零漂改正

零漂改正是指對測量儀器零點漂移引起的測量值隨時間變化所加的改正。

基本介紹

• 中文名：零漂改正
• 外文名：correction of zero drift
• 學科：物理
• 類別：科學
• 套用：垂直重力梯度

概念

零漂改正是指為了克服傳統陸地重力梯度測量方法的不足，提出了利用兩台或多台具有電子讀數的相對重力儀測量重力梯度的同步觀測方法和相應的數據處理模型，該方法無需進行固體潮改正和零漂改正而直接求解重力差，垂直重力梯度實驗結果驗證了該方法的有效性。

重力梯度是重力位的二階導數，反映了地球重力場在全空間的變化率和水準面的曲率，具有比重力本身更高的解析度，能夠更好地反映場源體的細節和探測地下物質的分布及界面起伏等。重力垂直梯度是重力梯度張量中最重要的分量，主要套用於反演近地表異常物體、推求地球內部重力。

零漂改正對中國地殼運動觀測重力數據的處理

中國地殼運動觀測網路相對重力聯測工作由LCR-G型重力儀施測。由於LCR-G型重力儀具有零漂率小（<5 μGal/h）且基本呈線性的優點，因此，傳統的重力網平差模型主要採用線性零漂的處理方法，即認為重力儀零漂率在觀測過程中保持不變，將其作為未知參數與測點重力值一併進行平差。然而實際外業測量中，其零漂的長期變化可能存在非線性。由於中國地殼運動觀測網路觀測時間跨度大，在數據處理中將零漂率作為固定常數可能不合適。本文利用中國地殼運動觀測網路2000年流動重力觀測數據，探討相對重力儀零漂的不同處理方法對重力網平差結果的影響。

相對重力儀零點漂移

重力儀漂移是由彈簧張力的衰減及未被補償或未被禁止的外界作用引起的。為減弱或消除零點漂移對觀測數據的影響，一般採取往返閉合觀測的方式，即A－B－C…C－B－A的觀測順序，並要求閉合時間應儘量縮短。如果能適當控制漂移，便可以識別出較大的跳動，從而消除其影響。

相對重力數據處理

傳統平差模型將儀器的零漂改正放在平差過程中，其原始觀測數據經過儀器格值係數改正、周期誤差改正、潮汐改正、氣壓改正、儀器高改正等預處理以後得到測點間的觀測段差，將段差作為平差元素，採用間接平差模型，即可得到觀測方程為：

v_ij=g_j-g_i+d(t_j-t_i)-(g_j-g_i)

式中，v_ij為任意測點i、j之間的段差改正數；g_i和g_j為測點i、j的預處理重力值（不包括漂移改正）；t_i和t_j為i、j兩點的觀測時間；d為相對重力儀零漂率平差值；g_i和g_j為測點i、j的平差重力值。
（2）改進平差模型

改進的平差模型顧及到重力儀零漂長期變化的非線性，在數據預處理階段，按閉合觀測時間分段求取儀器零漂率並改正，將零漂改正後的預處理段差值作為平差元素，列出其觀測方程：

v_ij=g_j-g_i-(g_j-g_i)

式中，v_ij為任意測點i、j之間的段差改正數；g_i和g_j為測點i、j經漂移改正後的預處理重力值；g_i和g_j為測點i、j的平差重力值。

平差計算

利用相同的基準點及觀測數據，並賦以同樣的先驗中誤差及儀器觀測精度，分別利用兩種平差模型對觀測數據進行平差計算，結果見表1。

表1兩種模型平差計算結果一

傳統模型的後驗中誤差和重力值平均中誤差均是改進模型的2倍，平差結果也相差較大。其原因可能是，由於存在個別儀器零漂率較大的段差，利用固定的平均零漂率直接計算會引入較大誤差，使得相應段差誤差較大，甚至成為粗差。為進一步驗證改進模型的優劣，本文將傳統模型認為是粗差的觀測值刪除，並用傳統模型進行第二次平差，結果見表2。

表2 兩種模型平差計算結果二

由表2可以看出，利用傳統模型的平差結果消除數據中的粗差，並進行二次平差以後，平差精度較原始數據有了很大改進，但仍然低於改進模型，測點的平差重力值與改進模型結果的差異也大大減小。造成傳統模型誤差較大的原因，是部分測段儀器零漂率與其平均零漂率相差較大，按平均零漂率計算會導致該測段往返觀測自差及互差超限，這時通常會認為是由於儀器突跳導致；而由改進模型結果看來，這種零漂率的變化是儀器零漂特性的正常反映，只要適當地進行零漂改正即可有效地消除其影響。

