海洋重力场在潜艇导航中的应用_陈勇
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海洋重力场在潜艇导航中的应用
陈勇1吴太旗2胡德生1
(1海军工程大学武汉430033;2海军海洋测绘研究所天津300061)
摘要:重力场辅助水下导航是一种绝对无源的导航方式,是21世纪潜艇导航的发展方向。从改善潜艇惯性导航系统性能出发,通过对海洋重力场用于潜艇水下辅助导航的两种方式进行论述,给出了详细的应用过程和方法,并提出了相应的改进措施,为进一步将海洋重力场用于潜艇指明了方向。
关键词:海洋重力场惯性系统精度改善图形匹配潜艇导航
海洋是人类资源的宝库,随着人类对海洋认知的提高,人类对于海洋的开发利用日益增多,海洋在各个国家的发展中具有非常重要的地位。海军作为维护国家主权和海洋权益的主要兵种担负的责任越来越重,而潜艇作为海军中的重要力量具有杀手锏的作用。潜艇水下导航主要利用惯性导航系统(I N S),但是I N S定位误差随时间积累,影响了潜艇水下的有效攻击时间,而利用GPS等无线电辅助导航和天文导航又降低了潜艇的隐蔽性,不利于潜艇的生存。重力场辅助的水下无源导航系统率先被美国提出,并于1983年成功地在海上进行了实验测试,后来部署在美国海军的三叉戟潜艇上,重力场辅助水下导航系统逐步成为21世纪潜艇的发展方向,成为了各个国家研究的热点[1,2]。
1海洋重力用于潜艇导航的主要方式
海洋重力用于潜艇导航,主要在以下两个方面对原惯性系统进行改进;一是利用精确的实测重力信息改善以往惯性系统中简单利用正常重力信息进行位置、速度计算带来的误差,从惯性系统本身角度提高系统的定位导航精度;二是利用重力场图形匹配技术进行组合导航,通过利用外部重力场信息对惯性系统进行组合导航,限制误差随时间积累的特性,提高系统的定位精度,延长系统的重调周期。2重力场信息对惯性系统自身精度的改善惯性导航系统的基本原理是通过测量载体的加
收稿日期:2008-07-29
作者简介:陈勇(1979-),男,湖北天门人,博士,讲师;主要从事军事海洋环境与航海方面的理论与应用研究
工作。速度,积分后得到载体的速度,再次积分就可以得到位置信息。
2.1基本原理
惯性系统定位的关键是进行加速度的测定和分离,即比力方程。根据牛顿定理,惯性系统的比力方程在当地水平坐标系(L)下可以用(1)式表示[3]:
f L=V&+(2X L ie+X L eL)@V L-
g L(1)
式中:(2X L ie+X L eL)@V L为科里奥里(Coriolis)加速度V、V&分别为载体的运动速度和加速度矢量,f L 为加速度计的观测结果,即比力,g L为当地的重力加速度。
目前,几乎所有的惯性导航计算中所采用的重力加速度,都不是当地的实际重力值,而是采用正常重力模型计算得到的正常重力值。国内外许多学者对该问题进行了深入研究[4,5],并提出了一些模型改进措施,但无论采用哪种重力场模型进行计算,求得的正常重力或正常引力都只是实际重力场的近似表示,二者之差就是扰动重力。文献[6]从扰动重力和重力垂线偏差两个方面对此进行了比较详尽的研究,结果表明,随着惯性系统本身精度的不断提高,用正常重力代替实际重力进行惯导系统力学编排计算带来误差,越来越成为一项突出的定位误差源,需要减弱其影响才能将惯性系统导航定位精度上一个新的台阶。
2.2改进措施
对惯性进行重力误差的补偿可以有两种方式:一种是通过安装重力测量装置,将实测重力数据引入惯性系统的编排方程,进行导航解算,减弱重力参数不准确带来的影响,达到实时重力误差补偿的目
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的,另一种是建立相应的重力误差补偿统计模型,通过给定重力误差直接计算出引起的位置和速度误差量,直接对定位结果进行补偿。当然,比较精确的是第一种补偿方法,但是要对硬件系统内部进行改进,要求比较高,需要在惯性系统的设计阶段进行,同时也增加了惯性系统的成本。3 重力场图形匹配技术
重力场图形匹配技术总体上说就是利用地球重力场特征获取载体位置信息的导航技术,匹配导航
系统通常由惯性导航系统、重力背景场数据库、重力传感器、高性能计算机组成,在载体运动过程中,重力传感器可获得重力场的特征数据,同时根据惯导系统提供的概略位置信息,利用一定的匹配算法或准则进行解算,从而求得最佳的匹配位置,并利用该信息对惯导系统进行反馈校正,在不影响惯性系统本身隐蔽性的基础上,最终提高惯性系统的导航定位精度,满足未来战争对潜艇的苛刻要求。其详细过程如图1
所示。
从图中可以看出,进行重力场图形匹配首先要解决好以下两个关键问题。
3.1 高精度重力背景场的数据准备
要进行重力场图形匹配,其首要条件就是要有高精度、高分辨率的重力背景场。从目前情况看,这个条件也已基本具备。首先,各种高精度测高卫星的发射,如TOPEX 、ERS-2、Env isat 和Jason ,使得利用测高数据反演高精度和高分辨率的海洋重力场异常成为现实
[7]
,目前已可以通过反演获得分辨率2c
@2c 的较高精度的海洋重力异常;其次,海军测绘部队近年来也完成了中国海域的许多测量任务,特别是国家相关专项任务,获取了许多重点海区高质量、高分辨率、高精度重力数据;最后,国家海洋局、中石油等部门也对许多海域进行了详细的重力调查,收集了大量的相关重力数据。所有这些数据通过进一步的精化和融合,利用精确的插值技术进行加密处理,获取满足重力匹配导航需要的重力数据基础是可以实现的。
3.2 重力图形匹配算法
重力图形匹配方法[8]
是进行重力场图形匹配的核心,简单地说就是通过实测重力与存储的重力数据进行匹配,实现对水下航行器的定位。目前用于重力场图形匹配的方法主要有两大类:扩展卡尔曼滤波匹配方法和相关匹配方法。
扩展卡尔曼滤波匹配方法的主体思想就是将存储的数据图作为系统的量测方程,把惯导系统的误差方程、重力仪器误差方程等作为状态方程,组合在一起进行卡尔曼滤波,从而获得系统状态的的最优估计,最终实现对惯导系统的重调校正,提高整个系统的导航精度,延长惯导系统的重调周期。根据量测方程建立的模式不同,该方法又可以分为位置速度匹配、重力异常匹配方式、重力梯度匹配方式、重力异常和重力梯度联合匹配方式和重力垂线偏差匹配方式等多种方式。
相关匹配方式是通过实测量序列与数据图中所有可能的基准序列进行相关,计算实测数据和基准序列的相关度,然后将最相关的基准序列对应的位置定位为匹配位置。基本的相关算法有:平均绝对差算法、平均平方差算法和乘积相关算法等。目前国外见于报道的相关匹配方法主要是I CCP (the
Iterated C l o sest C ontour Po i n t)匹配算法[9]
,I CCP 算法来源于图像的配准,主要是通过最近点的迭代实现测量图像与模型之间的对准和匹配。其缺点主要包括两个方面:a .要求重力传感器没有测量误差,最终准确匹配到与测量重力值具有相同重力值的点上;b .要求目标点选取为相同重力等值线上与惯导提供的概略位置点最接近的点,这就要求真实航迹必须在提供的概略位置很近的位置的上。基于这两
