白 磊，张为民*，邢乐林，李建国，何志堂

（1.中国科学院 测量与地球物理研究所 大地测量与地球动力学国家重点实验室，湖北 武汉 430077；2.中国地震局 地震研究所 地震大地测量重点实验室，湖北 武汉 430071；3. 61365部队，天津 300140；4.国家测绘地理信息局 第一大地测量队，陕西 西安 710054）

FG5x-246与FG5绝对重力仪比对测量实验

白 磊1，张为民1*，邢乐林2，李建国3，何志堂4

（1.中国科学院 测量与地球物理研究所 大地测量与地球动力学国家重点实验室，湖北 武汉 430077；2.中国地震局 地震研究所 地震大地测量重点实验室，湖北 武汉 430071；3. 61365部队，天津 300140；4.国家测绘地理信息局 第一大地测量队，陕西 西安 710054）

介绍了FG5x在FG5绝对重力仪基础上的改进，以及FG5x-246与FG5绝对重力仪比对测量实验的情况，并分析了测量结果。研究结果显示，FG5x-246与FG5绝对重力仪的观测结果没有明显差异，二者一致性较好；FG5x-246抗干扰能力较强，观测重复性较好，离散度优于±1×10-8ms-2，其测量性能较FG5有所提升。

FG5x-246；FG5；比对；绝对重力测量；测量精度；离散度；标准差

绝对重力测量不仅可获得地面观测点上的绝对重力值，而且可以它为基准，进行重复观测以监测重力场的变化，从而进一步获得与地球内部物质迁移、地壳运动等有关的变化特征，为大地测量、地球物理、地球内部动力学机制、环境与灾害监测提供重要依据[1,2]。目前国内外用于绝对重力测量的绝对重力仪主要有FG5型和A10型。这两种型号的绝对重力仪均由美国Micro-g LaCoste公司研制生产，而FG5x型绝对重力仪（简称FG5x）是FG5的最新型号。FG5x标称精度为±2×10-8ms-2[3]。

2013年6月中国科学院测量与地球物理研究所引进了FG5x-246绝对重力仪。为确保该仪器实测成果的可靠性，2013年6月16日～7月8日，FG5x-246与多台FG5分别在多个点位上进行比对测量实验。

1 FG5x与FG5的比较

1.1 基本原理

FG5x是FG5的改进型，其工作原理一致，即在真空状态下，通过激光干涉条纹和铷原子频标分别精确测定落体块自由下落运动过程中的位置与时刻，再根据自由落体运动方程式求得测试点的重力值。计算公式为：

图1 FG5绝对重力仪基本原理

1.2 FG5x在FG5基础上的主要改进

1）自由落体距离增加：FG5x落体块的自由落体长度比FG5长，距离约增加65%（约13 cm），时间约增加30%（约60 ms）。

2）落体块驱动系统改进：将原有的单轨升降系统改进为双轨平衡升降系统，以减小机械反冲力和空气对自由落体的影响，且因为升降系统自平衡，仪器运输时无需锁摆；加大了伺服马达的动力；采用直插式驱动系统减小了落体块的水平位移；重新设计的落体块减小了磁场对加速度的影响。

3）电子控制系统改进：减小了电子控制箱的体积；改进了伺服控制器的微处理器；采用了新的数据采集和处理软件g9；增加了网络远程控制端口。

2 比对测量实验介绍

2013年6月16日～7月8日，FG5x-246与4台FG5（仪器号分别为112、214、232、240）分别在4个不同点位（见表1）进行了绝对重力测量。测量参数设置统一为：总组数不少于24组，组间时间间隔30 min，每组落体个数100个，落体间隔时间10 s。

3 比对测量过程及结果分析

比对测量过程如表2所示。比对测量结束后，对测量结果进行了整理和分析。

表3为统一用g9数据采集和处理软件对绝对重力比对测量数据进行大气压、固体潮、海潮、参考高度、极移、重力梯度等改正后[9]，各台仪器在各点的独立结果（基于保密等级，重力值只显示最后3位）。

