[科普中国]-国际重力标准网

简介

20世纪50年代末期到60年代，激光干涉技术和原子钟技术大幅度提高了距离测量和时间测量的精度。20世纪60年代末，利用自由落体测量绝对重力的精度已达10-7~10-8m/s2，并发现波茨坦的重力测量值比其精确值大了0.000135m/s2。而且仅采用波茨坦一个基准点给重力测量的实施带来很多不便，且风险较大。因此，20世纪70年代起，波茨坦重力系统逐渐被国际重力标准网1971（IGSN1971）取代。IGSN1971是联合世界范围内的高精度摆仪、弹簧重力仪和自由落体式绝对重力仪测定了全球1900多个基准点（其中美国450个）的观测值，每个测站点的观测精度都优于±50 μGals。经统一处理后向全球公布，并命名为国际重力标准网1971（IGSN71）。波茨坦重力系统下重力点的重力值通过加上约-14.0 mGals（不同测站点的改正值会略有不同）的改正转换到IGSN1971系统。IGSN71作为全球重力测量的参考基准一直使用至今。1

我国重力基本网我国在解放前只测了200多个重力点，精度5~10毫伽，没有建立重力基本网。新中国成立后为满足各方面需要，先后建立过三代重力基本网，即1957国家重力基本网和1985国家重力基本网，2000国家重力基本网是第三代国家重力基本网。

1957国家重力基本网1956-1957年，为了适应全国天文大地控制网数据处理对高程异常和垂线偏差的需要，我国同苏联合作建立了我国第一代重力基本网。当时没有进行绝对重力测量，基准点重力值从莫斯科经由伊尔库茨克、阿拉木图和赤塔3个基本点用航空联测方法，用9台相对重力仪联测到北京西郊机场。在此之前，前苏联航空重力队曾在波茨坦和莫斯科之间进行联测。北京西郊机场上的重力点是我国第一个重力原点，其重力属于波茨坦重力系统，相对于波茨坦国际重力原点的精度为±0.51毫伽。与此同时，在全国布设了21个重力基本点和82个I等重力点，基本重力点的联测精度为±0.25毫伽，这些点一并平差处理，构成1957国家重力基本网，其基本点相对于北京重力原点的误差不大于±0.32毫伽，I等点不大于±0.40毫伽. 20世纪70年代初，中国计量科学院研制成功自由落体绝对重力仪，进行了我国首次绝对重力测量，与北京重力原点联测，证明原值大了13.5毫伽。因此，在生产中凡采用波茨坦重力系统重力时，一律改正-13.5毫伽。有些单位则直接采用国际有关组织决定，对波茨坦重力系统的重力值加-14.0毫伽改正数。

1985国家重力基本网我国57网存在的问题主要是没有绝对重力点（统称为基准点）；重力系统由波茨坦辗转联测过来，当时相对重力仪测量精度不高，而且波茨坦重力系统已经废止，以IGSN71代之，我国还没有纳入这个新系统，因此有必要建立第二代国家重力基本网。 1981年，根据中国和意大利科技合作协议，中意合作利用意大利计量院的自由落体绝对重力仪在我国测了11个绝对重力点。由于仪器稳定性及选址不当等原因，85网用了其中6个绝对重力点作为基准点，后又用9台高精度相对重力仪联测了46个基本点，还与境外23个高精度重力点进行了联测，其中包括绝对重力点和IGSN71的重力点。这不但改善了图形结构，提供了外部精度标准，而且使85网与IGSN71有了较紧密的连接，使85网的重力系统纳入IGSN71系统。 由于单台绝对重力仪当时的测量精度与多台相对重力仪的测量精度差别不大，故在整体平差中对基准点和相对重力点赋以不同的权也给予改正数解算。另外，将LCR相对重力仪格值因子及周期函数作为仪器给定参数与重力值一并答解，使仪器参数更能适合全网观测情况，进而求出相对重力的最佳重力值。整体平差由878个观测方程求解136个未知数，其中重力点未知数80个（国家基准点6个、基本点46个及引点5个，境外基准点和基本点23个），仪器参数56个。 85网整体平差的单位权中误差为±15微伽，点重力值中误差（内部符合）为±8~±13微伽，经外部符合检核，发现重力值中有一定的系统性影响，所以85网重力值的精度被认为是在±20微伽到±30微伽之间。

