[发明专利]基于绝对重力仪的垂直重力梯度提取方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种确定高精度垂直重力梯度的方法，特别涉及一种利用自由落体式绝对重力仪观测数据确定垂直重力梯度的方法及系统。

背景技术

一直以来，在使用自由落体式绝对重力仪进行绝对重力测量时，需要利用高精度相对重力仪测定垂直重力梯度^[1-3]。实际上，自由落体式绝对重力仪观测数据，即自由落体运动的下落时间-距离序列，包含垂直重力梯度的信息。如果能够利用绝对重力测量数据确定垂直重力梯度，一方面可以减少实施绝对重力测量的工作量和必需的仪器设备；另一方面由此独立测定的垂直重力梯度可用于检验相对重力仪的测量结果。

T.M.Niebauer(1995)和H.Hanada(1996)等学者在介绍FG5自由落体式绝对重力仪时就提出了众多误差源，分析了观测数据中可能存在的系统误差^[4-6]。K.Charles(1995)对实测数据进行分析，探测到了FG5观测数据中的系统误差^[7]。系统误差一般由地面的高频振荡、测距激光频率波动以及下落棱镜晃动引起。系统误差中的有色噪声会使解算的垂直重力梯度结果产生偏差(见图3)。随后众多学者研究了FG5观测数据中系统误差的探测方法，包括Lomb-Scargle谱分析法^[8]和高斯钟求和法^[9]。另外，K.Charles(1995)的研究表明选取不同的下落时段，解算得到的重力加速度结果差别很大。同样，本发明提出选取不同的下落时段，解算得到的垂直重力梯度结果差别也很大(见图6，如果下落时段的起始数据为第i对距离-时间观测量，终止数据为第j对距离-时间观测量，则其对应的编号为(i-1)*100+j，即图中显示了起始数据为1-30号，终止数据为601-700号的3000种时段选取情况下得到的垂直重力梯度结果。由图4在125Hz和155Hz处出现了两个峰值)。

最早由R.G.Hipkin(1999)成功利用绝对重力测量数据解算出了垂直重力梯度，与相对重力仪的重力梯度观测结果一致，并且精度达到了3μGal/m(1μGal＝10^-8m/s²)^[10]。然而，R.G.Hipkin在解算垂直重力梯度时没有对观测数据中可能存在的系统误差进行探测和消除，也没有给出自由落体运动下落时段选取的依据，所以至今利用绝对重力测量数据解算垂直重力梯度仍然处于实验阶段，而未能形成稳定有效的数据处理方法。

虽然已有众多学者研究了对FG5观测数据中所含误差进行建模的方法，但是其焦点一直集中于确定精度更高、更为可靠的绝对重力加速度结果，而没有进一步研究确定垂直重力梯度的方法。R.G.Hipkin(1999)在确定垂直重力梯度的研究中虽然得到了很好的结果，却没有顾及系统误差和时段选取等因素的影响，更换另一套FG5观测数据进行处理时，结果会有明显偏差，所以不具有普适性，没能形成稳定有效的数据处理方法。所以，至今还没有形成稳定有效的利用自由落体式绝对重力仪观测数据确定垂直重力梯度的方法。

本发明涉及的参考文献如下：

[1]MicroG-Lacoste:g9User’s Manual,2012[OL].http://www.microglacoste.com/pdf/g9Help.pdf

[2]Xing Lelin,Liu Hui,Li Jiancheng et al.Comparison of Absolute Gravity Measurements Obtained with FG5/232and FG5/214Instruments[J].Geo-special Information Science,2009,12(4):307-310

[3]肖凡，王庆宾，张松堂等.FG5-240绝对重力观测结果分析[J].大地测量与地球动力学，2013，33增刊(Ⅰ)：165-167

[4]T.M.Niebauer,G.S.Sasagawa,J.E.Faller et al.A new generation of absolute gravimeters[J].Metrologia,1995,32:159-180

[5]H.Hanada,T.Tsubokawa and S.Tsuruta.Possible large systematic error source in absolute gravimetry[J].Metrologia,1996,33:155-160