表1 观测点位信息

表2 各台仪器在各点测量时间（2013年）

表3 比对测量独立结果/10-8ms-2

其中，测量精度、离散度由g9软件给出。标准差由式（2）计算得出：

式中，σ为标准差； N为每点总组数；xi为每组测量值；μ为组算术平均值。

通过分析表3数据可得到5台仪器在各测点的测量结果指标对比，如表4所示。

由表4可以看出，FG5x-246在本次比对测量结果中，各项指标均优于4台FG5。尤其在同等测量条件下，FG5x-246测量结果的离散度明显优于FG5，且在4个测点的离散度浮动范围最小（±0.62×10-8ms-2～ 0.93×10-8ms-2），这说明FG5x-246比FG5有更好的抗干扰性。结合FG5x在FG5基础上的改进，比对测量结果的成因为：

表4 各台仪器测量结果指标对比/10-8ms-2

1）自由落体距离增加，采样点数增多。由前文所述FG5和FG5x的工作原理和式（1）可知，在同等测量条件下（相同的激光干涉、铷原子频标和测量环境），每一次自由落体采集的xi和ti越多，则计算出的g0越精确。

将一对xi和ti称为一个采样点。FG5-112的采样点数为每次落体512个，FG5-214为每次落体601个，FG5-232为每次落体610个，FG5-240为每次落体601 个。由于FG5x-246比FG5的自由落体距离增加了约13 cm，时间增加了约60 ms，其采样点数为每次落体1 212个。

2）采用双轨自平衡升降系统。在FG5上采用的是单轨升降系统，即只有一组滑轮组和导轨控制落体块的升降。而在FG5x上采用的是双轨自平衡升降系统，即两组对称的滑轮组和导轨控制落体块的升降，且这套系统即便是在没有动力的情况下也能保持自平衡。伺服马达的振动在两条导轨上相互抵消，极大程度上减小了伺服马达的自振干扰，能更好地控制落体块的升降。

3）更大动力的伺服马达。FG5x增加了伺服马达的功率，使其能更自如的控制落体块。

4）重新设计的落体块。Micro-g LaCoste公司在FG5x上重新设计了落体块，使落体块对外部磁场的敏感性明显小于FG5[10]。

4 结 语

1）FG5x-246与4台FG5的实测结果一致性很好，不存在明显的系统偏差，且在各测点FG5x-246测量结果与平均结果差距很小（最大为-1.94×10-8ms-2），说明该仪器准确度较好。

2）在测量环境稳定的情况下FG5x-246的离散度优于±1×10-8ms-2，明显优于FG5，具有良好的稳定性，可满足绝对重力测定技术要求。

3）FG5x-246在各点的测量结果指标均明显优于FG5，说明在相同测量环境下FG5x相对于FG5在测量性能上有一定提升。

[1] 王勇,张为民.FG5绝对重力仪[J]. 地壳形变与地震, 1996, 16(2):94-97

[2] 张为民,王勇,周旭华.我国绝对重力观测技术应用研究与展望[J].地球物理学进展,2008,28(1):69-72

[3] Micro-g La Coste. FG5-x Absolute Gravimeter User's Manual[R]. Microg Lacoste Colorado, USA, 2013

[4] 刘冬至, 李辉, 邢乐林,等.中国地震重力网绝对重力观测结果的分析[J].大地测量与地球动力学,2007,27(5):88-93

[5] 王庆宾,吴晓平.绝对重力测量值的改正[J]. 测绘学院学报,2001,18(3):160-163

[6] 邢乐林,刘冬至,李辉,等.FG5绝对重力仪及测点3053的绝对重力测量[J].测绘信息与工程,2007,32(2):27-29

[7] Francis O. Indication of Uplift of Ardenne in Long Term Gravity Variations in Membach(Belgium)[J]. Geophys J Int,2004,158:346-352

[8] Jacob T. Absolute Gravity Monitoring of Water Storage Variation in Karst Aquifer on Larzac Plateau(Southern France)[J]. J Hydrology,2008,359:105-117

[9] Micro-g LaCoste. g9 User’s Manual[R]. Microg Lacoste Colorado, USA,2012

[10] Micro-g LaCoste. FG5x Brochure[R]. Microg Lacoste Colorado, USA,2012

P223.1

B

1672-4623（2016）03-0104-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.03.034

白磊，硕士，工程师，主要从事绝对重力测量及研究工作。

2015-03-31。

项目来源：国家重大科技基础设施建设资助项目。（*为通讯作者）