[科普中国]-重力基线

重力基线是指由若干个高精度重力点组成的作为重力仪格值检测基准的基线。

概念重力基线是重力检定场的组成部分，其校准重力仪的标准装置，主要包括重力长基线、重力短基线和动态检定场。相对重力仪一般作为校准重力短基线和动态检定场的传递标准，也可用于重力长基线的检核设备，其技术性能必须满足重力检定场和测量标准的要求。

CG-5相对重力仪校准重力基线的可行性研究背景检定重力仪的标准场地主要有重力长基线、重力短基线和动态检定场。以这些场地的点间相对重力段差值作为标准值，检定被检相对重力仪，也可以作为绝对重力仪的检核标准。这些作为标准值的重力段差值一般使用高精度的相对重力仪进行校准，也可以使用绝对重力仪测量每个点的绝对重力值，用点间的绝对重力值作差计算各点间的相对重力段差值。由于绝对重力测量要求作业环境条件严格，一般场地条件难以满足绝对重力测量要求，通常重力长基线采用绝对重力仪标定，用相对重力仪进行检核；重力短基线和动态检定场采用相对重力仪直接进行点间重力段差标定。

CG-5相对重力仪是新型数字重力测量仪器，采用微处理器进行读数、改正、显示及输出，具有测量点位自动定位功能，量程为8000×10-5m/s2，读数分辨力为1×10-8m/s2，扩展不确定度为15×10-8m/s2，工作温度范围为-45～+45℃，重量轻，体积小，特别适合作为校准重力基线的测量标准使用。

CG-5的技术性能根据文献1，作为测量标准的相对重力仪的重复性、稳定性和测量不确定度必须符合要求。一般要求，稳定性需小于等于合成标准不确定度或最大允许误差;测量不确定度需小于等于三分之一的下级测量标准或检测设备的不确定度。研究从检定合格的CG-5相对重力仪中随机选出6台仪器，分析其技术性能。

为了提高校准重力基线的准确度，要求所使用的6台CG-5相对重力仪同时测量同一重力基线段差值结果具有一致性。多台测量标准的一致性采用计算“归一化偏差En”的方法，判断多台测量结果的一致性。归一化偏差En的计算公式为

式中：xi为第i台标准仪器的测量值； 为多台标准仪器测量值的平均值；U为测量标准的扩展不确定度，数值为15×10-8m/s2。

比对结果一致性的评判原则：En≤1，证明该台仪器的测量结果与平均值之差在合理的预期之内，可采用；En>1，证明该台仪器的测量结果与平均值之差没有达到合理的预期，不可采用。

表1列出了各台CG-5相对重力仪的归一化偏差En值。由表得1出，各台仪器的归一化偏差En小于1，证明这6台CG-5相对重力仪的一致性好，可联合作为重力基线段差的测量标准。

研究结论重力基线场作为检定和校准重力仪的标准装置必须定期进行校准，一般校准周期应不大于2年。国内建立了多条重力基线场，重力基线采用绝对重力仪比对，然后测量部分点位的绝对重力值进行校准，由于绝对重力测量要求很高，一般的场地不能满足测量要求，测量成本很高，使得重力基线多年来没有经过系统校准。由6台CG-5相对重力仪组成的测量标准的扩展不确定度为6.2×10-8m/s2，小于重力基线段差不确定度20×10-8m/s2的三分之一、多台仪器测量结果归一化偏差En均小于1，多台仪器的一致性好，因此，6台及以上的CG-5相对重力仪可作为校准重力基线段差的测量标准。CG-5相对重力仪可适应野外测量要求，校准成本低，可定期校准重力基线。研究的突破在于尝试了单台CG-5仪器达不到校准要求时，采用归一化偏差优选测量结果一致的多台仪器联合组成测量标准，采取多台平均值法提高校准精度，解决单台仪器技术指标与被检测设备的技术指标相当而无法满足测试不确定度比的问题。2

