国家重力基准点建设及精度评定

李志才，张 鹏，何志堂

（1. 国家基础地理信息中心，北京 100830；2. 国家测绘地理信息局 第一大地测量队，陕西 西安 710054）

0 引 言

我国现行的重力基准为“2000国家重力基准”，是通过由国家测绘地理信息局、原总参测绘局和中国地震局在2000年左右共同建立的重力基本网实现的。该重力基本网由21个基准点、126个基本点和112个引点构成，精度优于±10×10-8ms-2。该网的建成，对统一我国重力基准，提高我国重力基准点密度，服务石油天然气物探、地质勘探、军事测绘等经济军事领域应用，发挥了重要的作用[1-4]。但是限于当时的国力和技术手段，以及近15年的高速经济发展阶段，作为重力基准基础设施建设而言，已大大满足不了当前的需要，且存在控制点密度不足，控制点破坏率严重，仍然存在大片重力空白区等问题，因此，完善我国重力基准基础设施是我国现代测绘基准维护的一大重要任务[5]。基于此，国家测绘地理信息局于2012年组织开展了“国家现代测绘基准体系基础设施建设一期工程”，目的是加大绝对重力点的分布范围和密度，补充和加强国家重力基准体系的图形结构和提高控制力度，同时与国家2000重力基本网建立联系，最大限度地满足加密重力测量的应用需求。本文主要介绍了国家重力基准点的布设思路、属性测定关键技术、质量保障措施、成果精度等，为今后类似的工程建设提供借鉴。

1 重力基准点更新设计

绝对重力基准点是维护国家重力系统的主要基础设施，与一般相对重力点相比，具有精度高、无相对误差和无误差积累等优点。目前大规模的重力测量工作仍然采用相对重力测量的方法，如石油天然气物探、地质勘探等，需要与绝对重力点进行联测才能实现相对值向绝对值的转变，因此绝对重力点的数量也是影响野外观测工作量的重要条件。基于此，我们提出了国家重力基准点更新的思路，即在国家已有绝对重力点分布的基础上，选择50个新建的GNSS连续运行站进行绝对重力属性测定，以实现分布合理、利于长期保存的国家绝对重力基准的基础设施，与国家GNSS大地控制网、国家高程控制网一起形成高精度、三维、动态、陆海统一以及几何基准与物理基准一体的现代测绘基准体系，提升测绘工作为经济建设、国防建设和科学研究的服务保障能力。

绝对重力基准点的选取原则主要包括以下几点：

1) 绝对重力基准点布设在地基坚实稳定、安全僻静、交通便利、可长期保存的GNSS基准站内或其附近的基岩地点，要求远离振动、无较大质量搬迁和气温气压变化；

2) 便于重力、坐标测定以及高程联测；

3) 供电条件良好；

4) 绝对重力基准点应避开各种干扰源和雷击区，观测场地距振动、载荷、爆破、海浪等干扰源的最小距离，应符合相关规范要求。

最终在GNSS连续运行基准站的基础上，全国均匀选择了50个点作为国家重力基准点并进行绝对重力属性测定，从而实现每300 km有一个绝对重力基准点，改善国家重力基准体系的图形结构和控制精度。具体建成点位分布如图1所示。

图1 重力基准点分布图Fig.1 The distribution of gravity datum points

2 重力基准点属性确定

根据《国家重力控制测量规范》（GB/T202562006）的规定，重力基准点属性测定主要包括绝对重力测量和垂直梯度、水平梯度测量，采用的设备分别是绝对重力仪和相对重力仪[6]。限于工程实施年度国内观测仪器的匮乏，经过专家咨询及工程比对后，认为A10的观测精度可达到工程要求的精度小于±5×10-8ms-2，因而决定采用A10-028和FG5-214进行同步观测比对[7]。

2.1 绝对重力属性测定

每个点位分别使用FG5-214、A10-028绝对重力仪同期独立观测各一次，仪器均架设在标志中心正上方同一位置。绝对重力测定的关键技术要点如下：

1）FG5-214绝对重力仪观测，每个点合格观测组数不少于12组，每组观测的下落次数为100次，合格下落次数不少于80次（按3倍标准偏差迭代剔除），每组观测的开始时间设置在整点或整30 min时刻，相邻组之间时间相隔1h。

