测量重力ppt下载

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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：       一、重力的相关概念 重力：                       一、重力的相关概念 重力的单位 一、重力的相关概念 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 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（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 二、重力基准 中国2000重力基本网 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978～983Gal。 （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。 （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 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36~70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 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1979—1980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，德国的波茨坦地球科学研究中心(GFZ——GeoForschungsZentrum 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 CHAMP卫星轨道示意图 CHAMP卫星工作原理图 CHAMP卫星工作原理 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4000~1000 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卫星结构图 卫星进入轨道后飞行示意图 GRACE卫星工作原理图 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18~40GHz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10µm。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卫星的结构图 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200~80km，最高可达65km，因而有望恢复250阶地球重力场模型和1cm精度的大地水准面，空间重力异常可达1~2magls。 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(3×10-12s-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1×10-5m/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/GLONASS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：“CZ－4B”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。 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：“CZ－4B”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。sDK红软基地

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