2000国家重力基本网我国85网较之于1957国家重力基本网（简称57网），在精度上提高了一个数量级，消除了波茨坦系统的误差，增大了基本点的密度。它作为我国基本重力控制网提供使用后，十几年来在测绘、地质、地震、石油、国防等领域发挥了重要作用。但是，随着时间的推移，各经济建设迅速发展，使85网基本点因受损而不便使用或不能使用。据调查统计，有2/3以上的85网重力基本点不能使用。另一方面，由于受当时设备、技术等方面的限制，85网绝对重力点的观测精度较低，点位分布不均匀，图形结构不尽合理。由此可见，85网的这种状况已不能充分发挥国家重力基准应有的作用。 近年来，我国又引进了精度达到3~5微伽的FG5绝对重力仪，在网络工程基准点上施测精度很高，为我国独立建立新一代更高精度的重力基准提供了技术手段。另外从国际重力基准的变化来看，已决定建立国际绝对重力基准网。而85网仍属于IGSN71重力系统。从以上各方面分析，有必要建立新一代国家基本重力网（即2000国家重力基本网）。 经过国家测绘局、总参测绘局、中国地震局近三年的艰苦努力，于2002年圆满完成了2000国家重力基本网的建立工作。2000国家重力基本网由137个点组成。其中基准点18个，基本点119个；另有引点106个。

2000国家重力基本网平差后的精度指标为：基本网中重力点平均中误差为±7.35微伽;其中具有绝对重力观测成果的基准点平均中误差±2.3微伽；基本点平均中误差±6.6微伽；基本点引点平均中误差±8.7微伽。8个国家重力仪格值标定场的64个重力点平均中误差为±3.4微伽。2000网联测的85网和地壳运动网等其它66个重力点平均中误差±9.5微伽。 2000国家重力基本网是由基准点、基本点、引点以及长基线、短基线构成，并对已有的85网点进行了联测，网形结构合理，充分考虑了国家基础建设、国防建设和防震减灾等方面的需要，种类齐全，功能完备，设计科学合理。该网精度高，覆盖范围大，点数多，点位顾及了我国实际情况，额度适宜，分布基本均匀。建网中采用了多项国内外先进技术和现代作业方式。该网数据处理理论方法严密，技术先进，平差结果可靠，精度真实可信。该网与85网相比具有质的飞跃，达到国际领先水平。2

相关概念维也纳重力系统19世纪末期，著名大地测量学家赫尔墨特基于维也纳的可倒摆重力测量成果建立了维也纳重力系统。维也纳重力系统是第一个全球重力基准，其精度达到了±10 mGals的水平。维也纳重力系统一直使用到1909年，然后被精度更高的波茨坦系统取代。

波茨坦重力系统1898~1904期间，德国人Kuhnen和Furtwaglev在德国波茨坦大地测量研究所（德国GFZ地学研究中心的前身）利用可倒摆仪进行了约1900次测量，测得位于东经13°04′01″北纬52°22′09″的波茨坦重力基准点重力值为9.81274±0.00003 m/s2。该观测是当时世界上精度最高的绝对重力观测，因此，在1909年伦敦举行的国际大地测量协会（IAG）会议上决定采用该测站的绝对重力值作为全球重力基准，称为波茨坦系统。全球其他点的重力值均通过将该点作为参考进行相对重力测量测定。波茨坦重力系统的精度水平达到了±3 mGals，略高于维也纳重力系统。大量的比较和分析表明，维也纳重力系统和波茨坦重力系统存在-16 mGals的系统差。随着重力观测水平的提高，获得了波茨坦重力系统基准点更高精度的观测，因此1967年，lAG将该基准点的重力值修正为9.81260m/s2。到国际重力标准网1971（IGSN1971）建立前，全世界各国的重力测量结果均基于波茨坦重力系统。1