2）A10-028绝对重力仪观测，红光或蓝光的独立观测为一组，相邻红光组与蓝光组必须成对出现，形成一个序列。每个点位的合格观测组数不少于24组，即不少于12个序列，每组观测的下落次数为100次，合格下落次数不少于80次（按3倍标准偏差迭代剔除），序列中红蓝组间的时间相隔12 min，每个序列观测的开始时间设置在整点或整30min时刻，相邻序列间的时间相隔1 h。

3）由每次下落采集的距离和时间对组成观测方程，解算出落体下落初始位置高度处的观测重力值，进行了固体潮改正、气象改正、极移改正和光速有限改正。

4）将落体下落初始位置高度处的观测结果进行观测高度改正，利用垂直梯度测定的成果，分别归算至距墩面1.30 m高度处（FG5绝对重力仪）和0.8 m高度处（A10绝对重力仪）。

5）由经过各项改正后的每组合格观测重力值，求得每组平均值及其中误差，由所有组的均值计算总均值及其总均值中误差，要求误差小于±5×10-8ms-2。

2.2 垂直梯度测定

垂直梯度测定使用2台标称精度为±20×10-8ms-2的相对重力仪进行观测，测定的关键技术要点如下：

1）在墩面与距墩面0.8 m、1.3 m两个高度处进行垂直梯度测定。每台仪器每个高度处的独立观测值不少于5个。使用脚架分别在标志中心正上方约0.8 m、1.3 m高度处安置观测平板，量出平板面至墩面的高度，读数到毫米（mm）。

2）按低点（墩面）→高点（平板）→低点或高点→低点→高点的顺序观测，为一个独立测线，进行段差计算，求得一个独立结果。

3）在开摆5 min后，读一组（3个）合格读数，并记录了相应的观测时间；3次读数互差不大于0.5格；对于超限成果，再补读一次，若仍超限时，进行重测；一组读数的时间即是3min＜读数＜8min。

4）每台仪器测定段差的合格成果为5个，段差平均值中误差应小于±3×10-8ms-2。

2.3 水平梯度测定

水平梯度测定使用2台标称精度为±20×10-8ms-2的相对重力仪进行观测，测定的关键技术要点如下：

1）在墩面标志中心与墩面四角处测定水平梯度。每台仪器独立观测值不少于3个。

2）分别量出标石中心至各角点的距离，读数到毫米（mm）。

3）每测回观测顺序：基准点→角点1（东北角点）→角点2（东南角点）→角点3（西南角点）→角点4(西北角点)→角点3→角点2→角点1→基准点。

4）按照相对重力测量方法分别计算出标志中心标志点与每个角点的段差平均值及其中误差，其中误差应小于±5×10-8ms-2。

3 质量控制

国家重力基准点属性测定主要采用加强技术培训、严格设备检测的方法确保工程质量，在属性测定实施过程中采用二级检查、一级验收的质量管理制度，确保属性测定成果的优异。

3.1 技术培训

加强技术培训，确保观测质量和成果资料质量。对本工程参加的技术人员实行培训上岗制度，在项目开展之前对所有参加项目的人员进行安全生产培训、质量培训、技术培训、财会培训，提高工程参加人员的认识水平、技术能力、质量意识、安全意识，培训后经考核合格才能上岗。对生产单位骨干进行技术培训，重点培训了FG5和A10绝对重力仪的使用，摆阔参数设置要求，设备检调，改正参数的采用，数据处理的不同及结果处理。对观测资料的归档规程原则要求、资料格式、存放形式等管理要求进行了技术培训。

3.2 仪器检调

根据《国家重力控制测量规范》的规定，对参与国家重力基准点测定的设备均须进行检调，以确保使用的仪器精度和参数指标符合相关技术指标要求。仪器检调内容主要包括绝对重力仪调整和相对重力仪的检调。

绝对重力仪调整内容主要包括检查和调整激光稳频器的激光光强，要求激光光强≥70 mW；检查和调整激光干涉仪控制螺旋使干涉光和参考光可见；检查和调整绝对重力仪控制部分的时间与UTC时间一致，时间较差≤1 s；检查和调整绝对重力仪的干涉光和参考光垂直、干涉，使干涉幅度达到200μV以上；检查和调整了超长弹簧的常数使超长弹簧归零。在每个国家重力基准点属性测定前，对参与项目的FG5-214、A10-028绝对重力仪都进行了必要的调整。经调整合格后，确认运行状态正常，方可进行观测。具体绝对重力仪观测关键系统参数见表1。

表1 绝对重力仪关键系统参数一览表Tab.1 The key parameters setting of different absolute gravimeters