相關性分析在重力儀零漂改正中的套用

研究背景

眾所周知，地面相對重力儀的核心測量單元彈性元件(彈簧)均存在零點漂移，這是重力測量中不可避免的現象。他受溫度、氣壓、電磁力、彈性元件蠕變和彈性疲勞等不穩定因素的影響，消除零漂保證重力儀的測量精度是一個複雜的問題。為了使彈簧減少非線性移動和降低漂移率，主要採取的措施：一方面研製和選用高質量的彈簧，提高重力儀整體製造的工藝水平；另一方面採用恆溫和自動溫度補償裝置，提供穩定的內在測量環境。通過這些改進，使彈簧的零漂變小並努力做到使它與時間保持線性關係，就可以使用前、後校數據對中間的測量數據做零漂校正，最後實現提高重力儀的測量精度水平。GT航空重力儀結構、重力感測器設計以及測量實現過程雖然不同，但航空重力儀的敏感單元與彈簧類似，同樣也存在這種零漂現象。我國資源型航空重力測量使用的是引進俄羅斯GT-1A航空重力儀，但由於GT-1A航空重力儀量程小、抗顛簸能力差等原因，造成飛行生產效率低下。中國國土資源航空物探遙感中心通過與GT公司合作，將現有的GT-1A型升級到GT-2A型，升級後的航空重力儀具有更大的動態範圍(±1g)和更低的噪聲水平。GT航空重力儀均設計了二級溫控系統，溫控精度不大於0．01°C，重力感測器處在一個精度更高的恆溫環境中，24h漂移不大於5mGal/day。GT航空重力儀通過重力感測器精密設計和高精度溫控系統的使用，控制了感測器大部分的非線性漂移，使通用零漂改正方法在航空重力測量中變得可行。

航空重力儀內部溫控精度雖然很高，但是感測器單元受外界環境溫度變化還是比較敏感，尤其在夏、冬兩季，外界極端的高、低溫度和劇烈的溫差變化下，溫控溫度發生細微的變化，就會連鎖反應到重力感測器敏感元件的測量中。發現這種重力值變化與外界溫度以及儀器內部多級溫控之間都存在一定的規律。筆者對感測器靜態測量數據進行固體潮改正和零漂改正後，使用一元線性回歸方法對初步改正過的靜態數據和儀器溫控數據建立回歸方程進行處理。這種方法研究了感測器測量值和溫度之間的關係，提高了處理航空重力儀靜態數據的精度水平。筆者探討了影響感測器測量精度的關鍵因素並改進了零漂改正方法，對下一步實際套用擬合方法進行動態測量中的零漂改正建模研究，具有很好的借鑑意義。

最小二乘零漂改正

靜態數據經固體潮改正後，數據零漂特徵幾乎沒有被改變，為了與儀器腔體內的溫度做相關性分析，還需要去除零漂現象。此處的零漂改正方法使用常規公式，根據i和j已知點，推算n=1，2，…，N，所有點的零漂改正值，公式如下:

如何選擇已知i和j點，地面重力和航空重力通常做法是通過前、後校數據獲得。本試驗數據為航空重力儀在停機坪測量的靜態數據，所測數據受環境溫度變化的影響比較嚴重，數據中伴隨的擾動也較大，這個擾動量甚至要大於數據的零漂趨勢。在這種情況下，如果選用首、尾位置在波動性較大的數據中做零漂改正就顯得不太合理，也必然會引入較大的改正誤差，此處提出使用最小二乘方法尋找比較合理的i和j數據點後，再對數據進行線性零漂改正。

如果直接進行首、尾點零漂改正的精度為0.42 mGal，改正後也會使首、尾數據點相等而拉成水平走勢。使用最小二乘零漂改正的精度略有改善，但這不是主要的，最終目的是為了使這組數據與儀器腔體溫度變化呈現出更好的一致性。假如靜態數據做完固體潮改正後，與溫度走勢吻合度較好，也可以跳過最小二乘零漂改正這一步。

研究結論

筆者採用相關性分析方法對航空重力儀靜態數據中的擾動量與儀器腔體內溫度數據進行了研究，獲得兩者之間具有較強的相關性，並建立了合理可靠的回歸方程，最終改正後的重力靜態數據標準差精度有了很大的提高。這對深入理解感測器零漂改正處理方法和套用於動態測量數據中的零漂改正預測研究具有實際意義。

航空重力儀結構複雜，實際的測量環境也是變化無常。一方面二級溫控系統控制了感測器大部分的非線性漂移，但也不排除偶發的非線性突變現象；另一方面，重力感測器的零漂現象不僅受溫度影響，還可能受氣壓、機載振動等因素的干擾。如何建立一個更加合理的多元線性回歸模型或者非線性回歸模型，還有待於進一步開展深入研究。