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重力測量簡介 目錄 重力的相關(guān)概念 重力基準(zhǔn) 重力測量原理 衛(wèi)星重力場測量簡介 一、重力的相關(guān)概念 萬有引力：質(zhì)量與質(zhì)量之間的一種相互吸引力，簡稱引力。 一、重力的相關(guān)概念 離心力：設(shè)坐標(biāo)系統(tǒng)繞z軸以角速度轉(zhuǎn)動，則Q點（x，y，z）的離心力：       一、重力的相關(guān)概念 重力：                       一、重力的相關(guān)概念 重力的單位 一、重力的相關(guān)概念 重力異常 重力異常是一個標(biāo)量，分為大地水準(zhǔn)面重力異常和地面重力異常。 一、重力的相關(guān)概念 一、重力的相關(guān)概念 二、重力基準(zhǔn) 二、重力基準(zhǔn) 國際絕對重力基本網(wǎng)（IAGBN) 1982年提出了國際絕對重力基本網(wǎng)（IAGBN)的布設(shè)方案，IAGBN的主要任務(wù)就是長期監(jiān)測重力隨時間的變化，其次是作為重力測量的基準(zhǔn)，以及為重力儀標(biāo)定提供條件。因此，這些點建立后按規(guī)則間隔數(shù)年進(jìn)行重復(fù)觀測。1987年IUGG第19屆大會曾通過決議，建議著手實施，但現(xiàn)在尚未建立 二、重力基準(zhǔn) 二、重力基準(zhǔn) 中國2000重力基本網(wǎng) 三、重力測量原理 測量方式：絕對重力測量和相對重力測量 （1）絕對重力測量：用儀器直接測定地面上某點的絕對重力值。地球表面上的絕對重力值約在978～983Gal。 （2）相對重力測量：用儀器測定地面上兩點之間的重力差值。地球表面上的最大重力差約5000mGal。 （3）固定臺站重力測量：觀測重力隨時間的變化。 （4）流動站重力測量：觀測重力隨空間位置的變化 三、重力測量原理 重力測量原理 絕對重力測量 自由落體測絕對重力（自由落體三位置法） 絕對重力測量 絕對重力測量 現(xiàn)代絕對重力測量儀器大多是利用自由落體的原理來測量重力的。用激光干涉技術(shù)精密地測量距離，用極為準(zhǔn)確的時鐘和電子設(shè)備測定時間。因此，最新的現(xiàn)代絕對重力儀，如FG5類型已經(jīng)達(dá)到微伽級別精度。我國計量科學(xué)研究所研制的NIM型絕對重力儀和NIM-2絕對重力儀的精度約為15微伽。擺儀法儀器操作復(fù)雜，精確測定擺長比較困難，精度較低，因此很少使用。 相對重力測量 相對重力測量：由重力基準(zhǔn)點，根據(jù)兩地的重力差值，推求其它點重力的方法。 相對重力測量的方法主要有兩種：動力法和靜力法 原理：彈性體在重力下發(fā)生形變，而彈性體所受到的彈性力與重力平衡時，則彈性體處于某一平衡位置，當(dāng)重力改變時，則彈性體的平衡位置就有所改變觀測彈性體兩次平衡位置的變化就可以測定兩點的重力差。 相對重力測量 衛(wèi)星重力場測量 測量地球重力場的方法： --利用重力儀進(jìn)行地球表面重力觀測 --海洋地區(qū)的衛(wèi)星測高 --衛(wèi)星軌道追蹤分析得到地球重力場模型 衛(wèi)星重力場測量 衛(wèi)星測高技術(shù) 衛(wèi)星測高是在衛(wèi)星上安置雷達(dá)測高儀或激光測高儀，直接測定衛(wèi)星至其海面星下點的距離，并利用衛(wèi)星的在軌位置確定其星下點的大地高。70年代開始出現(xiàn)衛(wèi)星雷達(dá)測高，至今發(fā)展了多代衛(wèi)星測高系統(tǒng)，用于精確測定平均海平面的大地高，確定海洋大地水準(zhǔn)面和海洋重力異常，分辨率可優(yōu)于10公里，精度優(yōu)于分米級。聯(lián)合SLR低階重力場模型，至今已建立和發(fā)展了多個高階地球重力場模型。 衛(wèi)星重力場測量 衛(wèi)星軌道追蹤技術(shù)測定地球重力場 利用地面觀測站對衛(wèi)星進(jìn)行追蹤觀測，可以計算出衛(wèi)星軌道。通過對衛(wèi)星軌道的分析（主要以球函數(shù)展開系數(shù)的形式表示）得到重力場模型。目前，應(yīng)用地面觀測站對多顆衛(wèi)星的跟蹤數(shù)據(jù)探測地球重力場加上激光測衛(wèi)數(shù)據(jù)和衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)，先后求得了36~70階的衛(wèi)星重力場模型。 應(yīng)用衛(wèi)星進(jìn)行重力測量的最大弱點就是衛(wèi)星高度處的重力衰減問題�？朔�重力衰減最有效的方法就是采用低軌衛(wèi)星。 衛(wèi)星重力場測量 衛(wèi)星跟蹤衛(wèi)星（SST）測定地球重力場 SST測量兩個衛(wèi)星之間的距離、距離變化或加速度差值，其觀測數(shù)能有效地提高中頻重力位系數(shù)的精度。1975年，NASA進(jìn)行了首次高低SST試驗，在中太平洋采集了40個周期的測量數(shù)據(jù)，其距離變化率的測量精度為0.3 mm/s，由此求得的重力異常的精度在衛(wèi)星高度上（約840 km）達(dá)到毫伽級。隨后又進(jìn)行了高低SST和低低SST兩種模式的試驗，所得到的重力異常的精度達(dá)到5 mGal。 衛(wèi)星重力場測量 1、高衛(wèi)星與低衛(wèi)星SST-CHAMP 研究背景 地球是一個由固態(tài)、流體和氣態(tài)物質(zhì)構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)。其中發(fā)生的相互作用是在相差懸殊的時標(biāo)下進(jìn)行的�？陀^描述這種復(fù)雜系統(tǒng)必須有全球性的、長期的觀測資料積累，而通過近地衛(wèi)星觀測是系統(tǒng)地獲取全球性觀測數(shù)據(jù)的有效途徑。在1994年之前，除了1979—1980年期間的MAGSAT磁場計劃，幾乎沒有實施過專門針對地球磁場、重力場研究的空間飛行項目。 正是在這種情況下，1994年，德國的波茨坦地球科學(xué)研究中心(GFZ——GeoForschungsZentrum Potsdam)提出實施CHAMP（Challenging Minisatellite Payload的簡稱，即富有挑戰(zhàn)性的小型衛(wèi)星有效載荷）衛(wèi)星計劃。 CHAMP衛(wèi)星結(jié)構(gòu)示意圖 CHAMP衛(wèi)星軌道示意圖 CHAMP衛(wèi)星工作原理圖 CHAMP衛(wèi)星工作原理 用星載GPS接收機(jī)，連續(xù)不斷地、精確地確定CHAMP衛(wèi)星的位置，用軌道攝動的數(shù)據(jù)推算引力異常。這種用高空衛(wèi)星來追蹤低空衛(wèi)星以導(dǎo)出地球引力異常的方案稱為SST-hl （satellite-to-satellite tracking in the high-low mode）。 用三軸加速度計來測量作用于衛(wèi)星的非引力加速度，如空氣阻力、地球反照和太陽輻射等，以獲得僅僅由地球引力異常導(dǎo)致的軌道偏移。 用一組星光儀確定衛(wèi)星相對于慣性參考系的姿態(tài)。 CHAMP衛(wèi)星預(yù)期任務(wù) 通過衛(wèi)星軌道擾動分析得到中、長期地球重力場的靜態(tài)和動態(tài)模型(至l=50，m=50;或者4000~1000 km的空間解析度)，該模型可以應(yīng)用于地球物理學(xué)、大地測量學(xué)和海洋學(xué)。 全球電磁場分布圖及其在地球物理學(xué)和日地物理學(xué)中的應(yīng)用。 大氣層和電離層探測及其在全球氣候研究、天氣預(yù)報、災(zāi)害研究和導(dǎo)航中的應(yīng)用。 衛(wèi)星重力場測量 2、低衛(wèi)星與低衛(wèi)星SST-GRACE GRACE衛(wèi)星結(jié)構(gòu)圖 衛(wèi)星進(jìn)入軌道后飛行示意圖 GRACE衛(wèi)星工作原理圖 GRACE衛(wèi)星工作原理 以SST-hl模式測量軌道的攝動，由此也可換算出引力場。 改進(jìn)的三軸加速度計。 用K-頻帶18~40GHz測距系統(tǒng)連續(xù)不斷地測定2顆衛(wèi)星之間的距離，測量精度優(yōu)于10µm。兩星間的距離變化反映兩星感受到的引力的變化，也就是說， 2顆衛(wèi)星之間距離的變化是地球引力場特征的一種直接的度量。用一顆低空衛(wèi)星追蹤另一顆低空衛(wèi)星以導(dǎo)出地球引力異常，這種方案稱為SST-ll（Satellite-to-Satellite Tracking in low-low mode）。 衛(wèi)星重力梯度（SGG）測定地球重力場 衛(wèi)星重力梯度SGG-GOCE GOCE衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)圖 GOCE衛(wèi)星進(jìn)入預(yù)期軌道后 GOCE衛(wèi)星科學(xué)目標(biāo) 1.測定高精度和高空間分辨率靜態(tài)重力場一大地水準(zhǔn)面和重力異常，提供最新的具有高空間解析度、高精度的全球重力場模型和大地水準(zhǔn)面�？臻g解析度(半波長)將達(dá)200~80km，最高可達(dá)65km，因而有望恢復(fù)250階地球重力場模型和1cm精度的大地水準(zhǔn)面，空間重力異常可達(dá)1~2magls。 2.豐富地球物理學(xué)中關(guān)于地球內(nèi)部的知識，使人們對地球內(nèi)部的結(jié)構(gòu)、物質(zhì)組成、密度結(jié)構(gòu)變化有更加深入的了解。 3.精確測定海洋的水準(zhǔn)面，結(jié)合衛(wèi)星測高定量確定海洋的洋流以及海洋上熱量的傳遞。 4.為地貌、地形等學(xué)科提供較好的用于數(shù)據(jù)連接的海拔參考系，以實現(xiàn)不同高程系統(tǒng)之間的鏈接，從而更好地確定地形的起伏變化，為大地測量服務(wù)。 5.通過與巖床地形學(xué)結(jié)合，精確估計兩極冰蓋的厚度，為研究冰蓋變化提供依據(jù)。 GOCE衛(wèi)星工作原理圖 GOCE衛(wèi)星工作原理 衛(wèi)星上裝載2臺關(guān)鍵的儀器:一臺是用于大地測量的GPS/GLONASS接收機(jī)，確定軌道的精度為幾個厘米，GLONASS是全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system)的英文縮寫，是蘇聯(lián)研制的導(dǎo)航系統(tǒng)，非常類似于GPS，由軌道的攝動可換算出中、長波長的引力場，最高球諧約60階次; 一臺引力梯度儀(由三對伺服控制電容加速度計組成，每一對加速度計的距離為0. 5 m)測量3個坐標(biāo)軸方向引力位的二階導(dǎo)數(shù)，換算出引力場的中、短波長成分，其噪聲水平低于3 mE(3×10-12s-2，mE:milli Eotvos毫厄缶)，可以測量10-13m/s2數(shù)量級的加速度。由于衛(wèi)星軌道較低，測量引力梯度的靈敏度較高GOCE確定大地水準(zhǔn)面的準(zhǔn)確度為1 cm，確定引力的準(zhǔn)確度為1×10-5m/s2，空間分辨力為100 km。 在衛(wèi)星上裝載引力梯度儀直接測量引力位的二階導(dǎo)數(shù)，再換算出引力場，這種方案稱為衛(wèi)星重力測量SGG。GOCE是第一次實現(xiàn)SGG方案的代表，而且是一顆低軌道衛(wèi)星，適合發(fā)現(xiàn)地球引力場的中、短波長成分。 三顆衛(wèi)星重力計劃比較 我國衛(wèi)星重力場測量系統(tǒng)項目的發(fā)展規(guī)劃 主要任務(wù)目的：測量地球重力場的中長波分量。 測量模式：混合衛(wèi)-衛(wèi)跟蹤測量模式。 主要有效載荷：靜電懸浮加速度計、K波段星間測距儀、雙頻GPS/GLONASS接收機(jī)和星載激光反射器。K波段星間測距儀用于實現(xiàn)兩顆低軌重力衛(wèi)星之間跟蹤測量，雙頻GPS/GLONASS接收機(jī)用于實現(xiàn)低軌重力衛(wèi)星和高軌GPS/GLONASS衛(wèi)星之間的跟蹤測量，星間激光反射器主要用于軌道模型的檢驗。 運載與發(fā)射方式：“CZ－4B”運載火箭，“一箭雙星”發(fā)射。 發(fā)射基地：山西太原衛(wèi)星發(fā)射中心。 發(fā)射時間：預(yù)計2017年。 我國衛(wèi)星重力場測量系統(tǒng)項目的發(fā)展規(guī)劃 主要任務(wù)目的：測量地球重力場的高頻部分；其它相關(guān)任務(wù)(待定)。 測量模式：高低衛(wèi)-衛(wèi)跟蹤測量模式。 主要有效載荷：重力梯度儀、雙頻GPS/GLONASS接收機(jī)和重力梯度儀用于星內(nèi)重力位原位測量，雙頻力衛(wèi)星和高軌GPS/GLONASS衛(wèi)星之間的跟蹤測的檢驗。 運載與發(fā)射方式：“CZ－4B”運載火箭。 發(fā)射基地：山西太原衛(wèi)星發(fā)射中心。 發(fā)射時間：預(yù)計2021年。sDK紅軟基地

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