徐聲鑫

摘要：為確保CG-5重力儀靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)的準確性，在觀測結果統(tǒng)計與分析過程中，不可忽視固體潮校正和漂移非線性誤差。在實際操作過程中，通常通過對比用Tsoft和MT80W計算的固體潮值和CG-5重力儀內(nèi)部軟件提供的固體潮值，以及分析大量CG-5重力儀靜態(tài)觀察數(shù)據(jù)，來獲取CG-5重力儀的固體潮和漂移殘留誤差，以此來提高CG-5的靜態(tài)觀測精度。

關鍵詞：CG-5重力儀;固體潮;靜態(tài)觀測;殘差;漂移

前言

CG-5重力儀產(chǎn)自加拿大，是數(shù)字式的全自動重力測量儀器，其敏感元件采用的是一種石英彈簧。CG-5重力儀所具備的功能包括有自動儀器傾斜改正、對儀器內(nèi)部微小溫度波動進行溫度補償、改正線性漂移和地震濾波等。目前，我國已引進約300臺CG-5重力儀，并將其廣泛應用于各個領域的重力勘測。

由于CG-5重力儀所具備的自動讀數(shù)功能和記錄功能，能有效降低人為因素對觀測結果的干擾。此外，加上測量結果數(shù)據(jù)的大量疊加，通常能將隨機誤差維持在2之內(nèi)。因此，CG-5重力儀通常被認為具備微伽級的相對重力測量精度。然而，CG-5重力儀的測量精度在受測量隨機誤差的影響之外，還應同時考慮與理論固體潮校正值的誤差以及零位漂移的非線性誤差。通過對比用Tsoft和MT80W計算的固體潮值和CG-5重力儀內(nèi)部軟件提供的固體潮值，以及分析大量CG-5重力儀靜態(tài)觀察數(shù)據(jù)，來獲取CG-5重力儀的固體潮和漂移殘留誤差，以此來提高CG-5的靜態(tài)觀測精度。

一、靜態(tài)觀測

重力儀零位漂移值通常為對連續(xù)的靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)進行理論固體潮校正來獲取。通過觀察漂移曲線和分析處理數(shù)據(jù)來獲取重力儀漂移的變化規(guī)律，并從中得出重要的心梗參數(shù)，包括有平均漂移速率、非線性度和隨機噪聲水平等。

以某內(nèi)陸地區(qū)為例，經(jīng)多次CG-5重力儀連續(xù)超過20小時的靜態(tài)觀測，來獲取相關的靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)。重力儀讀數(shù)自動記錄時間間隔設定為1分鐘，設定采樣頻率6Hz，利用重力儀自身具備的地震濾波功能來過濾每分鐘360個數(shù)據(jù)中由微振動引起的低頻噪聲，忽略不計超過6倍標準差的高頻噪聲，并由樣本數(shù)據(jù)來計算出平均數(shù)值，同時進行傾斜改正和溫度補償。利用CG-5重力儀內(nèi)部軟件進行理論固體潮校正和線性漂移校正，最具代表性的殘余漂移曲線，如圖2（a）所示。

重力儀最初測量的漂移數(shù)據(jù)中往往摻雜一定的干擾信息，為避免其對后續(xù)數(shù)據(jù)的分析和應用產(chǎn)生影響，通常采用潮汐數(shù)據(jù)預處理軟件來進行處理和消除。目前，重力儀觀測數(shù)據(jù)預處理效果最好的軟件為比利時皇家天文臺Vauterin博士研發(fā)的Tsoft潮汐數(shù)據(jù)預處理軟件，其具備強大的圖形處理功能以及人性化的人機交互界面，能直接糾正測量過程中的各種干擾，并同時進行多種數(shù)據(jù)分析（濾波、譜分析和回歸分析等），顯著提升了觀測數(shù)據(jù)預處理的直觀性。

在分析觀測結果時，對比用Tsoft與國內(nèi)常用的MT80W潮汐軟件計算的固體潮值和CG-5重力儀內(nèi)部軟件的理論固體潮值;經(jīng)固體潮值校正和線性漂移校正后，用Tsoft軟件糾正靜態(tài)漂移殘差數(shù)據(jù)中的少量局部干擾。

二、3種固體潮理論值對比

對比CG-5、Tsoft和MT80W軟件計算的固體潮理論值，發(fā)現(xiàn)三者之間存在一定的差異（圖1）。

由圖1可知，經(jīng)20小時的計算數(shù)據(jù)中，CG-5和MT80W理論固體潮互差的最大波幅為3.2;CG-5和Tsoft理論固體潮互差的最大波幅為3.9;MT80W與Tsoft理論固體潮互差的最大波幅為2.6。由此可知，CG-5內(nèi)部固體潮軟件誤差較大。同時，與圖1（c）對比，圖1（a）與圖1（b）呈現(xiàn)為高次曲線，會對較短時段重力測量結果的準確性產(chǎn)生影響。

三、殘差分析

利用3種固體潮理論值，對2015年5月20日-21日20小時靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)進行固體潮校正。原始數(shù)據(jù)經(jīng)線性漂移校正和CG-5固體潮理論值校正后的重力殘差曲線，如圖2（a）所示。從中可以發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中存在部分較大的高頻干擾，將對后續(xù)儀器數(shù)據(jù)的分析和應用產(chǎn)生影響。用Tsoft軟件處理突變點后，其結果如圖2（b）所示。圖2（c）為原始數(shù)據(jù)經(jīng)MT80W和Tsoft固體潮理論值校正結果，圖2（d）為Tsoft處理突變點后的殘差曲線。

CG-5殘差波動的主要影響影響包括有重力儀日漂移的非線性、固體潮模型誤差和海潮影響。經(jīng)觀測結果顯示，CG-5長期漂移的線性度較為理想，因該地區(qū)為內(nèi)陸地區(qū)，幾乎不受海潮影響，因此，經(jīng)線性校正后所得的3條殘差曲線的波動，其主要影響因素分別為日漂移的非線性和固體潮模型誤差。

從圖2中可以看出，曲線波動幅度最小的為圖2（d），波動幅度最大的為圖2（b）。由此可知，Tsoft固體潮校正較為完善，CG-5固體潮校正存在較大誤差。經(jīng)統(tǒng)計分析圖2（b）、2（c）和2（d），可得出CG-5重力儀靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)的殘差指標（表1）.

此外，經(jīng)相關測量數(shù)據(jù)顯示，以18天靜態(tài)觀測結果為例，其固體潮理論波幅與標準殘差的相關系數(shù)僅為0.4，相關性較低，且在100-300×的重力固體潮變化范圍內(nèi)，標準殘差值趨于穩(wěn)定。

四、結論

（1）2015年5月20-21日的理論潮汐波幅為131×，CG-5重力儀提供的理論固體潮值和MT80W與Tsoft所計算的固體潮值的最大差值約為4×，在大潮日，改差值存在加大的可能性。

（2）經(jīng)靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)顯示，經(jīng)CG-5儀器自身固體潮校正后所得的殘差最大波動幅度大于8×，而采用Tsoft固體潮校正時，其殘差波動幅度和以及標準差都較小。

（3）因檢測地區(qū)地處內(nèi)陸，不受海潮影響，CG-5的殘差波動的主要影響因素為日漂移的非線性和固體潮模型誤差。且經(jīng)18天的靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)分析得出，固體潮理論值波幅與殘差波幅以及其標準差之間的相關性極低，可直接忽略不計。

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