陆态网络灵山重力基线场初值测定与数据分析中国大陆构造环境监测网络项目（简称陆态网络）是我国一项重大科学工程基础设施建设项目。灵山重力基线场（简称灵山基线）初值测定项目是陆态网络子项目之一，主要目的是建立一个为相对重力仪一次项比例因子标定、校准的重力基准。2014年6月，国家测绘地理信息局第一大地测量队对灵山基线初始值进行了测定。

灵山基线初始值测定概况（1）点位布设及施测内容

灵山基线共设计重力基本点26个，重力基准点4个；整个基线位于北京市门头沟区灵山自然风景区内，各点位沿风景区主干道两侧分布。其中，最大重力段差约为250000×10-8ms-2，最小重力段差约为2×10-8ms-2。施测主要内容为对重力基准点实施绝对重力测量，同时进行重力垂直梯度测量，并在所有点位之间进行相对重力联测。各点位情况如表2所示。

（2）施测要求

基本点之间联测采用6台高精度相对重力仪实施。往返对称观测，每台仪器合格成果数不少于6个。每台仪器在一段的段差结果互差小于40.0×10-8ms-2。绝对重力测量采用FG5型仪器实施。每次下落时间间隔为10s；每组下落次数为100次（合格下落次数不少于75次），每组时间间隔为1h；合格组数不少于24组。结果精度优于5.0×10-8ms-2。重力垂直梯度采用2台高精度相对重力仪实施。采取往返对称的联测方式，在地面与约1.30m高处之间施测。每台仪器合格成果数不少于5个，总合格成果数不少于10个。结果精度优于3.0×10-8ms-2。

野外概算通过野外概算得到4个基准点结果和29段重力段差（LS11点位破坏，故没有联测）。野外概算采用FG5绝对重力仪随机软件g9。对4个基准点绝对重力观测数据进行了固体潮改正、气压改正、仪器高改正、极移改正和垂直梯度改正。相对重力联测、重力垂直梯度测量数据处理时均进行了重力仪读数转换、格值改正、固体潮改正、气压改正、仪器高改正和零漂改正。采用Gravitation Measure软件进行野外数据概算。

野外概算结果分析1）由表3可知，基准点绝对重力测量成果野外概算成果精度都优于5.0×10-8ms-2；其中JX1成果精度误差最大，JX3成果精度误差最小。平差后，精度基本一致，主要因为基准点在平差时权重大于基本点，且基准点相对稳定性较好，野外干扰不大。

2）由表4可知，各点间相对重力联测结果野外各仪器结果之间最大互差都小于40×10-8ms-2；由图1可以看出，野外相对重力联测各段结果各仪器之间互差在10×10-8ms-2~30×10-8ms-2之间个数逐渐增加；在30×10-8ms-2~40×10-8ms-2之间个数逐渐减少；在0~10×10-8ms-2和大于40×10-8ms-2没有分布，说明野外联测结果分布符合设计要求，仪器稳定、状态良好、成果稳定。由表4、图1可知，相邻两点间段差主要在1000×10-8ms-2~10000×10-8ms-2，其次分布在10000×10-8ms-2~100000×10-8ms-2；小段差（小于100×10-8ms-2）、大段差（247243×10-8ms-2左右）都有分布。这种段差分布对于高精度相对重力仪不同读数区间都能较好覆盖，减少了一次项比例因子外推产生的误差；段差在1000×10-8ms-2~100000×10-8ms-2之间比较集中，也符合实际工程中段差的分布，能最大程度地消除工程实施中仪器一次项比例因子的影响。故该基线及成果满足高精度相对重力仪的检验、一次项比例因子标定需要。

3）由表5、图2可知，各点最终结果精度都优于5×10-8ms-2；集中分布在3×10-8ms-2~5×10-8ms-2之间，精度较高，主要因为基准点数量较多、施测成果精度较高、空间几何分布（联测路线）比较合理，同时相对重力联测成果精度较好也有一定的作用。3

本词条内容贡献者为:

陈红 - 副教授 - 西南大学