卫星重力测量发展及应用

地球物理勘探技术的发展与应用地球物理勘探是一种能够研究地球内部结构和矿产资源分布的科学方法。

它是勘查地理资源的一种基础性技术，对矿产资源开发、地质灾害预测、环境监测等方面有着重要作用。

本文将对地球物理勘探技术的发展历程、研究方法以及应用前景进行探讨。

地球物理勘探技术的发展地球物理勘探技术的发展可以追溯到19世纪初。

当时的地球物理研究主要集中在重力和磁性分析领域。

20世纪初，地震测量技术逐渐成熟，成为地球物理勘探的重要手段。

在20世纪50年代，地球物理勘探技术得到了空间技术的支持，如航空和卫星地球物理测量，为其进一步发展提供了强有力的技术支持。

到了21世纪，新兴技术，如超声波、电磁波和地震电磁学等成为研究热点。

目前，国外地球物理勘探技术发达，主要有美国、加拿大、澳大利亚、英国等国家的公司和机构在这一领域处于领先地位。

在国内，随着国家经济的快速发展，地球物理勘探逐渐开始成为人们关注的焦点，相关机构和企业也在积极运用新兴技术开展研究和应用。

地球物理勘探技术的研究方法在地球物理勘探中，主要有地震探测、重力测量、磁力测量、地电测量、电磁波探测等方法。

下面就对几种常见的方法进行简要介绍。

1. 地震勘探地震勘探是现代地球物理勘探技术中应用最广泛的方法之一。

通常，采用地震波源和地震接收器进行地震勘探。

地震波源可以是炸药、震源机或振动器。

地震接收器通常是一些地震检波器，常用于检测地震波速。

通过对地震波的形态、到达时间和衰减特征进行分析，可以获取有关地下地形、地层厚度和物性等信息。

2. 重力测量重力测量广泛用于勘探油气和矿产资源。

通过重力测量，可以获取地下结构密度变化的信息。

测量时，将重力计放置在测点上，进行重力定位，并记录下相关数据。

通过对数据进行处理和分析，可以推断出地下物质的密度变化，从而判断地下矿产资源和油气储藏区的存在和分布情况。

3. 磁力测量磁力测量是测量地下矿产资源的一种方法。

测量时，采用磁力计仪、磁力钻头等设备来记录地下磁场的变化。

卫星重力测量－基础、模型化方法与数据处理算法作者简介：张传定，男，1966年04月出生，1996年09月师从于解放军信息工程大学陆仲连教授，于2000年12月获博士学位。

摘要论文的中心内容是卫星重力测量中如何由星载传感器获得的观测数据恢复地球重力场这一过程的模型化问题。

旨在吸取前人的研究成果，提出更加合理的数据处理模型。

论文最突出的贡献是，改造并完善了大地重力学、空间大地测量、卫星轨道力学等学科模型化的理论与方法以适应卫星重力测量这一新型观测技术。

作者的主要工作和创新点有：1.在综合卫星重力测量有关最新研究成果的基础上，系统地论述了动态加速度测量、卫星重力梯度测量的基本原理；论证了它们的测量精度与姿态角加速度的关系以及卫星重力测量系统最终恢复地球重力场能力的判定准则；深入理解并掌握了现行SST、SGG卫星CHAMP、GRACE、GOCE各项指标及恢复地球重力场各频段的精度指标。

2.简要介绍了卫星重力测量中所涉及到的曲线坐标系下矢量、张量与曲线坐标之间的微分关系、坐标系之间的变换关系以及它们的矩阵表示。

详细研究了在地球重力场确定中常用的关于研究点P和流动点Q相互关联的球极坐标系，给出了球极坐标系下地球引力位V关于P点和关于Q点的微分公式以及它们与球坐标系下局部微分算子的关系。

深入研究了关于P和Q两点局部导数算子的相互作用问题，得到了扰动场元之间核函数和协方差函数的解析与级数展开式，首次给出了较为实用的明晰表达式。

此结果是对物理大地测量学关于这一论题的补充和完善。

这项工作是本文的一个创新点。

3.详细推导了地球、卫星、加速度传感器检验荷载这一特殊限定性三体问题的运动方程；指出星载加速度传感器的输出就是卫星所受非引力加速度和检验荷载相对于卫星中心地球引力的潮汐力之差；进而得到了由星载加速度传感器的比力测量和GPS跟踪测量数据直接恢复地球引力矢量的理论公式。