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海洋重力场在潜艇导航中的应用 陈勇 吴太旗 胡德生
方面的缺点,在一些时候容易产生多值性,出现误配现象,导致匹配失败。另外,该方法利用点集的旋转平移交换进行匹配,降低了匹配的实时性。为此,国内也有不少学者提出了改进方法[10,11],提高了相关匹配算法的可靠性和适和性,有一定的借鉴作用。
4结束语
随着现代反潜技术的提高,潜艇受到的挑战越来越大,隐蔽和精确导航是潜艇发挥战斗力的保证。基于重力场辅助的惯性导航技术就是这种绝对无源的导航定位技术,具有极高的军事价值和发展前景。同时海洋重力参数作为潜射导弹的一个重要参数,是保证精确打击目标的基础,具有不可忽视的作用。由此可见,海洋重力在潜艇中具有非常重要的作用。目前,很多国家都在进行这方面的探索和研究,美国和俄罗斯已经投入了实际应用,而我国还处在预研阶段,有多所大学和海军科研院所正在进行这方面的研究。
参考文献
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天津市航海学会2008年度获奖情况
1、/学会之星0
天津市科协为总结推广本市各学会在新形势下组织建设、能力建设、实力建设等方面的先进经验,表彰2006-2007两年来在为经济社会发展服务、为提高全民科学素质服务、为广大科技工作者服务等方面做出突出成绩的学会和学会工作人
员,在2008年1月31日召开的/天津市科协2008年学会工作总结会议0上授予天津市航海学会/天津市科协2006-2007
年度学会之星0荣誉称号。
学会副秘书长、学术工作委员会主任袁洪满同志被授予/学会工作先进个人0荣誉称号。
2、/磁罗经技术服务工作先进集体0
为了不断提高磁罗经服务水平和校正技术,保障船舶航行安全,中国航海学会磁罗经技术服务部于2008年4年期间对全国各地区磁罗经技术服务分部的2005年-2007年磁罗经技术服务工作开展了评优活动。经综合评估、全面评价,天津磁
罗经技术服务分部被评为/磁罗经技术服务工作先进集体。0
天津分部校正师田润宝同志被授予/磁罗经校正工作先进个人0称号。
3、/科技周优秀组织单位0
经天津市科技周活动组委会评选,天津市航海学会再次被评为/天津市第二十二届科技周优秀组织单位0。
学会副秘书长兼普及工作委员会主任李玉洪同志在活动中积极组织筹备,为航海学会科技周活动的成功举办做出了贡献,被评为/天津市第二十二届科技周优秀组织者0。
4、优秀论文获奖情况
通过征集、筛选,并经2008年度中国航海学会学术年会评选委员会评定,天津市航海学会推荐、报送的由浙江海事局徐国毅等撰写的5舟山海区事故多发原因与对策研究6、天津海事局李伟撰写的5船舶碰撞事故中违规操作的回归分析6和天
津海事局航测科技中心夏启兵撰写的5基于北斗一号的航标监控系统6三篇论文均获得中国航海学会优秀论文三等奖。
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地球重力场分布规律
摘要：文章采用目前与中国大陆匹配最精准的egm2008模型，结合srtm高程数据，计算5.12地震灾区高程异常，分析了重力场分布规律。得出结论：重力场随着距震中位置的增大呈现负相关趋势。提出以下猜想：地震对小范围内重力位的影响远远大于大范围内的影响。 关键词：地球重力场；egm2008；地震灾区 引言 地球重力场是最基本的物理场，由地球系统的物质属性产生，反映由地球各圈层相互作用和动力过程决定的物质空间分布、运动和变化，承载重力场作用机制相关信息，地球重力场时空演化与地球系统的动力过程有重要的联系。因此，物理大地测量学与所有研究地球各圈层物质运动及其动力学机制的学科有交叉领域。高精度高分辨率的重力数据及以此构建的高阶地球重力场模型及时变信号，是地球动力学、地球内部物理、海洋物理及动力海洋学等相关学科研究必需的基础信息，精细的全球重力场信息会加深人们对地球系统各圈层的物质异常分布、物质的循环及动量及能量交换机制的认识，精化相关地学的模型参数，以达到对地球系统、其子系统及整体的动力学过程和行为有更深层的理解。 5?12汶川地震，发生于北京时间（utc+8）2008年5月12日14时28分04秒，震中位于中华人民共和国四川省阿坝藏族羌族自治州汶川县映秀镇与漩口镇交界处。5?12汶川地震严重破坏地区超过10万平方千米。其中，极重灾区共10个县（市），重灾区共41个县（市），一般灾区共186个县（市）。此次地震是中华人民共和国成立以来破坏力最大的地震，也是唐山大地震后伤亡最严重的一次地震。文章将对四川省灾区范围从重力异常的计算、灾区重力异常分布规律（e100°36′～108°31′，n27°50～34°19′）（如图1）展开论述。 1 计算重力场模型 egm2008地球重力场模型使用bruns公式，地球表面上任意点p的模型高程异常可由下式获得： 2 计算结果分析 文章采用icgem网站进行地球重力场的计算。通过规定模型参考系统、格网精度、模型经纬度范围等选项，进行特定区域重力场的计算。输入灾区范围（e100°36′～108°31′，n27°50～34°19′），选取最小格网精度为0.005，采用egm2008模型计算高程异常值如表1，单位为m。 （e100°36′～108°31′，n27°50～34°19′）高程异常最大值为-42.074m，由上表可知： 最小值为-27.786m，高程异常极值为14.288m，平均高程异常为-34.453m。结合图1，早去范围内高程异常最大值位于重灾区，最小值位于一般灾区。分级灾区重力异常的平均值分别为：一般灾区-35.624m、重灾区-36.885m、极重灾区-36.901m。分级灾区重力异常的最小值分别为：一般灾区-28.065m、重灾区为-28.707m，极重灾区为-32.822m。分级灾区的重力异常最大值分别为：一般灾区-42.074m、重灾区-41.644m、极重灾区-40.980m。
实时ICCP算法重力匹配仿真
