尹偉言,陳 真,聶 晶,劉勝震,趙 鑫
(1.國家測繪地理信息局第一大地測量隊,陜西 西安 710054;2.國家測繪地理信息局測繪標準化研究所,陜西 西安 710054)
現(xiàn)階段,國內(nèi)航空重力測量的研究和應(yīng)用逐步受到人們的重視,在歐美等發(fā)達國家,航空重力測量已經(jīng)成為一種常規(guī)的重力測量手段,許多國家和地區(qū)均已開展大規(guī)模的航空重力測量[1-3]。同時,航空重力測量的應(yīng)用范圍也不再局限于大地測量、基準建立與維護、 地理國情監(jiān)測、資源勘探等領(lǐng)域,還在板塊運動、地球動力、自然災(zāi)害監(jiān)測預(yù)防、航空地球物理勘查技術(shù)、航空航天、國防建設(shè)等方面發(fā)揮重要作用,圍繞航空重力測量的新技術(shù)、新方法和新應(yīng)用也在不斷的發(fā)展[4-6]。其各國航空重力開展實例見表1。
我國航空重力測量發(fā)展相對滯后,高精度航空重力測量系統(tǒng)還在研發(fā)中,相關(guān)技術(shù)體系及應(yīng)用還不夠完善[7-8]。國內(nèi)許多學者對航空重力測量相關(guān)技術(shù)也進行深入的研究。在前人對航空重力技術(shù)研究的基礎(chǔ)上,通過實測數(shù)據(jù),對影響航空重力測量質(zhì)量的因素進行分析,并得出初步結(jié)論。
測線高度處的真實重力為G,則
G=Gn+Gh+Gf.
(1)
式中:Gn為正常重力;Gh為測線高度處空間改正;Gf為實時的重力數(shù)據(jù),也是航空重力數(shù)據(jù)處理的目標。
重力儀測量的原始重力為Fm,則
(2)
式中:vm為垂向速度;Gg為厄缶改正;ΔGd為重力儀漂移;ΔGg為隨機噪聲;Δv為GPS速度隨機誤差;ΔFp為重力儀誤差。
表1 各國航空重力開展實例
測量的絕對重力為Gm,則
(3)
為了排除GPS和重力儀噪聲,利用低通濾波器獲得自由空間重力
(4)
其中,H為低通濾波器系數(shù),可實現(xiàn)排除高頻噪聲的目的。
利用前校、后校的靜態(tài)測量計算漂移,則
(5)
在GT-2A數(shù)據(jù)處理過程中,利用GPS求取平臺速度,目前的精度可達0.02 m/s,其引起的厄缶改正的精度可在0.3 mGal以內(nèi);當前平臺傾角可控制在2′以內(nèi),其引起水平加速度的影響最大僅0.27 mGal;垂直加速度精度取決于GPS測量和濾波器的性能;漂移改正每架次不超過1 mGal[9-12]。
本文試驗數(shù)據(jù)均來自GT-2A型航空重力測量系統(tǒng),該系統(tǒng)屬于俄羅斯制造的三軸穩(wěn)定平臺測量系統(tǒng),數(shù)據(jù)獲取類型為標量測量。設(shè)備內(nèi)符合精度(重復(fù)線測量)為0.6 mGal,交叉點平差精度為1 mGal。本文所用數(shù)據(jù)均滿足標稱精度的要求。
試驗數(shù)據(jù)來自3個試驗區(qū),數(shù)據(jù)基本情況如表2所示。
表2 試驗數(shù)據(jù)基本情況表
2.1.1 接收機類型
兩種基站分別采用國外Ashtech和國產(chǎn)South類型,置于幾乎同等條件下進行試驗,觀測數(shù)據(jù)利用Teqc進行檢查,結(jié)果表明:Ashtech數(shù)據(jù)比South數(shù)據(jù)在多路徑效應(yīng)和數(shù)據(jù)有效率方面有一定提高。數(shù)據(jù)質(zhì)量統(tǒng)計見表3。
表3 Ashtech和South兩種類型數(shù)據(jù)質(zhì)量統(tǒng)計表
為進一步分析兩種類型數(shù)據(jù)對航空重力測量質(zhì)量的影響,分別計算濾波后的自由空間重力異常以及濾波前后的殘差,結(jié)果如圖1和表4所示。
圖1 濾波后兩種數(shù)據(jù)空間異常
表4 濾波前后殘差對比表 mGal
圖1表明,兩種數(shù)據(jù)的自由空間重力異常相近,相差在0.5~1.34 mGal之間;而表4表明,兩種數(shù)據(jù)的自由空間重力異常殘差相差明顯,最大達72 mGal。這說明濾波前South所獲數(shù)據(jù)的噪聲較大;而從整體殘差來看,兩種數(shù)據(jù)均在400 mGal以內(nèi),遠遠小于設(shè)備限差1 000 mGal。
2.1.2 基站采樣率
對0.5 s和1 s兩種基站數(shù)據(jù)分別計算其位置精度、空間重力異常以及濾波前后的殘差,如圖2—圖4所示。
圖2 不同采樣率下的位置精度
從圖2可知:0.5 s基站所確定流動站位置精度優(yōu)于1 s基站,位置RMS最大差距約0.05 m;二者計算的空間重力異常有一定差異,從空間重力異常殘差來看,0.5 s明顯優(yōu)于1 s。因此,航空重力測量中基站采樣間隔應(yīng)至少2 Hz。
