В последние десятилетия все активнее развиваются гравиметрические сети различных категорий: международные, государственные, локальные. Знание о гравитационном поле Земли крайне важно для современного инженерно-геодезического производства, поскольку на строительных площадках все активнее применяются ГНСС-технологии. Ряд работ, таких как мониторинг деформаций зданий и сооружений, требуют наивысшей точности, иногда достигающей десятых долей миллиметра [1, 2]. С целью повышения точности координатных определений, получаемых ГНСС-методами, необходимо знать пространственные и временные вариации гравитационного поля Земли.
В 2015 г. Резолюцией Международной ассоциации геодезии было предложено создание единой Международной гравиметрической опорной сети (IGRF). Для реализации сети была создана специальная рабочая группа IAG JWG 2.1.1, целью которой было установление глобальной абсолютной гравиметрической системы. Для этого необходимо создание сети опорных пунктов, на которых выполняются регулярные абсолютные и мониторинговые относительные определения, доступные в любое время.
Абсолютные значения ускорения силы тяжести в любой точке на земной поверхности не являются постоянными. Временные вариации ускорения силы тяжести зависят от многих факторов, имеющих различную физическую природу и характеристики, поэтому выявление их методом простой фильтрации не представляется возможным [3].
Пункт ЦНИИГАиК (TSNI#110a) является основным пунктом Государственной гравиметрической сети Российской Федерации и исходным пунктом Московского гравиметрического полигона. В связи с этим необходимо знать значение ускорения силы тяжести в любой момент времени с максимально доступной точностью. Кроме того, пункт TSNI#110a в комплексе со всем Московским гравиметрическим полигоном отвечает требованиям к опорным пунктам международной гравиметрической сети IGRF. В связи с этим в рамках эксперимента по созданию опорного пункта для непрерывного мониторинга значений ускорения силы тяжести и включения пункта в международную гравиметрическую сеть IGRF с 2017 г. на пункте TSNI ведутся регулярные абсолютные и мониторинговые относительные наблюдения.
Целью исследования является обоснование методики выполнения и обработки результатов гравиметрических измерений абсолютным и относительным методами. Для этого необходимо выполнить синхронные долговременные измерения абсолютным баллистическим и относительным приливным гравиметрами на соседних постаментах, выполнить сравнения результатов измерений и определить факторы, влияющие на результаты измерений.
Постановка измерений
Согласно требованиям к пунктам Международной опорной гравиметрической сети, на исходном пункте гравиметрической сети должны выполняться регулярные абсолютные и мониторинговые относительные определения ускорения силы тяжести аттестованными гравиметрами.
В лаборатории ФГБУ «Центр геодезии, картографии и ИПД» расположены два постамента с марками (TSNI#110a и TSNI#110b).
На пункте TSNI#110a выполняются регулярные наблюдения абсолютным гравиметром FG5. Баллистический гравиметр FG5 серийно производится американской фирмой Micro-g LaCoste. Прибор FG5#110 был выпущен в 1990-х гг., и после модернизации был приобретён ФГУП «ЦНИИГАиК» в 2004 г. В июне 2017 г. был отправлен в США на ремонт и частичную модернизацию (полностью заменен блок электроники). В настоящее время в России гравиметром FG5 владеет только ФГБУ «Центр геодезии, картографии и ИПД».
Для мониторинговых наблюдений ускорения силы тяжести используется специальный приливной гравиметр gPhoneX, также произведенный фирмой Micro-g LaCoste. Таких гравиметров в Российской Федерации насчитывается несколько экземпляров, однако в большинстве они используются в качестве сейсмографов. Приливной гравиметр gPhoneX#117 установлен на пункте TSNI#110b. С 2014 г. практически непрерывно (ежесекундно) выполняются измерения силы тяжести, температуры и давления окружающей среды и датчика, положения уровней. Измерения, производимые гравиметром gPhoneX, относятся к высокоточным измерениям. Инструментальная погрешность измерений составляет 1 мкГал [4, с. 10].
Обработка результатов измерений
Абсолютное значение силы тяжести gabs на пункте из наблюдений в каждом броске вычисляется по формуле [6]:
gabs = g1 + ∆gc + ∆ga + ∆gB + ∆gtide + ∆gPolar, (1)
где g1 – полученное из решения по методу наименьших квадратов значение ускорения силы тяжести по одному броску на уровне эффективной высоты гравиметра Heff над местом установки;
∆gc – поправка за конечность скорости распространения света;
∆ga – поправка за притяжение атмосферы;
∆gB – поправка за влияние сопротивления остаточного воздуха в баллистической камере;
∆gtide – поправка за приливные изменения силы тяжести под действием Луны и Солнца;
∆gPolar – поправка за движение полюса.
Повторная обработка результатов измерений гравиметром FG5 выполняется в два этапа:
− вычисление значения силы тяжести на эффективной высоте (при значении вертикального градиента Whh;
− определение эффективной высоты Heff.
В результате получен ряд абсолютных значений силы тяжести, приведенных к одной высоте. Также выполнена оценка точности каждого из полученных значений. Результаты представлены на рис. 1.