4.通过对扭秤、旋转梯度仪工作原理的考察和Molodensky关于垂线偏差推求高程异常的论述以及目前业已发现水平梯度分量的某种组合是球面正交函数系的事实，作者明确指出，在地球重力场的研究中，水平方向观测量的组合应作为复数使用。

卫星测高原理及应用领域20 世纪80 年代以来, 随着计算机技术和空间技术的高速发展, 地球科学在宏观和微观的研究上进入了一个迅速发展和深入探索的时期。

在此期间, 地球科学各分支学科出现了大量新的学科生长点, 提出了许多新学科、新概念、新技术。

卫星测高学就是在这种形势下随着卫星遥感遥测技术的应用而发展起来的新型边缘学科, 它利用卫星上装载的微波雷达测高仪, 辐射计和合成孔径雷达等仪器, 实时测量卫星到海面的距离、有效波高和后向散射系数, 并通过数据处理和分析, 来研究大地测量学、地球物理学和海洋学方面的问题。

卫星测高技术的发展至今虽然只有二十多年的历史,但大量的研究结果表明, 卫星测高在研究海洋大地水准面和重力异常方面, 在研究地球物理和海洋参数方面, 都显示出了巨大的潜力。

卫星测高作为一项高科技测量技术,它以人造卫星作为测量仪器的载体, 借助着空间技术、电子技术、光电技术和微波技术等高新技术的发展, 在空间大地测量领域产生了一场深刻的变革。

正如国际上著名的大地测量学家莫里兹教授1993 年所指出的那样：“同GPS 一样, 卫星测高也在空间大地测量学领域掀起了一场革命。

”(Moritz, 1993) 。

一卫星测高原理卫星测高仪是一种星载的微波雷达。

测高仪的发射装置通过天线以一定的脉冲重复频率向地球表面发射调制后的压缩脉冲, 经海面反射后, 由接收机接收返回的脉冲, 并测量发射脉冲的时刻与接收脉冲的时刻的时间差。