2.1.3 測線上的衛(wèi)星個數(shù)及其PDOP值
圖5為各測線上接收的GPS衛(wèi)星數(shù)及其PDOP值,大多數(shù)測線上能接收到多于6顆的GPS衛(wèi)星,不足6顆的測線主要在試驗2區(qū)第20000~20200線;而PDOP值大多在2.5左右,只有試驗1區(qū)的10200線和試驗2區(qū)的20160線出現(xiàn)一時跳躍。
圖3 不同采樣率下的空間重力異常
圖4 不同采樣率下的濾波殘差對比圖
圖5 試驗區(qū)各測線上接收最少衛(wèi)星數(shù)及最大PDOP
處理2區(qū)20 000~20 200線發(fā)現(xiàn):20 000~20 200線處理后的殘差比其它測線平均高140 mGal(如圖6所示)。
對每條測線,計算測線上實時接收到的衛(wèi)星數(shù)及其PDOP值,統(tǒng)計結(jié)果如圖7所示;而殘差值與衛(wèi)星數(shù)之間的統(tǒng)計如圖8所示。
根據(jù)以上統(tǒng)計可知:接收衛(wèi)星數(shù)與PDOP值正相關(guān),衛(wèi)星數(shù)達到8顆時,PDOP值<2.5,殘差最??;當衛(wèi)星數(shù)為6、7或8顆時,殘差值最大不超過100 mGal;而當衛(wèi)星數(shù)為5顆時,重力異常殘差值達到11 796.56 mGal,超過1 000 mGal。由此可得,在衛(wèi)星數(shù)少于6顆時,航空重力測量成果不可信。因此,航空重力測量中接收衛(wèi)星數(shù)和PDOP是測量成果可靠與否的重要影響因素,測線上務(wù)必保持6顆以上的接收衛(wèi)星數(shù),且PDOP不超過2.5。
圖6 試驗2區(qū)自由重力異常殘差圖
圖7 衛(wèi)星數(shù)量和測線平均PDOP值關(guān)系圖
圖8 殘差值與衛(wèi)星數(shù)關(guān)系
2.1.4 基線長度
利用5臺不同基線長度的基站進行濾波獲取自由空間重力異常,其殘差見表5。
表5 不同基線長度的濾波殘差RMS mGal
由表5可知,當基線長度超過360 km時,自由空間重力異常殘差明顯超出1 000 mGal;而當基線長度不超過260 km時,明顯減小。這表明基線長度對航空重力測量成果產(chǎn)生重要影響,基站離測區(qū)越近,殘差越小,但200 km以內(nèi)的基站差異不大。
對3個試驗區(qū)各條測線的俯仰和翻滾情況進行統(tǒng)計,結(jié)果如圖9所示。
從圖9可知,1、2區(qū)測線上的俯仰/翻滾角基本在±5°以內(nèi);3區(qū)測線的俯仰/翻滾角主要在±10°以內(nèi)。對3個試驗區(qū)內(nèi)的全部測線計算其平均殘差,見表6。
表6 試驗區(qū)平均濾波殘差RMS mGal
由表6可知,3區(qū)與另外兩試驗區(qū)測線的殘差差異較大,且平均殘差RMS高達854.61 mGal,明顯高于1區(qū)和2區(qū)的577.59 mGal及547.71 mGal。表明飛行過程中平臺姿態(tài)角與濾波殘差有直接關(guān)系。
重復(fù)測線是指航空重力測量中對同一條測線多次飛行,利用重復(fù)數(shù)據(jù)量化精度誤差或噪聲估計,計算其內(nèi)符合精度,評價儀器設(shè)備的工作性能及穩(wěn)定性[13-15]。通常計算重復(fù)線內(nèi)符合精度方法的算式為
(6)
通過對上述公式進行改進,顧及測量過程中測量環(huán)境的不定性,進一步消除粗差對測量結(jié)果的影響,改進的算式為
(7)
以10條重復(fù)測線為算例,對兩種計算重復(fù)測線內(nèi)符合精度的方法進行分析與對比,通過傳統(tǒng)的方法計算的重復(fù)線內(nèi)符合精度為0.84 mGal,而利用改進后的方法計算重復(fù)線內(nèi)符合精度減小至0.57 mGal,減小幅度達32%。改進后的方法不僅提高重復(fù)線內(nèi)符合精度,也更好的體現(xiàn)儀器的真實狀態(tài)。
從GPS測量質(zhì)量、飛機姿態(tài)、重復(fù)測線內(nèi)符合精度3個方面對航空重力測量質(zhì)量的影響因素進行分析,得到如下結(jié)論:
1)GPS基站類型對航空重力測量結(jié)果有一定影響;基站的采樣間隔應(yīng)選擇0.5 s;測線上接收衛(wèi)星數(shù)至少6顆且其PDOP值小于2.5;基站和流動站的基線平均長度不應(yīng)大于260 km。
2)測量中,確保測線上翻滾/俯仰角應(yīng)保持在5°以內(nèi)。
3)顧及測量環(huán)境,改進后的內(nèi)符合精度計算方法可獲得更理想可靠的計算結(jié)果。
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