相对重力仪在各年度工程实施之前，按《国家重力控制测量规范》的要求进行了性能测试，以用于水平梯度和垂直梯度测定。具体测试内容包括：在测前对相对重力仪进行了静态和动态试验，试验结果表明所有相对重力仪的零漂符合项目要求。在各年度工程实施期间，每月对投入生产的相对重力仪进行了纵、横汽泡的检调。试验结果表明所有相对重力仪性能指标符合项目要求。在每个水平梯度和垂直梯度测定前，作业小组也进行了纵、横汽泡的调整，确保仪器满足观测使用。

3.3 质量检查

国家重力基准点属性测定资料采用二级检查、一级验收的质量管理制度，达到了全优的质量目标。一级检查由项目实施单位国测一大队负责组织，二级检查工作由国家测绘地理信息局陕西测绘产品质量监督检验站负责组织，一级验收由国家测绘基准工程项目部和国家测绘产品质量检验测试中心联合组织，分别对2014年和2015年国家重力基准点的观测资料进行了检查。主要采用内业审核检验的方式，利用计算机和相关软件完成绝对重力测量的数据质量(数学精度、观测质量、计算质量)检验，检验各种成果资料的资料质量(整饰质量、资料完整性)。

各级检查人员在质量检查中，都严格按照专业技术设计书和《国家现代测绘基准体系基础设施建设技术规程》以及《国家一、二等水准测量规范》（GB/T12897-2006）等规定执行统一技术标准，各级质量检查按《测绘成果质量检查与验收》（GB/T243562009）及《国家重力控制测量规范》中的相关内容执行[7-10]。

4 属性测定成果精度统计

根据工程任务以及技术要求，工程共获得50个国家重力基准点成果，包括基准点绝对重力值、垂直梯度值和水平梯度值。对观测的数据进行了精密处理，属性测定成果均优于设计指标，具体精度统计见表2。

表2 各属性测定精度统计表Tab.2 The accuracy statistics for various gravity determination

绝对重力共计观测50个点，100点次，对100点次观测精度进行统计，其中93点次优于1/3限差（限差为±5×10-8ms-2），占总观测次数93%；5个点次介于1/3～1/2限差之间，占比5%；2个点次介于1/2～2/3限差之间，说明本次观测的精度均优于设计的技术指标。同时我们对A10和FG5观测的精度进行了一个比较，如图2所示，总体来说FG5的精度要优于A10，FG5观测的精度基本在±1×10-8ms-2以下，仅有7个点次大于1×10-8ms-2，但也基本优于±2×10-8ms-2的标称观测精度；而A10的观测精度则要略差，每个站重复比对下，要略大于FG5观测的精度，但也全部优于设计的±5×10-8ms-2，大大优于其标称的±10×10-8ms-2的观测精度，比对说明A10观测精度已基本满足绝对重力点观测精度要求，可在今后的类似工程中推广使用。

图2 FG5和A10绝对重力观测精度统计图Fig.2 The accuracy statistics for absolute gravity observation of A10 and FG5

重力垂直梯度共计观测50个点，100点次，对100点次观测精度进行统计，其中35点次优于1/3限差（限差为±3×10-8ms-2），占总观测次数35%；40个点次介于1/3～1/2限差之间，占比40%；24个点次介于1/2～3/4限差之间，占比24%，仅1个点次介于3/4～1倍限差，说明本次观测的精度均优于设计的技术指标。

重力水平梯度共计观测50个点，200点次，对200点次观测精度进行统计，其中74点次优于1/3限差（限差为±5×10-8ms-2），占总观测次数37%；61个点次介于1/3～1/2限差之间，占比30.5%；49个点次介于1/2～3/4限差之间，占比24.5%，16个点次介于3/4～1倍限差，说明本次观测的精度均优于设计的技术指标。

5 结束语

本文主要基于国家现代测绘基准体系基础设施建设一期工程，简要介绍了国家新一代重力基准点的布网设计，通过在中国大陆布设50个绝对重力基准点，加密了我国重力基准网，完善了国家重力基准点布设密度。通过施测绝对重力、重力垂直梯度、水平梯度等，获得了高精度的绝对重力基准点成果，所有点次的观测精度均优于设计指标。比较分析了FG5和A10两种绝对重力仪的观测成果精度，验证了A10可基本满足绝对重力观测需要。本工程建设的绝对重力成果可满足石油、天然气物探、地质勘探等对国家高精度重力基准点的使用需求。