根据此时间差及返回的波形, 便可以测量出卫星到海面的距离。

二卫星测高的应用领域卫星测高数据的应用随着卫星定轨精度和测高仪观测精度的提高以及数据处理方法的改进, 其应用范围越来越大, 社会效益及经济效益越来越明显。

发射测高卫星之初的目的比较单一, 就是试图从空中采用遥测的方法确定海面形状, 以期研究大洋环流和其它海洋学参数。

之后,由于测高数据的精度大大提高了, 卫星测高在地球物理学领域和大地测量学领域也得到了空前应用。

重力及应用重力是地球或其他天体对物体产生的吸引力。

根据牛顿的普遍引力定律，所有物体之间都相互产生引力，这个引力的大小与物体的质量有关，而与物体之间的距离有关。

例如，地球对我们产生的引力使我们保持在地面上不会飘走。

重力对于人类生活中的各个方面都有重要的应用。

以下是一些重力及其应用的示例：1.物体下落：当一个物体被抛出或掉落时，地球的重力会使它向地面加速下落。

这是我们日常生活中常见的现象，也是重力最基本的应用之一。

2.地球上的运动：重力对地球上的运动有着非常重要的作用。

例如，重力使水从高处向低处流动，形成河流和瀑布。

重力还影响海洋的潮汐，因为月球和太阳对地球的引力会使海水产生上升和下降的运动。

3.天体运动：重力是宇宙中天体运动的主要驱动力。

例如，地球围绕太阳运行，这是地球受到太阳的引力影响的结果。

类似地，月球围绕地球运行，是受到地球的引力影响。

重力还影响行星、恒星和其他天体之间的相互运动和轨道。

4.人造卫星：人造卫星是利用地球的重力来保持其轨道的。

当卫星被发射到地球轨道上时，它所处的高度和速度使得地球的引力和卫星的惯性之间达到平衡，从而使卫星始终保持在固定的轨道上。

5.摩擦和地形：重力对于地表的摩擦和地形起着重要的作用。

例如，山脉和丘陵地形通常是由地球表面上的重力作用形成的。

重力还通过增加物体间的摩擦力，影响人类行走、车辆行驶和物体摆动的运动方式。

6.丝网和滑轮系统：我们可以利用重力建立丝网和滑轮系统，来提供力的传递和转移，并减轻劳动。

例如，工地上的起重机和吊船通常使用滑轮系统来提升和降低重物，利用重力作为动力源。

7.重力加速度测量：重力加速度是指地球上任意一点由地球对物体产生的引力引起的加速度。

通过测量重物在地表下落的时间和距离，可以计算地球上某一点的重力加速度。

重力加速度的测量对于地质学、地球物理学和建筑工程等领域有很大的意义。

综上所述，重力是地球或其他天体对物体产生的吸引力，是自然界中普遍存在的物理现象。

航空重力测量技术原理航空重力测量技术是一种用于测量地球重力场的高精度技术。

它利用飞机或卫星等航空器在不同高度飞行时所受到的重力加速度的微小变化来推断地球重力场的分布情况。

航空重力测量技术的原理主要包括以下几个方面。

航空重力测量技术利用航空器在不同高度飞行时所受到的重力加速度的微小变化来推断地球重力场的分布。

根据万有引力定律，物体间的引力与它们的质量和距离的平方成正比。

在地球表面上，由于地球的不规则形状和地下的地质构造等因素的影响，地球的重力场并不均匀。

因此，当航空器在不同高度飞行时，它所受到的重力加速度也会发生微小的变化。

通过测量这些微小的重力加速度变化，可以推断地球重力场的分布情况。

航空重力测量技术利用精密的重力仪器对航空器所受到的重力加速度进行测量。

重力仪器通常由重力测量仪和惯性导航系统等组成。

重力测量仪是一种精密的仪器，可以测量出航空器所受到的重力加速度的大小和方向。

而惯性导航系统则可以测量出航空器的位置和速度等信息。

通过将重力测量仪和惯性导航系统的测量结果结合起来，就可以得到航空器所受到的重力加速度的精确数值。

航空重力测量技术利用数学模型来分析和推断地球重力场的分布。

通过将测量得到的重力加速度数据与地球的形状和地下的地质构造等信息进行比对和分析，可以建立起地球重力场的数学模型。

这个模型可以用来推断地球各个地区的重力加速度的数值和分布情况。

通过分析这些数据，可以对地球的重力场进行进一步的研究和理解。

总的来说，航空重力测量技术是一种利用航空器在不同高度飞行时所受到的重力加速度的微小变化来推断地球重力场的分布情况的高精度技术。

它通过精密的重力测量仪器和惯性导航系统的测量，以及数学模型的分析，可以得到地球重力场的精确数值和分布情况。

通过航空重力测量技术，我们可以更加深入地了解地球的内部结构和地质构造，对地球科学的研究和应用有着重要的意义。

GRACE卫星1简介：GRACE是德国和美国联合研制和发射的重力卫星，重要科学目标是提供高精度和高空间分辨率的静态及时变地球重力场，是两颗卫星的组合，于2002年3月17日发射升空，通过K波段微波系统精确测定出两颗星之间的距离及速率变化来反演地球重力场，设计寿命为5年，圆形近极轨卫星，倾角为89°，初始平均高度为500Km，两颗星之间的距离为220Km。

美国的CSR（Center for Space Reserach of the University Texas in Austin）及德国的GFZ（GeoForschungsZentrum）是最早获得GRACE地球重力场的研究机构，其中CSR发布了第一个GRACE地球重力场模型GGM01，该模型在半波长为300Km尺度上，确定大地水准面精度约为0.02m；德国GFZ早期也发布与GGM01模型精度相近的GRACE地球重力场模型——EIGEN-GRACE01S，这两种模型都没有采用地面、海洋、航空重力测量数据及其他卫星跟踪资料，但中长波部分精度却有明显的提高，证实了GRACE实现其预期科学目标的可行性，随着GRACE卫星观测资料的日益增多，处理卫星资料方法的进一步完善，国际上一些研究机构又推出了一系类更高精度的GRACE产品，比如EIGEN-GRACE02S是GFZ的2004年产品，在半波长为1000km的空间分辨率确定的大地水准面精度好于0.001m，而且此模型计算的海洋重力异常能和重力异常数据（NIMA数据）符合得很好。

