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1、地球重力場的應(yīng)用寧津生院士在現(xiàn)代大地測量學發(fā)展中，地球重力場的理論與應(yīng)用研究是最活躍的學科領(lǐng)域之一。因為地球重力場是地球的一個物理特性，是地球物質(zhì)分布和地球旋轉(zhuǎn)運動信息的綜合效應(yīng)，并制約地球本身及其鄰近空間的一切物理事件。因此，確定地球重力場的精細結(jié)構(gòu)及其隨時間的變化，不僅為大地測量學中定位與描述地球表層及其內(nèi)部的形態(tài)，同時也為現(xiàn)代地球科學中解決人類面臨的資源、環(huán)境和災(zāi)害等緊迫課題，提供基礎(chǔ)地球物理空間信息。由此可見，地球重力場研究也是地球科學的一項基礎(chǔ)性任務(wù)。大地測量學、地球物理學、地球動力學、大氣科學
2、和海洋學以及軍事科學等相關(guān)地學學科的發(fā)展，均迫切需要地球重力場的支持。在本文中，作者著重分析一下地球重力場的應(yīng)用問題。地球重力場的廣泛應(yīng)用 研究地球重力場是地球科學的一項基礎(chǔ)性任務(wù)，它在自然科學和工程技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用。下面僅舉幾例。 地球重力場與測繪學 地球重力場是反映地球物質(zhì)分布特征的物理場，制約地球及其空間任何物體的運動，與空間技術(shù)發(fā)展密切相關(guān)，是建設(shè)數(shù)字地球或數(shù)字中國的基礎(chǔ)物理場信息。建立地理空間基礎(chǔ)框架的核心是定位。這里地球重力場的作用是將為定位所獲取的物理空間中的大地測量觀測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到坐
3、標計算的幾何空間中，并且在精密衛(wèi)星定位中為精密定軌必須有精密地球重力場模型的支持才能實現(xiàn)，這樣才能保證以衛(wèi)星絕對定位方法建立的由一定數(shù)量基準點構(gòu)成的地心參考框架可以使衛(wèi)星相對點定位達到相應(yīng)的精度。另外有許許多多與地理位置相關(guān)的空間數(shù)據(jù)或空間信息，都需要以大地水準面或似大地水準面為起算面的正高或正常高系統(tǒng)，例如水利工程、災(zāi)害預(yù)測和評估、測繪各種比例尺的地形圖、地殼形變監(jiān)測等都有這樣的要求。因此，必須建立全球或全國統(tǒng)一的高程基準，即統(tǒng)一定義的精確大地水準面或似大地水準面。它還可用于遠距離高程控制、陸海和陸島的
4、高程連接等。一般來說還應(yīng)該建立大地水準面，它既具有幾何意義，也具有物理意義，其應(yīng)用較之似大地水準面更為廣泛。因此地球重力場的精細結(jié)構(gòu)是建立地理空間基準所必需的基礎(chǔ)信息，這些基礎(chǔ)信息必須建立在統(tǒng)一的重力基準上。再者，在獲取地理基礎(chǔ)框架數(shù)據(jù)中，由于GPS定位已能提供厘米級精度的大地高，若具備相應(yīng)厘米級精度的大地水準面或似大地水準面，則可直接由GPS大地高轉(zhuǎn)換成相應(yīng)精度的正高或正常高，以代替勞動強度大、效率低的常規(guī)水準測量?！ 〉厍蛑亓雠c工程技術(shù) 地球重力場與工程技術(shù)的關(guān)系表現(xiàn)在兩個方面，一方面是在工程測量的
5、精度隨著各種工程建設(shè)的需要而日益提高的情況下，要考慮地球重力場不均勻性的影響。一般由于工程測量的范圍往往較小，通常采用平面坐標系進行各種工程測量的計算。這樣的處理方法在一般的工程測量中是允許的，但在某些精密工程測量中，如修建大型水工建筑物、礦井、坑道和長距離隧道開挖等工程中，地球重力場非均勻性的影響往往會超過觀測的允許誤差，所以要對工程測量中的各類觀測值進行相應(yīng)改正，否則將會影響測量結(jié)果的精度。另一方面由于重力測量儀器精度已大大提高，因此利用微重力測量可以對水電、交通、土建工程、高層建筑等基礎(chǔ)內(nèi)部的斷裂、
6、巖石爆裂、空洞等存在或形成潛伏的威脅安全的危險性進行探測和作出解釋與預(yù)計。應(yīng)用微重力測量還可以探測到地表的溶洞、地下河、孔穴、廢礦坑巷道、巨型管道以及規(guī)模較小的斷裂、斷層地質(zhì)構(gòu)造等密度異常體，可以進行石油、天然氣資源的勘探?！ 〉厍蛑亓雠c軍事科學 地球重力場是決定導彈彈道軌跡的最主要的力源。自由彈道與地球重力場的關(guān)系就是衛(wèi)星軌道動力方程。在眾多的攝動力中僅二階引力場攝動力一項就是其他所有非引力場攝動力之和的數(shù)千倍之多，因此必須糾正導彈飛行中由于地球引力攝動力引起的彈道偏離正常軌道的位置偏差。這里高精度重
7、力場模型可以大幅度提高導彈攻擊時的射程參數(shù)計算精度，從而提高導彈的命中精度?！ ≈揠H導彈是當今主要戰(zhàn)略武器，影響落點精度的主要因素是擾動重力場，包括擾動重力和垂線偏差。擾動重力對1萬公里射程可產(chǎn)生800米落點偏差，發(fā)射點的垂線偏差在這一射程上可產(chǎn)生900米的落點偏差，提高精度主要取決于導彈的慣性制導。慣性導航是確定導彈在以垂線為準的慣性坐標系的彈道，而實際上彈道是在以參考橢球定義的地心坐標系中設(shè)計和計算，所以不論在導彈的主動段（火箭推動段）和被動段（彈頭離箭段）都必需給制導系統(tǒng)輸入擾動重力場參數(shù)，以校正對
8、預(yù)定彈道的偏離。這只能依靠在制導計算機中存入已知地球重力場模型和大地測量精確確定的發(fā)射方位角來實現(xiàn)?！ 〉厍蛑亓雠c地球科學 地球重力場結(jié)構(gòu)是地球物質(zhì)分布和運動的直接映象。它是研究地球內(nèi)部密度分布與結(jié)構(gòu)的主要手段。就反映地球內(nèi)部密度分布和結(jié)構(gòu)而言，重力數(shù)據(jù)是最為直接和敏感的量，而且地球重力場受外界干擾小，相對比較穩(wěn)定，觀測數(shù)據(jù)也容易迅速獲得。用重力反演地球內(nèi)部密度結(jié)構(gòu)可以使用兩種重力資料：一種是重力異常，它對淺部或短波長的密度