Обработка измерений, выполненных приливным гравиметром, представляет особый интерес, поскольку единый автоматизированной методики обработки на сегодняшний день не существует. Предлагаемая методика описана в ранее проведенных исследованиях, описанных в [6, 7], и заключается в следующем:
1. Исключение случайных выбросов. Выполнялось в автоматическом режиме, пропуски данных, возникающие при исключении случайных выбросов, заполнялись интерполированным значением силы тяжести.
2. Исключение из измерений теоретических приливных изменений силы тяжести с использованием модели EGTAB, движения земных полюсов и дрейфа нуль-пункта гравиметра.
3. Фильтрация и последовательное прореживание секундных данных до частоты одного измерения в минуту, в час, в две недели (в соответствии с правилом Котельникова [8]). Такой выбор частоты дискретизации связан с необходимостью решения тех или иных задач. Для данного исследования использовались значения, осредненные за один месяц.
4. Приведение результатов к высоте измерений FG5.
По аналогии с абсолютными окончательные значения силы тяжести, полученные по результатам относительным измерений (grel), можно вычислить по формуле
grel = gn + ∆ga + ∆gtide + ∆gPolar + ∆gdrift, (2)
где gn – измеренное значение силы тяжести, полученное после фильтрации и приведенное к уровню эффективной высоты гравиметра Heff;
∆ga – поправка за притяжение атмосферы;
∆gtide – поправка за приливные изменения силы тяжести под действием Луны и Солнца;
∆gPolar – поправка за движение полюса;
∆gdrift – поправка за дрейф нуль-пункта гравиметра.
Таким образом, в окончательных значениях результатов абсолютных и относительных наблюдений, полученных с учетом формул (1) и (2), учтены инструментальные погрешности, а также основные известные факторы, вызывающие временные вариации гравитационного поля Земли: движение полюса и приливные изменения силы тяжести под действием Луны и Солнца.
Отдельный интерес представляет учет дрейфа нуль-пункта относительного гравиметра.
Рис. 1. График сравнения результатов абсолютных и относительных измерений
На рис. 1 представлены результаты сравнения абсолютных значений ускорения силы тяжести и мониторинговых значений, полученных приливным гравиметром без учета дрейфа. Дрейф нуль-пункта характерен только для пружинных гравиметров [4, с. 35] и может быть выявлен методом сравнения с результатами абсолютных определений с учетом его линейности [6, 7].
Таким образом, дрейф нуль-пункта приливного гравиметра, который составляет величину около 7 мкГал/месяц, можно учесть методом линейной аппроксимации.
Результаты исследования и их обсуждение
Получившиеся в результате произведенной обработки значения временных вариаций силы тяжести по данным абсолютных и мониторинговых относительных определений совпадают в пределах точности измерений. Точность определений в каждом случае не превышает 4 мкГал. Однако непостоянство значений силы тяжести во времени все еще существенно – разброс значений достигает 25 мкГал.
Известно, что неприливные вариации ускорения силы тяжести главным образом обусловлены атмосферными и гидрологическими нагрузочными деформациями. Вопрос учета атмосферных нагрузочных деформаций рассматривался авторами ранее [7]. После учета атмосферных нагрузочных вариаций, в результатах и абсолютных, и относительных измерений прослеживаются сезонные вариации ускорения силы тяжести с максимумом в марте и минимумом в сентябре. Аналогичные характеристики имеет и сигнал гидрологических нагрузочных деформаций гравитационного поля, предоставляемый Службой нагрузочных деформаций Университета Страсбурга (EOST) [9].
На рис. 2 представлены результаты абсолютных и относительных измерений и гидрологическая нагрузка. Под гидрологической нагрузкой подразумеваются временные вариации силы тяжести, вызванные изменением уровня грунтовых вод и влажности почв на локальном и глобальном уровне. Локальный эффект обусловлен изменением притяжения масс в районе наблюдений. На глобальном уровне оказывают влияние и гидрологические изменения в удаленных от места наблюдений районах. Для данного исследования использовалась модель гидрологической нагрузки, основанная на модели гидрологии MERRA2 [10].
Корреляционный анализ показал наличие прямой линейной зависимости между вариациями атмосферного давления и вариациями УСТ. Около 90 % сигнала оставшихся после учета атмосферного воздействия неприливных вариаций УСТ могут быть объяснены гидрологическим воздействием. Таким образом, представляется возможным выполнять учет гидрологической нагрузки по данным EOST на пункте TSNI.
Рис. 2. Оценка влияния гидрологической неприливной нагрузки на результаты гравиметрических определений
Заключение
В статье выполнено сравнение ряда абсолютных значений ускорения силы тяжести и мониторинговых значений вариаций ускорения силы тяжести на основном пункте Государственной гравиметрической сети Российской Федерации. Данное сравнение выполнено в рамках эксперимента по созданию опорного пункта фундаментальной гравиметрической сети с учетом требований к пунктам Международной опорной гравиметрической сети IGRF.
Результаты сравнения говорят о качестве сборки конкретных гравиметров, корректности применяемых методик измерений и обработки. В представленных результатах измерений отслеживаются остаточные вариации значения ускорения силы тяжести. Они могут быть обусловлены гидрологическими и атмосферными нагрузочными деформациями.
Гидрологическая нагрузка оказывает заметное влияние на результаты гравиметрических определений и может быть учтена по данным EOST.