2 GRACE卫星的一些显著特点：卫星轨道低，对地球重力场敏感度高；利用差分观测方式，抵消了测量中的许多公共误差；星载GPS接收机能同时接收到多颗GPS卫星，使确定的卫星轨道精度提高；星载三轴加速度仪直接测量了非保守力摄动加速度，不再需要把大气阻力、太阳光压等非保守力模型化；卫星上的K波段微波测距和测速系统实现了两颗星之间速率变化的测定精度好于10（-6）m/s；卫星上装有激光发射镜，实现了人卫激光测距的辅助定轨和轨道的检核；卫星上还装载了确定卫星方位的恒星照相机阵列及其他设备，给出了高精度的卫星姿态，星载加速度数据的正确解释。

大地测量中常用的测绘技术及应用案例大地测量是地理信息科学中的重要领域，它利用测绘技术对地球表面进行测量、记录和分析，为地理数据的获取与处理提供基础支撑。

在测绘技术的应用领域中，有许多常用的技术和应用案例。

本文将介绍其中一些常见的测绘技术及其应用案例。

一、全球定位系统（GPS）全球定位系统是一种基于卫星的导航系统，利用卫星信号实现精确定位和时间同步。

在大地测量中，GPS技术广泛应用于地理定位、测量控制点的建立、导航与定位等方面。

例如，在城市规划中，GPS技术可以用于获取大量建筑物的坐标信息，便于对城市空间进行研究和规划。

另外，在地质勘探中，GPS技术可以用于测量地震震源位置，帮助科学家们预测和研究地震活动。

二、激光雷达测量技术激光雷达测量技术是一种高精度的测绘技术，利用激光束扫描地面或目标物体并测量返回的时间和强度，从而获取地形、建筑物等物体的3D模型。

激光雷达广泛应用于数字城市建设、地形测量和制图等领域。

例如，在建筑物测量中，激光雷达可以精确测量建筑物的高度、体积和形状，为城市规划和建设提供准确的数据支持。

此外，激光雷达还可以用于道路安全监测，通过对道路表面的测量，及时检测和修复路面上的裂缝和坑洼，保障交通安全。

三、卫星测高技术卫星测高技术是一种利用人造卫星观测地球重力场来测量地球表面海拔高度的方法。

通过卫星测高，可以获取地球表面的数字高程模型，提供了重要的地形数据。

卫星测高技术在气象、地质和生态环境等领域有广泛的应用。

例如，在环境保护中，卫星测高技术可以用于监测海平面的变化、河流水位和湖泊深度等水体信息，为国内外水利工程的规划和设计提供准确的数据支持。

另外，在地质勘探中，卫星测高技术可以用于研究地球表面的构造变化和地壳运动，对地震和火山的研究具有重要的意义。

四、无人机测绘技术无人机测绘技术是近年来快速发展的测绘技术，利用无人机设备和航空摄影技术进行地表数据的获取和处理。

无人机测绘技术在农业、土地规划和灾害监测等领域有广泛的应用。

简述物探测量定位技术的发展与应用摘要：随着科技的不断发展，物探测量定位技术在许多领域中都得到了广泛的应用。

为了进一步提升其应用效果，更好地服务于人类社会的建设和发展。

本文将对物探测量定位技术的发展与应用展开探讨，其中主要分析了其在矿产资源勘探与开发、环境污染监测与治理、地质灾害预警与防控等领域的应用情况，仅供相关人员参考。

关键词：物探测量定位技术；发展；应用引言：物探测量定位技术是一种通过地球物理方法确定地球表面某一位置或某一物体的空间位置的技术。

它广泛应用于地质勘探、矿产资源开发、环境监测、考古、军事等领域。

通过测量和分析各种物理现象，推断出地下岩层的性质、形态和空间分布情况，或者确定某一位置或物体的空间位置。

