scalar gravimetry (RISG). Results show a significantly better performance of the SISG approach for a strapdown INS of this accuracy class. Because of major differences in the error model of the two approaches, the RISG method can be used as an effective reliability check of the SISG method. A spectral analysis of the residual errors of the flight profiles indicates that a relative geoid accuracy of 23cm over distances of 200km (0.1 ppm) can be achieved by this method. Since these results present a first data analysis, it is expected that further improvements are possible as more refined modelling is applied. Received: 19 August 1996 / Accepted: 12 May 1997     

顾及误差频谱特性的CHZ重力仪航空应用研究

给出了航空重力测量误差频域分析的方法,利用功率谱密度从频域分析了航空标量重力测量系统恢复重力场的能力及影响因素。介绍了CHZ重力仪的主要特点,并利用实测空中重力异常数据及机载GPS动态加速度数据,结合航空重力测量的频谱范围,分析了CHZ重力仪在不同阻尼系数下的动态性能。计算结果表明,采用合适的阻尼系数,CHZ重力仪能够被用于固定翼飞机的航空重力测量。     

航空重力测量在近海区域的精度评估与分析

利用泊松积分法和点质量法对澳大利亚West Arnhem Land区域的航空重力测量数据进行了精度评估,两种方法得到精度结果基本一致,评估结果表明GT-1A测量系统2′分辨率数据的测量精度优于3×10-5 m/s2,5′分辨率数据的测量精度优于2×10-5 m/s2。利用交叉点平差和泊松积分法、点质量法对渤海区域的航空重力测量进行了内部交叉点平差和外部精度评估,结果表明,内部评估精度与外部评估精度存在一定的差异,以外部评估为准则,CHAGS测量系统在渤海区域5′分辨率的航空重力数据精度优于3.5×10-5 m/s2。综合国内外试验情况分析得到,在近海区域,航空重力数据的分辨率和精度受测量仪器的性能而不同,整体上对于5′分辨率数据而言,可以达到或优于3×10-5 m/s2的精度。     

航空矢量重力测量中光纤陀螺随机漂移误差实时补偿方法

光纤陀螺随机漂移误差是影响航空矢量重力测量系统姿态解算精度的关键因素。建立模型并在输出中对其补偿是抑制该项误差的有效方法。针对传统ARMA模型只能对平稳随机漂移误差建模,且模型无法满足实时滤波需求的问题,本文引入适用于非平稳随机漂移误差的ARIMA模型,同时给出详细的建模过程,并提出采用实时平均算法消除原始采样序列中常值分量的思路,实现了随机漂移误差的实时Kalman滤波估计。基于本文所提出的模型和实时滤波算法,对光纤陀螺实测数据进行分析,结果表明处理后信号中随机漂移误差的方差减小了46.5%。Allan方差分析结果表明,滤波后角度随机游走系数和角速率随机游走系数分别降低了约50%和40%。本文的结果说明ARIMA模型能够准确描述陀螺的非平稳随机漂移误差。基于实时平均算法的Kalman滤波可实现随机漂移误差的在线估计,有望提高航空矢量重力测量系统的姿态解算精度。     

Space-Wise approach for airborne gravity data modelling

Regional gravity field modelling by means of remove-compute-restore procedure is nowadays widely applied in different contexts: it is the most used technique for regional gravimetric geoid determination, and it is also used in exploration geophysics to predict grids of gravity anomalies (Bouguer, free-air, isostatic, etc.), which are useful to understand and map geological structures in a specific region. Considering this last application, due to the required accuracy and resolution, airborne gravity observations are usually adopted. However, due to the relatively high acquisition velocity, presence of atmospheric turbulence, aircraft vibration, instrumental drift, etc., airborne data are usually contaminated by a very high observation error. For this reason, a proper procedure to filter the raw observations in both the low and high frequencies should be applied to recover valuable information. In this work, a software to filter and grid raw airborne observations is presented: the proposed solution consists in a combination of an along-track Wiener filter and a classical Least Squares Collocation technique. Basically, the proposed procedure is an adaptation to airborne gravimetry of the Space-Wise approach, developed by Politecnico di Milano to process data coming from the ESA satellite mission GOCE. Among the main differences with respect to the satellite application of this approach, there is the fact that, while in processing GOCE data the stochastic characteristics of the observation error can be considered a-priori well known, in airborne gravimetry, due to the complex environment in which the observations are acquired, these characteristics are unknown and should be retrieved from the dataset itself. The presented solution is suited for airborne data analysis in order to be able to quickly filter and grid gravity observations in an easy way. Some innovative theoretical aspects focusing in particular on the theoretical covariance modelling are presented too. In the end, the goodness of the procedure is evaluated by means of a test on real data retrieving the gravitational signal with a predicted accuracy of about 0.4 mGal.     

单站GPS确定航空重力测量载体运动加速度的方法与结果分析

飞机运动加速度的测量精度是制约航空重力测量技术发展的主要障碍之一。相较于传统动态差分GPS（differential GPS，DGPS）技术，所提方法采用单站测量模式，无需布设地面基准站。首先通过相位历元间差分解得高精度历元间位移序列，然后结合泰勒一阶中心差分获得载体加速度，重点分析了卫星轨道和卫星钟差对加速度估计的影响，结果表明，不同卫星轨道产品对加速度估计影响较小，而卫星钟差采样率对加速度估计的影响很大。结合中国陕西省境内的GT-2A航空重力测量系统飞行实测数据，利用单站法解算的加速度联合重力和姿态数据解算重力扰动结果与DGPS解算的重力扰动符合较好，当滤波长度为100 s时，两者互差优于1.0 mGal。重力扰动交叉点不符值网平差后，均方根（root mean square，RMS）为1.13 mGal。与地面重力实测值比较的结果表明，所提方法与DGPS方法在精度上基本一致，说明单站法标量航空重力测量是可行的。