[科普中國]-矢量重力測量

基本概念

重力測量按其復雜程度，可依次分為標量重力測量、矢量重力測量和梯度重力測量。顧名思義，標量重力測量僅測量重力擾動的大小，而矢量重力測量則能測定整個重力擾動矢量，即擾動引力的三個分量。與標量重力測量相比，矢量重力測量具有其明顯的優(yōu)勢，它不僅能測出重力異常而且能測出垂線偏差。

研究背景地球重力場的確定一直是大地測量領域最重要的課題之一。在導航領域，分辨率為10~50km的全球重力場模型可用來改進導航衛(wèi)星的運行軌巡，而分辨率為1~10km的重力場數(shù)據(jù)可以改善慣導系統(tǒng)的導航性能。在科學研究領域，地球重力場數(shù)據(jù)不僅用于大地測量、地球物理，而且廣泛用于地球動力學、地質(zhì)學和海洋學研究。地球物理學家需要分辨率為10~100km、精確到1~5mGal的平均重力矢量，用于研究巖石圈結構、地幔構成，監(jiān)測大氣層變暖等現(xiàn)象。海洋學家需要分辨率為50~500km，精確到0.1mGal的重力場數(shù)據(jù)，用于研究海面地形等。石油物探測需要更精細的地球重力場信息(分辨率為1~10km、精度為0.5~1mGal)。

數(shù)學模型在經(jīng)典力學中，根據(jù)牛頓第二運動定律，作用于單位質(zhì)點的總加速度矢量(稱為比力) 與載體運動加速度矢量 和引力加速度矢量 之間的關系為：

噴導系統(tǒng)中的比力方程為：

重力加速度矢量 可以表示成正常重力矢量 和擾動重力矢量 之和，可得出矢量重力測量基本模型1：

測量方法SINS直接求差估計擾動重力矢量根據(jù)比力方程

可以將各個參數(shù)直接帶入到方程中求得重力矢量。

基于垂線偏差測量的矢量重力估計方法通過對標量重力實測值、垂線偏差及矢量重力水平分量關系的分析，可建立一個較為準確的水平重力分量估計模型，垂線偏差及標量重力實測值作為觀測量，實現(xiàn)重力水平分量的估計。

基于標量重力儀的矢量重力水平分量測量系統(tǒng)由三個模塊組成：垂線偏差測量模塊、垂向重力值測量模塊及矢量重力水平分量測量模塊。流程圖如圖1。

圖1

矢量重力水平分量測量模塊實現(xiàn)重力水平分量測量功能。將垂線偏差測量模塊中測得的垂線偏差以及垂向重力值測量模塊中測得的垂向重力值作為觀測量，建立準確的垂向重力值、垂線偏差以及水平重力分量關系模型，并以此作為觀測方程。通過卡爾曼濾波估計，得到精度較高的矢量重力水平分量2。