第19卷第3期 中国惯性技术学报 V ol.19 No.3 2011年6月 Journal of Chinese Inertial Technology Jun. 2011 收稿日期：2011-01-14；修回日期：2011-05-16 基金项目：国家自然科学基金项目(40774002, 40904018，41071295)；国家杰出青年基金项目(40125013) 作者简介：童余德（1984—），男，博士研究生，从事重力匹配辅助导航技术研究。E-mail ：tongyude@https://www.sodocs.net/doc/cd9221658.html, 联 系 人：边少锋（1961—），男，教授，博士生导师。E-mail ：sfbian@https://www.sodocs.net/doc/cd9221658.html, 文章编号：1005-6734(2011)03-0340-04 实时ICCP 算法重力匹配仿真 童余德，边少锋，蒋东方，肖胜红 （海军工程大学 导航工程系，武汉 430033） 摘要：利用地球物理场进行辅助匹配导航是组合导航技术研究领域的新方向，该技术为水下潜器无源定位提供新的手段。迭代最近等值线算法作为重要的匹配导航算法之一，但存在实时性不强、搜索速度慢等缺点。考虑到以上两方面缺点，采用固定初始序列长度的方式对算法采样结构进行改善并推导出单点迭代公式，同时采用滑动窗搜索方式缩小搜索范围提高算法速度，最终实现实时ICCP 算法设计。基于MATLAB 平台下实现了实时ICCP 算法重力匹配仿真系统，仿真系统采用0.40.4′′×重力异常数据库。由仿真结果可以看出，该实时ICCP 算法能够实现单点迭代，匹配结果能实时跟踪真实航迹且匹配精度能达到一个重力图网格。 关 键 词：迭代最近等值线算法；重力匹配；辅助导航；实时 中图分类号：U666.1 文献标志码：A Gravity matching simulation of real-time ICCP algorithm TONG Yu-de, BIAN Shao-feng, JIANG Dong-fang, XIAO Sheng-hong (College of Electrical Engineering and Information Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China) Abstract: The aided navigation with geophysical field is a new research direction in integrated navigation technology, and it provides a new method for the autonomous and passive navigation of underwater vehicle. As one of the important matching navigation algorithms, the Iterative Closest Contour Point (ICCP) algorithm has some disadvantages such as bad real-time performance, low searching speed. With respect to the two limitations mentioned above, the way to fix length of the sample sequence is adopted to improve the sampling structure, and a new iteration equation with single sample point is derived. What’s more, the searching mode of moving window is adopted to reduce the searching area and improve the operation speed of the algorithm. Finally, the real-time ICCP algorithm is designed. The gravity matching simulation system of real-time ICCP algorithm is implemented based on MATLAB, and the system adopts 0.40.4′′× gravity anomaly database. The simulation results show that the matching results can track the real positions in time and the matching error is restrained to one gravity map grid. Key words: iterative closest contour point algorithm; gravity matching; aided navigation; real-time 潜艇水下航行要求其具备高度的隐蔽性。目前，潜艇水下导航主要采用惯性导航定位技术。然而，惯性导航系统(INS)定位误差随时间积累，无法长时间保持高精度。重力匹配辅助导航能有效地对惯性导航系统误差进行水下重调校正，是真正意义上的无源导航。 该技术已引起人们极大的关注，其代表性产品包括美国Lockheed Martin 公司研制的通用重力模块(UGM)所组成的重力导航系统(NGS)和贝尔公司研制的重力辅助导航系统(GAINS)。 匹配算法是重力辅助惯性导航技术中的核心问
《惯性导航简介》
惯性导航简介 ——《导航概论》课程论文 专业：测绘工程A组姓名：师嘉奇学号：2015301610091 一.摘要与关键字 1.本文摘要：本文主要对导航工程的基本内涵，方法与原理进行简单介绍，主要介绍有关惯性导航的相关内容，并且根据在本学期《导航概论》这门课程上所学习的内容谈一谈自己对导航应用的设想以及对本课程教学的建议。 2.关键字：惯性导航，定位技术，应用与服务，发展与前景 二.导航工程基本内涵 导航定位的历史与人类自身发展的历史一样久远。人类的导航定位活动源自于其生活和生产的需要。陆地上的导航定位最早发生在人类祖先外出寻找食物或狩猎的过程中，那时，他们通常在沿途设置一些特殊的“标记”来解决回家迷路的问题。随着探索遥远地域的愿望与行动的出现，他们则通过观察和利用自然地标（如山峰、河流、树木、岩石等)以及自然天体（恒星)来解决导航定位问题这也使得他们能够翻越高山、跨越河流。谈到导航，很多人会认为这是一个在近现代才提出的词汇，但是，导航的历史已经非常久远了。从古代黄帝作战使用的指南车，到战国时期的司南，从近代航海使用的指南针，再到当今社会人手一部的智能手机，导航已经有了很悠久的历史。那么，导航工程的基本内涵到底是什么呢？
首先，我们可以通过两个英文的句子来大概了解一下到底什么是导航“when am I？”和“How and when to get there?”，这两个问题问的是我现在在哪？我要怎么到那里去？它们也指出了导航的内涵，那就是在哪，怎样去，多久到达。因此，通过科学的定义，将航行载体从起始点引导到目的地的过程称为导航，导航系统给出的基本参数是载体在空间的即时位置、速度和姿态、航向等，导航参数的确定由导航仪或导航系统完成。通过这种技术引导载体方向的过程即为导航。导航是解决人，事件，目标相互位置动态关系随时间变化的科学，技术，工程问题。 在室外或者自然环境中的导航，按照载体运动的范围，可分为海陆空天(海洋、陆地、空中、空间)导航四类；按照所采用的技术，常用的导航方法有，天文导航、惯性导航、陆基无线电导航、卫星导航、特征匹配辅助导航（如地形匹配、地磁匹配、重力匹配)等，以及上述导航方法之间的不同组合（组合导航）。室内定位导航作为当今导航技术发展的个重要分支，它借鉴室外导航的相关技术，同时结合现代通信技术、网络技术传感器技术以及计算机技术的最新发展，已经成为一个重要的研究热点并在人们日常工作和生活中逐步得到应用。室内导航与自然环境中的导航既有联系又有其自身的特点，其主要差异是来自于应用环境及所采用的技术方法不同。 导航系统有两种工作状态：指示状态和自动导航状态。如导航设备提供的导航信息仅供驾驶员操纵和引导载体用，则导航系统工作为指示状态，在指示状态下，导航系统不直接对载体进行控制，如果导
GPS惯性导航系统
惯性导航系统（INS ）与全球卫星定位系统（GPS ） 来源：中国自动化网 作者： 发表时间：2010-06-30 08:26:00 1 摘要 目前飞行器所使用的导航系统，能适应全天候、全球性应用的确实不多。传统无线电导航，如塔康（TACAN ）等，在应用上存有很多的限制和不便之处。而为改善此缺点，一套不需要其它外来的辅助装置，就可提供所有的导航资料，让飞行员参考的惯性导航系统（Inertial Navigation System ），虽已被成功发展并广为应用，但其在系统上的微量位置误差会随飞行时间的平方成正比累积，因此长时间飞行会严重影响到导航精确度，如果没有适当的修正，位置误差在一个小时内会累积超过300米。另一套精密的导航系统GPS ，其误差虽不会随时间改变，但GPS 并非万能，有优点，也有先天的缺陷，它在测量高机动目标时容易脱锁并且会受到外在环境及电磁干扰，再者GPS 短时间的相对误差量大于INS ，若只依靠它来做导航或控制，会造成相反效果。所以在导航系统设计上，常搭配惯性系统来使用，正巧GPS 与INS 有互补的作用，可经过一套运算法则，将两者优点保留，去除缺点，本文即针对两种导航系统特性进行探讨，并利用卡尔曼滤波器法则完成简易测量数据关系推导，设计一套“GPS/INS 组合式导航系统”。 2 前言 早期舰船航行常利用“领航方法”来决定载体的位置及方向，观察陆地突出物，来引导船身驶向某处目标。随着飞行器的问世，初期飞行也全凭借着飞行员对当时自我方向、距离、高度及速度的感觉来控制驾驶，执行起飞、落地及飞机转场等等动作。这种控制载体由一个地方到另一个地方其间方向与距离指示的艺术，就称之为“导航”（Navigation ）。然而仅仅依循着人为的导航方式，在天气良好条件下或周遭存有许多明显参考目标物时，单纯凭目视来判断飞行并不困难；但如果遇上天气条件不佳、能见度差、参考目标不存在活不明显时，就得依靠飞行员的经验、技巧及运气来进行方位及位置的判别，这无形中会造成飞行员的压力，更会严重影响到飞行安全的诸多不确定因素。因此，人们就积极开发各种导航技术，借着科技的快速发展与进步，导航的艺术也变得更多样化且精确可靠。 “导航科学”可定义为“计算并决定一个载体的位置与预先设定的目的地的方向的一种应用”。 较先进的无线电导航，如罗兰（Loran ）、超高频全向装置（VOR ）、距离测量装置（DME ）、塔康（TACAN ）及多普勒（Doppler ）等均相继被开发出来，成功有效的帮助了航行者，提供导航重要的参考依据。然而，无线电系统毕竟尚有很多限制和不便之处，如使用距离、地物遮蔽等均可能会造成功能失效。另外，无线电导航其基本架构是需要“基地站”发射定位无线电信号，经飞机上的“接收机”天线接收、处理及计算才能显示两点的关系，获得导航资料；只要其中一方失效或无线电传输不良，即无法进行导航工作，这对在茫茫的空中飞行是一件非常危险的事情。因此到上个世纪50年代，美国国防部认为有必要发展一套导航系统，不需要其它外来的辅助装置，就可提供所有的导航数据资料，让飞行员参考。就在当时，由麻省理工学院（MIT ）开发出第一套飞机使用的惯性导航系统（Inertial Navigation System ），此系统完全自我包容、为独立源、不受外界的环境影响即可测量并提供所有的导航资料，包括载体的精确位置、对地速度、姿态与航向等，提供给自动导航仪及飞行仪表（如地平仪及方位仪等）。由于惯性导航系统的功能、尺寸大小、重量等特性远比其它导航系统要好，所以近年来INS 始终能在导航领域独占鳌头。 然而惯性导航系统所提供的位置信息，仍有少量的误差，虽然其误差变化很慢，但位置误差的累积随飞行时间的平方成正比；因此对长时间飞行的导航精确度会有所影响；如果没有适当的修正，位置误差在一小时之内会累积超过300米，所以INS 虽然是一种独立自主的工作系统，但仍有缺点，而造成误差的原因不外与加速度计及陀螺仪的品质、重力场变化、起始位置、方位输入值及安装误差等因素有关。当然系统本身的品质，因价格的不同，仍有很大的差异。由于INS 主要误差源为陀螺仪的角速率漂移率及加速度计的偏差，且会因时间的累积而扩大，因此若能采用某种设备，在一定时间内适当修正INS 所造成的误差，一定可以大幅度改善系统导航精确度。 到60年代，美国海军开发出一套TRANSIT 导航卫星供舰船及潜艇定位使用，至今，地面许多载体仍然
地球重力场及影响重力场的几个因素
地球重力场及影响重力场的几个因素 【摘要】地球重力场的研究始终是大地测量科学研究的核心问题，也是现代大地测量发展中最活跃的领域之一。地球重力场反映了地球物质的空间分布及地球的旋转运动，它不仅决定了地球的形状和大小，而且反映了地球表面、内部以及大气和海洋的物质分布、运动和变化。 【关键词】地球重力场，相对重力测量，绝对重力测量，卫星重力探测 前言 大地测量学的主要分支之一，是研究用物理方法测定地球形状及其外部重力场的学科。也就是说地球重力场的研究始终是大地测量科学研究的核心问题，也是现代大地测量发展中最活跃的领域之一。地球重力场是大地测量学科的主要研究对象之一，也是地球物理、地质、地震与海洋等学科的重要研究对象和手段。地球重力场反映了地球物质的空间分布及地球的旋转运动，它不仅决定了地球的形状和大小，而且反映了地球表面、内部以及大气和海洋的物质分布、运动和变化。地球重力场的空间分布及其随时间变化，不仅在国民经济中具有重要意义，而且对于研究我们生存环境的变化与灾害预测也具有深远的科学意义。因此研究地球重力场也是地球科学的一项基础性任务。 地球重力场在传统大地测量中的任务是将在物理空间(即地球重力场中)的各类大地测量观测数据通过地球重力场参数转化到几何空间(即参考椭球体上，便于进行大地位置的数学计算。因此，地球重力场的观测数据和各种参数对地面大地测量的定位是起辅助作用的。 而现代大地测量是以空间技术手段(如GPS)进行三维地心坐标的定位，这种定位方式无需由物理空间向几何空间的转换，此时研究地球重力场是为了定位卫星的精密定轨，它的精度决定卫星大地测量定位的精度。因为后者需要精细地球重力场的支持，因此地球重力场对卫星大地测量起着关键性的作用。 由此可见，无论是传统大地测量，还是现代大地测量，地球重力场在其中具有不可替代的作用，尤其是在以基础地学研究为主的现代大地测量整体框架中，研究地球重力场的物理大地测量学和空间大地测量学将相互紧密结合组成大地测量学科的支柱，共同主导学科的发展。 地球正常重力场 通过合理采用坐标系，即原点取地球的质心，坐标轴取地球的主惯性轴，则地球外部的重力场可以展开成（2.90）式所示的球函数级数。如果我们取级数的
海洋重力场在潜艇导航中的应用_陈勇
#通信#导航# 海洋重力场在潜艇导航中的应用 陈勇1吴太旗2胡德生1 (1海军工程大学武汉430033;2海军海洋测绘研究所天津300061) 摘要:重力场辅助水下导航是一种绝对无源的导航方式,是21世纪潜艇导航的发展方向。从改善潜艇惯性导航系统性能出发,通过对海洋重力场用于潜艇水下辅助导航的两种方式进行论述,给出了详细的应用过程和方法,并提出了相应的改进措施,为进一步将海洋重力场用于潜艇指明了方向。 关键词:海洋重力场惯性系统精度改善图形匹配潜艇导航 海洋是人类资源的宝库,随着人类对海洋认知的提高,人类对于海洋的开发利用日益增多,海洋在各个国家的发展中具有非常重要的地位。海军作为维护国家主权和海洋权益的主要兵种担负的责任越来越重,而潜艇作为海军中的重要力量具有杀手锏的作用。潜艇水下导航主要利用惯性导航系统(I N S),但是I N S定位误差随时间积累,影响了潜艇水下的有效攻击时间,而利用GPS等无线电辅助导航和天文导航又降低了潜艇的隐蔽性,不利于潜艇的生存。重力场辅助的水下无源导航系统率先被美国提出,并于1983年成功地在海上进行了实验测试,后来部署在美国海军的三叉戟潜艇上,重力场辅助水下导航系统逐步成为21世纪潜艇的发展方向,成为了各个国家研究的热点[1,2]。 1海洋重力用于潜艇导航的主要方式 海洋重力用于潜艇导航,主要在以下两个方面对原惯性系统进行改进;一是利用精确的实测重力信息改善以往惯性系统中简单利用正常重力信息进行位置、速度计算带来的误差,从惯性系统本身角度提高系统的定位导航精度;二是利用重力场图形匹配技术进行组合导航,通过利用外部重力场信息对惯性系统进行组合导航,限制误差随时间积累的特性,提高系统的定位精度,延长系统的重调周期。2重力场信息对惯性系统自身精度的改善惯性导航系统的基本原理是通过测量载体的加 收稿日期:2008-07-29 作者简介:陈勇(1979-),男,湖北天门人,博士,讲师;主要从事军事海洋环境与航海方面的理论与应用研究 工作。速度,积分后得到载体的速度,再次积分就可以得到位置信息。 2.1基本原理 惯性系统定位的关键是进行加速度的测定和分离,即比力方程。根据牛顿定理,惯性系统的比力方程在当地水平坐标系(L)下可以用(1)式表示[3]: f L=V&+(2X L ie+X L eL)@V L- g L(1) 式中:(2X L ie+X L eL)@V L为科里奥里(Coriolis)加速度V、V&分别为载体的运动速度和加速度矢量,f L 为加速度计的观测结果,即比力,g L为当地的重力加速度。 目前,几乎所有的惯性导航计算中所采用的重力加速度,都不是当地的实际重力值,而是采用正常重力模型计算得到的正常重力值。国内外许多学者对该问题进行了深入研究[4,5],并提出了一些模型改进措施,但无论采用哪种重力场模型进行计算,求得的正常重力或正常引力都只是实际重力场的近似表示,二者之差就是扰动重力。文献[6]从扰动重力和重力垂线偏差两个方面对此进行了比较详尽的研究,结果表明,随着惯性系统本身精度的不断提高,用正常重力代替实际重力进行惯导系统力学编排计算带来误差,越来越成为一项突出的定位误差源,需要减弱其影响才能将惯性系统导航定位精度上一个新的台阶。 2.2改进措施 对惯性进行重力误差的补偿可以有两种方式:一种是通过安装重力测量装置,将实测重力数据引入惯性系统的编排方程,进行导航解算,减弱重力参数不准确带来的影响,达到实时重力误差补偿的目 54天津航海2008年第4期
地球重力场的奥秘
龙源期刊网 https://www.sodocs.net/doc/cd9221658.html, 地球重力场的奥秘 作者：籍利平 来源：《百科知识》2008年第24期 在人们的印象中，测绘学的工作似乎主要只是绘制各种比例尺地图而已。其实，测绘学研究的内容并非如此单一。 作为地球科学的一个分支，测绘学要研究、测定和推算地面及其外层空间点的集合位置、确定地球形状和地球重力场，获取地球表面自然形态和人工设施的几何分布以及与其属性有关的信息，编制全球或者局部地区各种比例尺的普通地图和专题地图，建立各种地理信息系统，为经济发展和国防建设以及地学研究服务。 大地测量学是测绘学的组成部分之一，主要是研究地球的形状、大小和重力场，测定地面点几何位置和地球整体与局部运动的理论和技术。 在大地测量学中，测定地球的大小指的是测定地球这个椭圆形球体的大小；研究地球形状是指研究大地水准面的形状。 在固体地球物理学中，地球重力场也是其组成部分之一；在天体力学和航天科学中，地球重力场也占据重要位置。所以，地球重力场具有交叉学科的性质。 什么是地球重力场 在中学我们已经学过，地球重力是由于地球的吸引而产生的力。严格地说，地球重力不仅是由于地球对物体吸引这种单一力所造成的，而是由地球对物体的吸引力和地球自转产生的惯性离心力两个力合成的。其中，引力是决定重力大小的根本因素。在地球作用的空间内，其大小与方向和物体所在位置相关。地球重力场可以反映地球内部质量、密度的分布和变化，反映地球物质空间分布、运动和变化。地球重力场是一种物理场，分布于引起它的场源体——地球内部、表面及其周围的空间。 由于单位质量在重力场中受到的重力和重力加速度在数值上是一样的，所以在重力测量学科中，一般以重力代替重力加速度，但其单位仍然为加速度的单位。重力加速度的单位在MKS(米·千克·秒)单位制中为m/s2(米/秒2)，在CGS(厘米·克·秒)单位制中为cm/s2(厘米/秒2)；在国际单位制中，重力加速度的单位为：国际重力单位gravity unit，简写为g.u.。两者的换算关系为：1cm/s2=106g.u.。
海洋重力辅助导航的研究现状与发展_徐遵义
第22卷 第1期 地 球 物 理 学 进 展 Vol.22 No.12007年2月(页码:104～111) PRO GRESS IN GEOP H YSICS Feb. 2007 海洋重力辅助导航的研究现状与发展 徐遵义1,2, 晏 磊2, 宁书年1 , 邹华胜1 (1.中国矿业大学(北京),北京100083; 2.北京大学遥感与GIS 研究所,北京市空间信息集成与3S 应用重点实验室,北京100871) 摘 要 海洋重力辅助导航是近几年舰船导航研究的热点和前沿问题,是下一代舰船高精度导航系统.本文在进行了一般性辅助导航方法的概述之后,详细介绍了与辅助导航相关的重力场基本概念、重力辅助导航系统的主要研究内容、基本原理;从重力传感器、重力图数据处理及重力图匹配理论与算法三个方面详细介绍了其国内外研究现状,重点介绍了重力梯度仪辅助导航、重力辅助惯性导航和通用重力模块三种系统的体系结构和研究成果;总结了重力辅助导航涉及的关键技术及其发展趋势;最后给出了我国开展海洋重力辅助导航研究的若干建议.关键词 重力传感器,重力导航,无源导航,卡尔曼滤波 中图分类号 P3,TJ 6 文献标识码 A 文章编号 100422903(2007)0120104208 Situ ation and development of m arine gravity aided navigation system XU Zun 2yi 1,2, YAN Lei 2, N IN G Shu 2nian 1, ZOU Hua 2sheng 1 (1.China Universit y of Mining &Technolog y (B ei j ing ),B ei j ing 100083,Chi na; 2.Bei j ing Key L ab of S patial I nf ormation I nteg ration and Its A p plications ,Peking Universit y ,Bei j ing 100871,China ) Abstract Passive Gravity Aided Navigation (GAN )system is a new type one underwater ,which has been researched for several years as new submarine precision navigation system.In this paper ,we introduce the main research content and the basic principle of GAN ,the situation and development of the gravity sensor ,digital map processing and matc 2hing theory in home and abroad ,especially the architecture and the research results of Gradiometer As an External Navigation Aid (GA EA ),Gravity Aided Inertial Navigation System (GA INS )and Universal Gravity Module (U GM ).At last ,the key technologies and some proposals are given. K eyw ords gravity sensor ,gravity navigation ,passive navigation ,kalman filter 收稿日期 2006203210; 修回日期 2006206220.基金项目 国家安全重大基础研究项目(513060301)资助. 作者简介 徐遵义,1969年12月,男,汉族,山东济宁人,博士生,主要研究方向计算机仿真、地球探测与信息技术,中国矿业大学(北京); 晏磊,1956年10月,男,湖北武汉人,教授,博士生导师,主要研究方向导航与自动控制,北京大学遥感与GIS 研究所.(E 2mail : zunyixu @https://www.sodocs.net/doc/cd9221658.html, ) 0 引 言 目前,水下运载体的主要导航系统普遍采用惯 性导航系统(Inertial Navigation System ,INS ),为减少INS 定位误差随时间积累的问题,人们研究设计了多种辅助导航方法,定期对INS 进行修正,常用的有天体辅助导航、无线电辅助导航(如GPS )、声纳辅助导航、地形辅助导航等,但上述辅助导航手 段均要牺牲水下运载体的隐蔽性,使其安全受到威 胁,有的还要额外消耗水下运载体的大量能量.重力辅助导航是利用重力传感器测量地球重力场,根据地球重力场的变化进行定位,不需要发射和接收其它电磁信号,是真正的无源导航,成为近年舰船导航领域研究的热点和前沿 1 重力辅助导航的基本原理 重力场是一种力场,存在于地球表面及其附近
地球形状与外部重力场
浅谈大地重力学 大地测量学的主要分支之一，是研究用物理方法测定地球形状及其外部重力场的学科，又称大地重力学。也就是说地球重力场的研究始终是大地测量科学研究的核心问题,也是现代大地测量发展中最活跃的领域之一。更因为地球重力场是地球的一个物理特性,它可以反映地球内部物质分布、运动和变化状态,并制约地球本身及其邻近空间的一切物理事件,因此研究地球重力场也是地球科学的一项基础性任务。地球重力场在传统大地测量中的任务是将在物理空间(即地球重力场中)的各类大地测量观测数据通过地球重力场参数转化到几何空间(即参考椭球体上) ,便于进行大地位置的数学计算。因此,地球重力场的观测数据和各种参数对地面大地测量的定位是起辅助作用的。而现代大地测量是以空间技术手段(如GPS)进行三维地心坐标的定位,这种定位方式无需由物理空间向几何空间的转换,此时研究地球重力场是为了定位卫星的精密定轨,它的精度决定卫星大地测量定位的精度。因为后者需要精细地球重力场的支持,因此地球重力场对卫星大地测量起着关键性的作用。由此可见,无论是传统大地测量,还是现代大地测量,地球重力场在其中具有不可替代的作用,尤其是在以基础地学研究为主的现代大地测量整体 框架中,研究地球重力场的物理大地测量学和空间大地测量学将相互紧密结合组 成大地测量学科的支柱,共同主导学科的发展。 下面，我们从宁津生的《跟踪世界发展动态致力地球重力场研究》学术报告出发，谈谈对大地重力学的认识。 一、从斯托克司理论到莫洛坚斯基理论 研究是从实践开始的。1957年参与了当时国家测绘总局在全国范围内建立“57国家重力基本网”的工作,接着在1958年学校聘请了原苏联莫斯科测绘学院的布洛瓦尔( V . V .Brovar)教授前来系统而全面地讲授莫洛坚斯基(M. S.Molodensky)真地球形状理论。从此,我国的地球重力场理论研究和生产实践就从斯托克司理论框架全盘转化到莫洛坚斯基理论框架。例如,在建立全国天文大地网中将旧的三角测量处理中需二次归算的展开法过渡到仅需一次归算的投影法;推求大地高由原来采用大地水准面差距转变为采用高程异常(即似大地水准面概念) ,其中引 进了天文重力水准方法;高程系统则由原来的正高转变成正常高等等。这一切都是基于莫洛坚斯基理论所确定的地球自然表面形状,其理论是严密的,相对地说克服了斯托克司理论中由于重力归算等引进的非真实性假设而引起的大地水准面不确定性的理论缺陷,从理论上说可以提高大地测量确定地球形状和地球重力场以 及定位的精度。随后,国家测绘总局在全国范围内建立国家天文大地网(即8 0坐标系) ,并在全国布设天文重力水准网,以满足建立国家天文大地网中归算大地测 量观测数据的需要。为了这种需要,同时也为了教学的需要,我们对莫洛坚斯基理论及其天文重力水准的理论、方法和精度进行了更深入的理解和研究,特别是对由布洛瓦尔为我国设计的天文重力水准和相应的加密重力测量的布设方案,结合我国的具体情况提出了修改和完善的意见,研究了天文重力水准对重力资料的精度要求,其中包括对莫洛坚斯基和方俊两个天文重力水准计算模板进行了比较,并在理论研究的基础上对天文重力水准方法进行了较全面的试验。这些研究成果部分地被收入我国修订的《天文重力水准测量细则》,为我国开展天文重力水准测量
第六章——地球重力场模型
第六章 地球重力场模型 随着空间技术的进步和发展，现在不但有可能根据卫星轨道根数的变化精确地确定地球动力形状因子2J ，而且有可能结合卫星测高仪、卫星追踪卫星技术、卫星重力梯度仪等空间技术的测量结果以及地面重力测量结果计算出地球大地位球函数展开的高阶项系数。以一组数值球函数展开系数表示的地球大地位称为地球重力场模型，地球重力场模型一方面支持卫星轨道的精确计算，另一方面可以给出地面上的长波重力异常场，为研究地球内部结构及其动力学过程提供重要的地面约束条件。 6.1 大地位的球函数展开 现将第二章已经讨论过的大地位球函数展开中的有关公式汇总如下。用r 表示地球外部空间任一点P 的径矢，则根据（2.2.18）式，地球在P 点的大地位球函数展开表示为 其中kM 为地球的地心引力常数，a 为地球的赤道半径，θ、λ分别为P 点的地心余纬和 经度，(c o s )m n P θ为cos θ的n 阶m 次伴随勒让德多项式， (c o s )c o s m n P m θλ、 (cos )sin m n P m θλ为归一化的n 阶m 次球面函数，根据（2.2-1.3）式、（2.2-1.6）式和（2.2-1.8）式，()n P x 、 ()n P x 、()m n P x 、 ()m n P x 分别为 m n c 、m n s 和m n c 、m n s 分别为大地位球函数展开系数和规一化的大地位球函数展开系数，根据 （2.2.20）式，有
根据（2.3.4）式、（2.3.5）式，大地位二阶球函数展开系数等于 其中A 、B 、C 分别为地球绕1Ox 、2Ox 和其旋转轴3Ox 轴的转动惯量，12I 、23I 、13I 分别为地球绕相应轴的惯性积，大地位球函数展开有时写成下面的形式 nm J 、nm K 与大地位球函数展开系数m n c 、m n s 之间的关系为 2J 称为地球的动力形状因子。当3n 时， ()n P x 、 ()m n P x 的表达式如表6.1.1所示。
(武汉大学大地测量学课件)第三章 地球重力场及地球形状的基本理论
第三章 地球重力场及形状的基本理论 1
2 3.1.1 地球的概说（略）3.1.2 地球运动概说 地球是太阳系中的一颗行星，它有自转和公转运动。1、地球的自转 地球的自转即地球绕地轴由西向东旋转。 地球的绕地轴旋转360度的时间：太阳日、恒星日。地球的自转速度： 2co s )R h V T π ?+= （2T πω=
3 2、地球的公转 地球的公转满足开普勒三大行星运动定律 (1)行星运动轨迹是椭圆，太阳位于其椭圆的 一个焦点上 直角坐标方程：极坐标方程： f 真近点角，p 为焦参数（半通径） 2 2 a b e a ?= 2 2(1) b p a e a ==?222 2 1x y a b +=1c o s p r e f = +
4 (2)行星运动在单位时间内扫过的面积相等；在时间t 内扫过的面积s 相等，则面速度 可根据能量守恒定律导出。 (3)行星运动的周期的平方与轨道的长半轴的立方的比为 常数。 设a 和a 1, T 和T 1分别表示两行星轨道的长半径与轨道运行周期。 2 2 1s ab a e t T T ππ?==AB CD EF θθθ>>AB CD EF V V V >>
5 则第三定律表达为： 一般可以用来计算行星或卫星的质量。牛顿万有引力定律： 开普勒定律是牛顿万有引力定律的基础。天体力学 2 21 3 31 T T a a = 32 2 () 4a f M m T π+= 23 23 111 )T M m a T M m a +×=+
6 222 M m M m F k f r r ??==22 F M a k m r ==2 2222 ()()M m M m a k k r r r +=+=222 24, v r a v r a r T T ππ==→=3 22() 4a f M m T π +=宇宙空间任意两质点，彼此相互吸引，其引力大小与他们的质量成积成正比，与他们之间的距离平方成反比。 在相对运动中，行星相对于太阳运动的相对加速度：
力学与导航定位技术
力学与导航定位技术 1 绪论 导航技术是现代科技中一个很重要的领域，而物理是导航技术理论与实践的技术学科。在这其中，力学理论占了一大部分。力学与导航技术息息相关，很多设计原理都是根据力学计算出来的，包括平衡，扫描，计算定位等等，都需要力学计算原理作为基础。在这里，我简单地介绍了一些导航技术方面知识和力学发展应用原理以及其中的联系与运用。 2 导航定位技术 定位与导航技术是涉及自动控制、计算机、微电子学、光学、力学以及数学等多学科的高技术，是实现飞行器特别是航天器飞行任务的关键技术，也是武器精确制导的核心技术，这对于提高航空器、航天器以及武器装备的机动性、反应速度和远程精确打击能力具有重要意义，在海、陆、空、天等现代高技术武器及武器平台中得到广泛的应用。 按照定位导航的方式可分成：卫星定位导航、自主式导航、组合导航以及无源导航。 2.1卫星导航 2.1.1 卫星导航简介 采用导航卫星对地面、海洋、空中和空间用户进行导航定位的技术。利用太阳、月球和其他自然天体导航已有数千年历史，由人造天体导航的设想虽然早在19世纪后半期就有人提出，但直到20世纪60年代才开始实现。1964年美国建成“子午仪”卫星导航系统，并交付海军使用，1967年开始民用。1973年又开始研制“导航星”全球定位系统。苏联也建立了类似的卫星导航系统。法国、日本、中国也开展了卫星导航的研究和试验工作。卫星导航综合了传统导航系统的优点，真正实现了各种天气条件下全球高精度被动式导航定位。特别是时间测距卫星导航系统，不但能提供全球和近地空间连续立体覆盖、高精度三维定位和测速，而且抗干扰能力强。 2.1.2卫星导航组成部分 卫星导航系统由导航卫星、地面台站和用户定位设备三个部分组成。 ①导航卫星：卫星导航系统的空间部分，由多颗导航卫星构成空间导航网。 ②地面台站：跟踪、测量和预报卫星轨道并对卫星上设备工作进行控制管理，通常包括跟踪站、遥测站、计算中心、注入站及时间统一系统等部分。跟踪站用于跟踪和测量卫星的位置坐标。遥测站接收卫星发来的遥测数据，以供地面监视和分析卫星上设备的工作情况。计算中心根据这些信息计算卫星的轨道，预报下一段时间内的轨道参数，确定需要传输给卫星的导航信息，并由注入站向卫星发送。 ③用户定位设备：通常由接收机、定时器、数据预处理器、计算机和显示器等组成。它接收卫星发来的微弱信号,从中解调并译出卫星轨道参数和定时信息等,同时测出导航参数（距离、距离差和距离变化率等），再由计算机算出用户的位置坐标（二维坐标或三维坐标）和速度矢量分量。用户定位设备分为船载、机载、车载和单人背负等多种型式。 2.1.3卫星导航主要原理
地球重力场的应用
地球重力场的应用 宁津生院士 在现代大地测量学发展中，地球重力场的理论与应用研究是最活跃的学科领域之一。因为地球重力场是地球的一个物理特性，是地球物质分布和地球旋转运动信息的综合效应，并制约地球本身及其邻近空间的一切物理事件。因此，确定地球重力场的精细结构及其随时间的变化，不仅为大地测量学中定位与描述地球表层及其内部的形态，同时也为现代地球科学中解决人类面临的资源、环境和灾害等紧迫课题，提供基础地球物理空间信息。由此可见，地球重力场研究也是地球科学的一项基础性任务。大地测量学、地球物理学、地球动力学、大气科学和海洋学以及军事科学等相关地学学科的发展，均迫切需要地球重力场的支持。在本文中，作者着重分析一下地球重力场的应用问题。 地球重力场的广泛应用 研究地球重力场是地球科学的一项基础性任务，它在自然科学和工程技术中有着广泛的应用。下面仅举几例。 地球重力场与测绘学地球重力场是反映地球物质分布特征的物理场，制约地球及其空间任何物体的运动，与空间技术发展密切相关，是建设数字地球或数字中国的基础物理场信息。建立地理空间基础框架的核心是定位。这里地球重力场的作用是将为定位所获取的物理空间中的大地测量观测数据转换到坐标计算的几何空间中，并且在精密卫星定位中为精密定轨必须有精密地球重力场模型的支持才能实现，这样才能保证以卫星绝对定位方法建立的由一定数量基准点构成的地心参考框架可以使卫星相对点定位达到相应的精度。另外有许许多多与地理位置相关的空间数据或空间信息，都需要以大地水准面或似大地水准面为起算面的正高或正常高系统，例如水利工程、灾害预测和评估、测绘各种比例尺的地形图、地壳形变监测等都有这样的要求。因此，必须建立全球或全国统一的高程基准，即统一定义的精确大地水准面或似大地水准面。它还可用于远距离高程控制、陆海和陆岛的高程连接等。一般来说还应该建立大地水准面，它既具有几何意义，也具有物理意义，其应用较之似大地水准面更为广泛。因此地球重力场的精细结构是建立地理空间基准所必需的基础信息，这些基础信息必须建立在统一的重力基准上。再者，在获取地理基础框架数据中，由于GPS定位已能提供厘米级精度的大地高，若具备相应厘米级精度的大地水准面或似大地水准面，则可直接由GPS大地高转换成相应精度的正高或正常高，以代替劳动强度大、效率低的常规水准测量。 地球重力场与工程技术地球重力场与工程技术的关系表现在两个方面，一方面是在工程测量的精度随着各种工程建设的需要而日益提高的情况下，要考虑地球重力场不均匀性的影响。一般由于工程测量的范围往往较小，通常采用平面坐标系进行各种工程测量的计算。这样的处理方法在一般的工程测量中是允许的，但在某些精密工程测量中，如修建大型水工建筑物、矿井、坑道和长距离隧道开挖等工程中，地球重力场非均匀性的影响往往会超过观测的允许误差，所以要对工程测量中的各类观测值进行相应改正，否则将会影响测量结果的精度。另一方面由于重力测量仪器精度已大大提高，因此利用微重力测量可以对水电、交通、土建工程、高层建筑等基础内部的断裂、岩石爆裂、空洞等存在或形成潜伏的威胁安全的危险性进行探测和作出解释与预计。应用微重力测量还可以探测到地表的溶洞、地下河、孔穴、废矿坑巷道、巨型管道以及规模较小的断裂、断层地质构造等密度异常体，可以进行石油、天然气资源的勘探。 地球重力场与军事科学地球重力场是决定导弹弹道轨迹的最主要的力源。自由弹道与地球重力场的关系就是卫星轨道动力方程。在众多的摄动力中仅二阶引力场摄动力一项就是其他所有非引力场摄动力之和的数千倍之多，因此必须纠正导弹飞行中由于地球引力摄动力引起的弹道偏离正常轨道的位置偏差。这里高精度重力场模型可以大幅度提高导弹攻击时的
地球重力场分布规律-最新资料
地球重力场分布规律 引言 地球重力场是最基本的物理场，由地球系统的物质属性产生，反映由地球各圈层相互作用和动力过程决定的物质空间分布、运动和变化，承载重力场作用机制相关信息，地球重力场时空演化与地球系统的动力过程有重要的联系。因此，物理大地测量学与所有研究地球各圈层物质运动及其动力学机制的学科有 交叉领域。高精度高分辨率的重力数据及以此构建的高阶地球重力场模型及时变信号，是地球动力学、地球内部物理、海洋物理及动力海洋学等相关学科研究必需的基础信息，精细的全球重力场信息会加深人们对地球系统各圈层的物质异常分布、物质的循环及动量及能量交换机制的认识，精化相关地学的模型参数，以达到对地球系统、其子系统及整体的动力学过程和行为有更深层的理解。 5?12汶川地震，发生于北京时间（UTC+8）2008年5月12日14时28分04秒，震中位于中华人民共和国四川省阿坝藏族羌族自治州汶川县映秀镇与漩口镇交界处。5?12汶川地震严重破坏地区超过10万平方千米。其中，极重灾区共10个县（市），重灾区共41个县（市），一般灾区共186个县（市）。此次地震是中华人民共和国成立以来破坏力最大的地震，也是唐山大地震后伤亡最严重的一次地震。文章将对四川省灾区范围从重力异
常的计算、灾区重力异常分布规律（E100°36′～108°31′，N27°50～34°19′）（如图1）展开论述。 1 计算重力场模型 EGM2008模型高程异常在我国大陆的总体精度为20cm，华东华中地区12cm，华北地区达到9cm，西部地区为24cm；EGM2008模型空间异常在我国大陆的总体精度为10.5mGal （1mGal=10-3cm/s2），且大大缩小了我国大陆重力场信息东西部地区的差距；EGM2008模型具有很高的精度，测试结果显示，EGM2008模型在我国大陆的精度与在全球范围内的精度相当；与WDM94，DQM系列，EGM96相比，EGM2008模型高程异常精度提高了3～5倍，比利用GRACE数据的IGG05b，EIGEN-5c模型提高了2倍以上，空间异常的改善程度更为突出。EGM2008显著改善了我国大陆重力场东西部地区不平衡的现状[2] EGM2008地球重力场模型使用Bruns公式，地球表面上任意点p的模型高程异常可由下式获得： 2 计算结果分析 文章采用ICGEM网站进行地球重力场的计算。通过规定模型参考系统、格网精度、模型经纬度范围等选项，进行特定区域重力场的计算。输入灾区范围（E100°36′～108°31′，N27°50～34°19′），选取最小格网精度为0.005，采用EGM2008模型计算高程异常值如表1，单位为m。 由上表可知：（E100°36′～108°31′，N27°50～