[科普中国]-动力大地测量学

概念

动力大地测量学是大地测量学的一个新分支。用大地测量方法监测、研究地球动态变化的学科。现代大地测量可精确测定地球整体运动、地面点位置和地球重力场要素随时间的变化，并研究这些变化和做出物理的解释。动态大地测量中所测定的地球运动状态可分为三类，即地球重力的变化以及由此产生的大地水准面形状和垂线方向的变化；地球自转轴方向在空间的变化(岁差和章动)和在地球体内的变化(极移)以及地球自转速度的变化(日长变化)；地球形变运动，它包括全球性板块运动和板块内的地壳运动以及潮汐引起的地球形变。为了测定地球运动状态，需要采用多种高精度的测量手段。除了用传统的大地测量方法外，还要采用新的空间大地测量手段。前者包括高精度重复水准测量、天文测量、重力测量等，后者包括甚长基线干涉测量、卫星激光测距、卫星多普勒定位和GPS卫星定位、卫星雷达测高、卫星跟踪技术等。

大地测量学研究在广大地面上建立国家大地控制网，测定地球形状、大小和重力场的 理论、技术与方法的科学。测量学与地球物理学相互交叉的学科。它以地球和空间星球为测量对象。

在17世纪以前，大地测量只是处于萌芽状态， 但是人类对于地球形状的认识有了较大的突破。继牛顿 (I.Newton，1642～1727) 于1687年发表万有引力 定律之后，荷兰的惠更斯 (C.Huygens，1629～ 1695) 于1690年在其著作《论重力起因》中，根据 地球表面的重力值从赤道向两级增大的规律，得出地 球的外形为两极略扁的论断。1743年法国的克莱洛发表了《地球形状理论》，提出了克莱洛定律。惠更斯和克莱洛的研究为物理学观点研究地球形状奠定了理论基础。随后又有望远镜、测微器、水准器等的发明，测量仪器精度大幅度地提高，为大地测量学的发展奠定了技术基础。因此可以说大地测量学是在17 世纪末叶形成的。到了20世纪中叶，几何大地测量学和物理大地测量学都已发展到了相当完善的程度。 但是，由于天文大地测量工作只能在陆地上实施，无法跨越海洋；重力测量在海洋、高山和荒漠地区也仅有少量资料，因此对地球形状和地球重力场的测定都未得到满意的结果。直到1957年第一颗人造地球卫星发射成功之后，产生了卫星大地测量学，才使大地测量学发展到一个崭新的阶段。在人造卫星出现后的不长时间内，利用卫星法就精密地测定了地球椭球的扁率。而且不少国家在地面建立了卫星跟踪站，从而为建立全球大地坐标系奠定了基础。此外，利用卫星雷达测高技术测定海洋大地水准面的起伏也取得了很好的成果；利用发射至月球和行星的航天器，成功地测定了月球和行星的简单的几何参数和物理参数。卫星大地测量学仍在发展中，并且有很大的潜力。1

大地测量学的主要研究内容：①常规大地测量学。包括三角测量、导线测量、水准测量、天文测 量、重力测量、惯性测量、椭球面大地测量、地球形状理论和测量平差计算；②卫星大地测量学。它是采用在地面上测定宇宙空间的人造卫星位置的方法来解决大地测量学的问题，即以卫星大地测量几何法来建立卫星大地网，作为国家基本控制网的高一级控制， 或直接建立全球卫星大地网，求定测站点的大地坐标；以卫星大地测量动力法来推求固定的和随时间变化的地球引力场参数，确定地球形状和大小、大地水 准面差距、重力异常、垂线偏差和地心坐标等。其特点是： 视野宽广，覆盖面大，速度快，精度高；受大 气折光和垂线偏差影响小，可全天候观测；各测站之间无需通视，边长不受通视条件限制；建立全球地心坐标系，避免常规大地测量数据的两重性和局部性。 电子计算技术广泛用于测量平差计算及大地测量计算以后，不仅解决了大规模数据的严密平差计算问题， 而且对测量计算的方法也产生了影响。过去按最小二乘法平差，要求各观测数据是独立的，现在平差可以考虑相关数据。