如今，随着时代的不断发展，物探测量定位技术也得到了进一步完善和更新，其应用范围和效果也更好。

一、物探测量定位技术的发展（一）全球定位系统（GPS）全球定位系统（GPS）是一种基于卫星定位技术的导航系统，它可以在全球范围内实现高精度、高效率的定位和导航。

在物探测量领域，GPS技术的应用与发展经历了以下多个阶段：首先，早期探索。

在20世纪80年代，GPS技术逐渐得到广泛应用，但这个时期的GPS系统定位精度较低，信号稳定性也较差，因此，在物探测量领域的应用受到一定限制。

其次，成熟应用阶段。

随着GPS技术的不断发展和完善，20世纪90年代中期以后，GPS系统逐渐应用于物探测量领域。

这个时期的GPS系统定位精度得到了大幅提升，同时，各种数据处理软件和算法也不断涌现，使得GPS技术在物探测量领域的应用更加广泛。

最后，高精度应用阶段。

近年来，在高精度GPS技术的不断发展下，其在物探测量领域的应用也得到了进一步拓展。

目前，它能实现厘米级甚至毫米级的定位精度，为地质勘探、矿产资源开发等领域的精细工作提供了强有力的支持[1]。

（二）遥感技术遥感技术作为一种利用传感器对远距离目标进行探测和识别的技术，在物探测量领域的应用同样经历了多个阶段。

卫星定位系统原理与发展应用前景广东省韶关学院 ------ 廖伟迅1、子午卫星导航系统（NNS$该系统又称多普勒卫星定位系统，它是58年底由美国海军武器实验室开始研制，于64年建成的海军导航卫星系统”（Navy Navigation Satellite System）。

这是人类历史上诞生的第一代卫星导航系统。

1957年10月前苏联成功发射了第一颗人造卫星后，美国霍普金斯大学应用物理实验室的吉尔博士和魏分巴哈博士对卫星遥测信号的多普勒频移产生了浓厚的兴趣。

经研究他们认为：利用卫星遥测信号的多普勒效应可对卫星精确定轨；而该实验室的克什纳博士和麦克卢尔博士则认为已知卫星轨道，利用卫星信号的多普勒效应可确定观测点的位置。

霍普金斯大学应用物理实验室研究人员的工作，为多普勒卫星定位系统的诞生奠定了坚实的基础。

而当时美国海军正在寻求一种可以对北极星潜艇中的惯性导航系统进行间断精确修正方法，于是美国军方便积极资助霍普金斯大学应用物理实验室开展进一步的深入研究。

1958年12月在克什纳博士的领导下开展了三项研究工作：①研制卫星；②建立地球重力场模型以便卫星的精确定轨和准确预报卫星的空间位置；③研制多普勒接收机。

经过众人的努力子午卫星导航系统于1964年1月正式建成并投入军方使用，直至1967年7月该系统才由军方解密供民间使用。

此后用户数量迅速增长，最多达9.5万户，而军方用户最多时只有650 个,不足总数的1%，可见因生产的需要民间用户远远大于军方。

1.1子午卫星导航系统的组成（1）卫星星座：子午卫星星座，由六颗独立轨道的极轨卫星组成。

在设计上要求卫星的轨道的偏心率为零，轨道倾角i =90 °；卫星运行周期为T=107m; 卫星高度约为H=1075km;按理论上的设计，六颗卫星应当均匀分布在相互间隔为30度轨道平面上。

但由于早期卫星入轨精度不高，各卫星周期、倾角、偏心率都存在不同程度的误差，故各卫星轨道进动的大小和方向也都不尽相图1 子午卫星星座同，这样经过一段时间后各卫星轨道间的间距就变得疏密不一。

