时频重力位测量测的是重力位,与重力位相关联的应用它都可以胜任,例如最基本的测定正高差、正常高差。以下再列举一些其它应用。

统一全球高程基准

你可以设想在中国北京有一个观测站 A,在美国旧金山有另一个观测站 B。那么A、B 两站之间的正高差是多少?

也许你可以在电子地图上查到 A 点的高程,也能查到 B 点的高程,那么两者相减不就行了?但情况并不是那么简单。A 点的高程是以中国的高程参考框架(1985国家高程基准)测算的,其高程零点在青岛验潮站。而 B 点的高程是以美国的高程参考框架(NAVD 88)测算的,其高程零点在Rimouski, Quebec, Canada。那么除非两者的高程零点位于同一水准面,否则直接相减的结果并不是两者的高程差。

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那么中国的高程零点和美国的高程零点是在同一个水准面上吗?几乎不可能。因为全球的平均海平面与大地水准面并不重合,不同的验潮站标定的海平面高度最多可以相差一两米。而我们的高程零点都是根据验潮站测得的海平面标定的,那么由不同验潮站所建立的不同的高程系统之间自然也就无法直接比对了。

<aside> 📌 根据物理学定义,理想的高程零点应该处于大地水准面上,全世界都一样。我们目前定义的大地水准面上的重力位值为常数 $W_0 = 62,636,853.4~\rm{m}^2/\rm{s}^2$。但现实中绝对重力位的值非常难观测,因此各国家或地区都是采用验潮站找一个接近$W_0$的地点作为本地高程零点。

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你可能会想,那只要我测出了中、美两国的高程零点之差,不就能进行比对了吗?这确实是最直接的一种解决方案。

<aside> 💡 假设 A 点的高程为 $H_{A测}=100$ m,B 点高程为 $H_{B测}=90$ m,而中、美的高程系统零点之差为 1 m ($\Delta H_0 = H_{A0}-H_{B0}=1$ m),则 A、B 两点的正高差通过以下公式计算:

$$ \begin{equation}\Delta H_{AB}=H_{A测}-H_{B测}+\Delta H_0\end{equation} $$

本例的结果为 11 m。

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但是,这个“零点之差”目前还无法精确测出,具体的原因你可以回顾第二章,如何解决这个问题也是目前国际上的研究热点之一。我们这里只谈到了中国和美国,而实际上世界各个区域都有自己的高程系统与高程零点,我们最终的目标是求出所有这些高程零点之间的位差关系,甚至整合这些区域高程系统,将全世界都归入同一个高程系统之中。这就是所谓的“统一全球高程基准”。好消息是,从理论上来说,时频重力测量就可以完美地解决这一问题。

具体的实现方法也非常简单,将三频组合法所对应的两个地面台站分别设为 A(北京)和 B(旧金山),即可直接测出两地之间的位差。由两者之间的位差即可推算两者之间的正高差。简单公式为:

$$ \Delta H_{AB}=\frac{\Delta W_{AB}}{\bar\gamma} $$

其中 $\bar\gamma$ 为平均正常重力。精度更高的公式应该表示为(Shen et al 2023):

$$ H_B=\frac{H_A \cdot\left(g_A+4.24 \times 10^{-5} H_A\right)-\Delta W_{AB}}{g_B+4.24 \times 10^{-5} H_B} $$

其中 $g_A$ 和 $g_B$ 是 A、B 两点的实测重力。此方程可以用迭代计算求解 $H_B-H_A$ (需要先给定 $H_A$ 的预估值)。

计算出了 $\Delta H_{AB}$ 之后即可通过公式 (1) 计算高程基准差 $\Delta H_0$。从而完成两个高程系统之间的统一。

<aside> 📌

如果要进行仿真实验,基本思路可参考以下视频:(勘误:本视频中的$\Delta H_0$应该等于 -1m 而非 1m,讲解时忽略了正负号)

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高程基准统一的仿真实验原理.mp4

相关仿真实验的解释: