航空重力測量技術(shù)及應(yīng)用研究

劉站科

自然資源部第一大地測量隊，陜西 西安 710054

精細(xì)化的重力場信息我國現(xiàn)代國家測繪基準(zhǔn)體系中不可或缺的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)，航空重力測量是提升國家高程基準(zhǔn)水平的主要手段和必由之路，航空重力測量理論方法得到國內(nèi)外學(xué)者廣泛而深入的研究。本文以我國重力空白區(qū)的航空重力測量為研究背景，基于GT-2A航空重力儀的測試與試驗，對大范圍開展基礎(chǔ)性航空重力測量的工程化應(yīng)用技術(shù)理論與方法進(jìn)行分析研究，主要工作如下：

(1) 對GT-2A航空重力測量系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)性標(biāo)定，設(shè)計了靜態(tài)測量試驗和升降臺試驗，對GT-2A航空重力測量系統(tǒng)的零漂率、分辨力和重力信號提取結(jié)果的尺度因子進(jìn)行了計算和分析，與Burris相對重力儀測量結(jié)果比較。結(jié)果表明，固體潮改正前、后，采用GT-2A零漂率差值最大可達(dá)7.4 μGal/h，采用施測前后校準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)計算零漂率引入的代表誤差最大為13.7 μGal/h，固體潮對零漂率的確定具有較大影響；幅值超過30 μGal的固體潮分潮波會對GT-2A測量結(jié)果的幅-頻特征產(chǎn)生影響，GT-2A對固體潮的分辨力約為30 μGal；GT-2A試驗量程內(nèi)觀測數(shù)據(jù)的尺度因子為-0.003 4±0.011 6。

(2) 提出了我國困難地區(qū)高精度定位、測速和測加速度的方法，建立和推導(dǎo)了基于單基站、多基站的定位速度加速度直接求解的嚴(yán)密關(guān)系式，利用實測數(shù)據(jù)驗證了GPS/BDS組合求解定位測速測加速度。結(jié)果表明，BDS測加速精度基本與GPS的相當(dāng)，引入BDS系統(tǒng)進(jìn)行GPS/BDS組合能有效提高求解的精度，BDS系統(tǒng)能夠滿足我國航空重力測量需求。

(3) 提出了單站法標(biāo)量航空重力測量方法。將相位歷元差分求解高精度載體速度的方法(VADASE)引入到航空重力測量應(yīng)用中，采用單站測量模式，無須布設(shè)地面基準(zhǔn)站，利用載體的動態(tài)觀測數(shù)據(jù)，解得高精度歷元間位移序列，結(jié)合泰勒一階中心差分獲得載體加速度，聯(lián)合GT-2A重力儀的實測數(shù)據(jù)求解測線重力擾動，分別采用交叉點不符值以及地面實測重力值評定其內(nèi)外符合精度。結(jié)果表明，單站法解算的加速度聯(lián)合重力和姿態(tài)數(shù)據(jù)解算的重力擾動與GT-2A重力儀DGPS解算的重力擾動符合較好。

(4) 設(shè)計了秦嶺山區(qū)、毛烏素沙漠、青藏高原等3種典型地貌環(huán)境下的航空重力測量試驗區(qū)并獲取了實測的航空重力數(shù)據(jù)，在地面布設(shè)重力格網(wǎng)并獲取了格網(wǎng)點加密重力測量值，采用顧及水平位置改正和高度歸算的內(nèi)符合精度評定方法、顧及地面重力數(shù)據(jù)誤差與空中傳播誤差的外符合精度評價方法，系統(tǒng)性評估了結(jié)合GT-2A航空重力測量系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)的外符合精度。統(tǒng)計結(jié)果均表明試驗區(qū)的航空重力測量內(nèi)符合精度優(yōu)于1 mGal，外符合精度優(yōu)于1.6 mGal。

(5) 開展了利用航空重力數(shù)據(jù)構(gòu)建似大地水準(zhǔn)面模型的試驗，利用最新航空重力測量數(shù)據(jù)確立了我國南海某區(qū)域的大地水準(zhǔn)面。在毛烏素沙漠布設(shè)了約長度100 km、1.5 km/節(jié)點的GNSS/水準(zhǔn)路線，利用高精度GNSS/水準(zhǔn)路線成果計算高程異常，并評估了航空測量重力數(shù)據(jù)對構(gòu)建大地水準(zhǔn)面中的貢獻(xiàn)。試驗結(jié)果表明，航空重力測量數(shù)據(jù)恢復(fù)的大地水準(zhǔn)面精度遠(yuǎn)高于現(xiàn)有模型，對恢復(fù)大地水準(zhǔn)面時是非常有效的、積極的。同時，為了解決航空重力測量工程化應(yīng)用中的具體問題，開發(fā)了航空重力測量工程化應(yīng)用軟件，以滿足未來大規(guī)模開展航空重力測量的現(xiàn)實需求。