地球物理学中的重力测量原理地球物理学是研究地球各种物理现象的学科。

其中，重力测量是地球物理学中非常重要的一种方法。

重力测量主要是利用人造卫星在轨道上所测得的重力数据，结合地面观测站的数据，来推算出地球表面的重力场。

通过重力测量，我们可以了解到地球内部的结构、地壳的形态等信息，以及地球的引力作用等重要性质。

下面，我们将详细讲解地球物理学中重力测量的原理。

一、重力测量概述重力是指物体之间的吸引力作用，也称为万有引力。

重力相对于其他引力而言，是一种比较简单易于理解的引力。

如果一个质点静止在地球表面上，那么它所受的重力就是重量。

重力大小与物体的质量有关，而与重力作用距离的平方成反比。

在大多数情况下，地球的表面重力大小是变化的。

二、重力测量的原理重力测量的原理是通过观测重力场的变化，推算出地质构造、地壳运动等信息。

由于地面重力场受到地球内部和外部的多种因素影响，因此人们在进行重力测量时，需要与其他地球物理学方法相结合，以便高效地解决问题。

在重力测量中，主要有三种原理：（一）万有引力相对论原理该理论是重力测量的基础。

根据万有引力相对论原理，星球间的相对运动、重力变化等现象可以用数学方法来计算和模拟出来。

因此，人们可以利用这些数学方法来计算出地球表面的重力场。

（二）测距原理重力测量中的测距原理是指通过测量地球表面某一点与其他点的距离来间接计算出该点处的重力场的强度。

这种方法在进行基准点和高程的测量时使用得较多。

（三）地球自转原理地球的自转也是重力测量的原理之一。

地球的自转速度决定了地球重力场的变化，因此可以通过观察地球自转的变化来测量重力场的变化。

这种方法主要是运用卫星测量技术来完成重力测量的。

三、重力测量的应用重力测量作为一种重要的地球物理学方法，被广泛地应用在航空航天、地球物理学、精密测量等领域。

下面，我们简单介绍一下重力测量的应用：（一）地质勘探在进行矿产勘探、地震预测等工作时，需要进行地质勘探，而重力测量也是一种非常重要的方法。

卫星遥感技术在地形测量中的应用随着科技的不断发展，卫星遥感技术在地形测量领域中的应用也越来越广泛。

卫星遥感技术是通过卫星对地球表面进行观测，获取地表信息的技术，具有成本低、覆盖面广、更新快等优点。

在地形测量领域中，卫星遥感技术被广泛应用，成为重要的测量手段。

本文将对卫星遥感技术在地形测量中的应用进行探讨。

一、数字高程模型的获取数字高程模型是描述地形起伏的数学模型，是地形测量和地质勘探的基础。

卫星遥感技术可以获取地表的高程信息，帮助构建数字高程模型，提高地形测量的精度。

以雷达遥感技术为例，通过使用合成孔径雷达（SAR）获得实时高精度的地表高程数据，可以生成数字高程模型，为地形测量提供可靠的数据支撑。

同时，卫星遥感技术可以互补传统的地面观测手段，提高数字高程模型的覆盖面和周期性更新的能力。

二、地表覆盖分类在地形测量中，地表覆盖分类是指对地表不同类型的覆盖物进行区分和分类，包括土地覆盖、植被、水域等。

传统的地面观测方法需要大量的人力和时间，而卫星遥感技术可以高效地获取大范围的地表覆盖信息，为地形测量提供了更加便捷和准确的手段。

例如，利用高光谱遥感技术，可以通过对地表反射光谱进行分析，识别不同类型的地表覆盖，并对其进行分类和定量化分析，为地形测量提供了更加细致全面的地表覆盖信息。

三、变形监测地球上的地质和地形都会经历不同程度的变化，卫星遥感技术可以帮助监测和分析这些变化。

通过使用干涉合成孔径雷达（InSAR）技术，可以测量地形表面的变形情况，用于检测地震、地质变化等现象。

同时，卫星遥感技术还可以帮助监测大尺度的地表沉降和隆起，为环境保护和城市规划提供重要的数据支持。

四、地形研究卫星遥感技术可以帮助研究地球表面的地形特征和地质构造，为地球科学研究提供重要的数据支撑。

例如，在陆地上，卫星遥感技术可以获取重力场、地磁场等地球物理信息，用于探索地球内部结构；在海洋上，卫星遥感技术可以帮助研究海洋水文、海洋生态等问题。