大地测量方法天文测量观测恒星测定地面点的天文经度、天文纬度和该占至另一测站点方位角的工作。用于天文测量的主要仪器设备有：天文观测仪器、守时仪器、记时仪器和无线电收讯机。天文经度、纬度用于推算天文大地垂线偏差， 以供将地面上的观测值归算到椭球面上；由几何法测定椭球参数和确定椭球在地球体中的定位；由天文水准或天文重力水准方法推算大地水准面差距。天文经度和方位角，可以推算国家大地网中一等三角锁段各起始边(间隔约200千米)的大地方位角，用来控制大地网中由于水平角观测误差所引起的误差积累。

重力测量由于地球质量分布不均匀、不恒定以 及地球在空间的运动和自身的变形，所以地球物理基本场之一的重力场产生空间和时间两种类型的变化。 利用所测得的这些变化可以研究地球质量分布和地球的运动及变形规律。观测重力场的变化就是测量重力 加速度的工作。重力测量分绝对重力测量和相对重力测量。前者测定重力场某一点的绝对重力值，后者即测定两点的重力差值。重力测量结果广泛地用于测绘，地 质勘探，地球物理研究以及空间科学技术等方面。

中国早在1895年就在上海徐家汇观象台测定了 第一个重力值，到1949年全国共测定了200多个重力 点。1956—1957年在全国范围内建立了第一个国家测 量网，1984年重建了国家重力基本网。1966年邢台地 震后，开始有计划，有组织地展开了探索重力场的时间 变化与地震预报关系的研究。目前已经形成了一个相 当规模的观测科研队伍，并在全国各主要地震活动区 布设了固定重力台和重力测量网。固定重力测量台共 设17个。此外全国地震系统有19个单位开展流动重力测量，有测点2292个，测网33个，测线57条。重力测量仪器都是用引进的石英弹簧重力仪：W型，CG -2型和国产ZSM型，1983年以后开始使用引进的 LCR型重力仪。

从几个震例的重力观测清理结果来看，大地震形成过程中将伴生区域重力场的趋势性变化。这种现象与震源物理过程和重力场变化理论是协调的。2

空间大地测量方法甚长基线干涉测量甚长基线干涉测量是一种独立站射电干涉测量技术。在地面几千千米的长基线两端点上，射电望远镜各自独立的在同一时刻接收同一个射电源发射到地球的微弱信号，并记录于磁带上，经处理机进行相关处理求出观测量。这种技术基本不涉及地球重力场，没有系统性的误差源，可用来研究世界时、极移、岁差等的变化，建立新的惯性坐标系。这种技术测量速度快，观测不受气象条件限制，可以全天候工作，是大地测量、地球动态测量和天体测量的重要方法。

卫星激光测距利用激光技术测量天体距离的方法。出现于60年代激光技术问世之后。目前仅限于测定月球和人造天体的距离。基本原理是将激光发生器产生的激光光束通过望远镜发射到天体上，然后用望远镜接收由天体反射回来的激光回波，并用计数器测出激光束往返的时间间隔t，便可算出天体距离S，显然S=1/2tc，其中c为光速。所用仪器称激光测距仪，它包括：①激光器。目前仅采用固体脉冲激光器，如红宝石激光器、钇铝石榴石激光器等。脉冲功率高达千兆瓦，脉冲宽度为2～4毫微秒。②发射光学系统。通过望远镜对发射激光束进行准直，使其以很窄的发散角集中射向天体。③接收光学系统。可与发射使用同一架望远镜，口径通常大于1米。④跟踪机架和控制系统。机架多用地平式装置;控制系统用电子计算机。⑤光电检测器。用以检测自后向反射器反射回来的光子，通常用能快速响应的光电倍增管。⑥时间间隔记数器。其精度可达0.1毫微秒左右。⑦数据记录系统。由于月球和人造天体都可安装后向反射器，可使反射的激光讯号沿原发射方向返回地面站，回波强度大增，使测距精度大大提高。目前用激光测定月球和人造卫星的测距精度已达8厘米左右，几年内可望达到2～3厘米。另外，由于大气折射对激光测距的影响甚小，在地面高度10°以上时，大气改正误差小于1厘米，大大胜过经典测距法，是一种很有前途的测距方法。

卫星雷达测高测量卫星与其正下方地球表面之间的垂直距离的仪器。为星载雷达的一种。其原理是利用地面跟踪站测定卫星在参考椭球体上的高度，星载雷达发出一个时间宽度相对窄的脉冲量，在地球表面引起能量扩散，从半径的圆光斑上得出平均高度。通过测量从卫星上发射出的雷达信号到达地面再返回卫星所需时间，再对观测值进行测高仪偏差和海洋潮汐改正，从而得到大地水准面的起伏。3