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11月19日 重力与现代科技 李建成
主讲人简介
李建成，是我国大地测量学领域中青年教授、博导，熟悉所从事学科领域的最新进展，学术思想活跃，勇于开拓新研究领域，在科研工作中取得多项有创新性和开拓性的成果。先后发表论文50篇，参加和主持40余项项目。获部级科技进步一等奖两项，二等奖两项，三等奖两项。1996年被评为国家测绘局跨世纪学术带头人，并获国家杰出青年科学基金项目资助。1998年获第六届中国青年科技奖。1998年被评为国家级有突出贡献的中青年专家。1999年被评为湖北省首届五四青年奖章。2000年获得国务院特殊津贴。
主讲内容简介
物理大地测量学的任务是研究地球形状及其外部重力场。将确定地球重力场纳入大地测量学科目标，空间大地测量和物理大地测量的结合开创了现代大地测量发展新阶段，使大地测量有能力深入地球科学，在更深层次上参与解决地球科学面临的重大科学问题。地球重力场反映地球物质的空间分布、运动和变化，确定地球重力场精细结构及时间相依变化将为现代地球科学解决人类面临的资源、环境和灾害等紧迫课题提供基础地学信息，现代大地测量作为地球科学基础性学科的地位正在不断加强。精确的重力场模型不仅是精确确定卫星轨道的基础，而且是研究地球深部构造以及与海洋动力学有关的参考地球表面的先决条件。深入研究大地构造和动力学环境是我国地球科学面临的重要任务，确定这一广大区域重力场精细结构是其重要组成部分，将为相关地球物理和海洋学研究提供重力场基础数据。重力场的确定也是大地测量跨世纪的目标和任务之一，以适应未来经济发展全球化和构造数字地球实现问题共享的发展趋势。卫星定位是现代大地测量的基本手段，精密卫星定位取决于卫星精密定轨，而后者必须有精密全球重力场模型的支持，新一代卫星重力探测计划将对大地测量学科的发展产生深远影响。
李建成主讲的《重力与现代科技》主要包括以下主要内容：一、大地测量学最新发展动态二、测定地球重力场的意义三、地球重力场的确定与现代空间科学技术的关系1）在军事中的应用；2）空间技术的支持；3）在地球科学中的作用。
四、重力场精化与现代人类社会的进步与文明全文各位同学，今天下午呢，我向大家讲述《重力与现代科技》。主要内容提要呢，有大地测量学、测定和研究地球重力场、精细重力场与现代人类社会的进步与文明、我国重力场发展的现状，包括四个方面的主要内容。那么第一部分呢，大地测量学，大地测量学呢是构成现代地球科学的一个重要基础科学，它是研究地球形状及其外部重力场，那么我们知道，构成宇宙呢，是由无数星体，而无数星体的运动呢正是由于万有引力的制约，所以今天我主要讲地球重力场。
大地测量学呢又叫测地学，是地球科学的一个分支学科，是一门研究地球形状及其，行星几何和物理形态（特征）的一门基础学科。它包括物理大地测量学、几何大地测量学、卫星大地测量学和空间大地测量学，那么几何大地测量学和物理大地测量学呢，构成了现代大地测量的基本体系，它的基本任务是研究全球，建立与时相依的，地球参考坐标框架，研究地球形状及其外部重力场的理论与方法，研究描述极移固体潮及地壳运动等，地球动力学问题，研究高精度定位理论与方法。
那么大地测量学研究的对象，有地球形状学、有地球重力场、还有地球的运动，三者呢是相互支持、密不可分的，不可孤立的一个整体，那么大地测量学的主要分支，有几何大地测量学、物理大地测量学、还有卫星大地测量学，我刚才讲过，几何大地测量学和物理大地测量学是构成现代大地测量学的一个重要基础，那么卫星大地测量学，是现代大地测量，发展的一个重要的标志，那么几何大地测量中，在我们传统大地测量中呢，几何大地测量主要是通过三角几何的关系，来传递大地测量坐标，它主要有测角和测距，大家图上看到的，这几幅图呢，主要是以测角的，经纬仪和测距的测距仪，那在测距仪出来以前呢，我们主要是采用，钢线尺来量距离，然后通过角度，来传递大地测量坐标，那么高程测量呢，我们主要是利用精密水准测量的方法，就是几何水准测量的方法来传递高程，那么现在大地测量的发展，跨越时代的主要标志 基础，是在于空间技术，电子计算机技术，和电子无线电技术等推动下，正是因为它们技术的迅速发展，和跨越式发展，使大地测量学实现了，里程碑的跨越式发展，其标志是卫星和空间大地测量，基本上取代了传统的几何大地测量和天文测量。
那么我们在经典大地测量中，坐标的维护和计算过程中，我们主要是利用天球、天体天文学的测量，也就是说我们利用恒星来作为坐标框架，来传递我们地面点的大地测量坐标，而随着卫星大地测量学的发展，特别是全球定位技术的发展，使我们大地测量坐标系，光局限于自然的天体，而转移为依靠人造地球卫星，这也就是说，自1957苏联的第一颗人造卫星上天以后，标志着我们大地测量，也是那一天诞生，那么全球定位GPS技术，1973年开始研制，它共有24颗卫星、3颗备用卫星，它的卫星轨道呢在20000公里，与我们的自然天体要离得相当近，那它的先进性呢在于，与传统大地测量来比，它是全球的全天候的，因为以前呢，我们几何大地测量过程中，它受到天气的制约 很有局限，所以呢高精度，它有10的负6次方，到10的负8次方，取代了传统大地测量的。10的负5次方，它的廉价 高效 实时，那我们传统大地测量中呢，要周期非常长，例如我们国家，天文大地测量坐标系的建立，要历经了30年，望远观测 观测了10年，而计算呢，当时采用手摇的计算机计，算了10年。那它的水平精度，可以达到米级、甚至毫米级、高精度、高动态定位。
那么大地高的精度，在垂直方向分量呢，它是在椭球坐标系下，可以达到毫米级和分米级，那么它的应用呢，可用于测定精密的，大地测量坐标框架，还有地壳运动，还有地球的自转，以及及其变化，那么空间大地测量的，另外一个重要标志，在GPS出现以前，我们是采用甚长基线干涉，也就是在远距离，6000到10000公里，架设设电望远镜，进行干涉测量，进行了重复的全天候的，全球的精密重复测距，它的精度呢在几千公里，甚至10000公里，可以达到10的负8次方、负9次方，它的精度呢，测距精度呢只有两个厘米，它的主要应用，在大地测量学和全球变化以及地球动力学，它主要呢研究大地测量坐标系的框架及其尺度变化，还有测定板块漂移速率，因为我们地球是由若干个板块构成，它每个板块的运动速率，是用甚长基线干涉测量的。
那么卫星大地测量呢，另外一个重要的发展，就是测定重力场，是利用卫星测距技术，激光测距技术，这是我们在地面站，通过已知坐标来测定天体，就是卫星的距离变化，我们知道，地球呢是引力场，要制约近地目标的飞行，我们由于呢，正常轨道呢，理论轨道呢可以计算，而由于受到地球引力场的制约，所以呢，地球引力场的不规则性，就引起了卫星轨道摄动，但我们通过卫星轨道呢，可以计算调整地球重力场，它确定的阶数呢，从1958年的戎戈隆维奇，苏联的学者推到8阶重力场模型，到现在的确定的，70阶高精度全球重力场模型，精度在全球范围已经达到，1米到5米的精度，相应的大地水准面呢，分辨率也由以前的几百公里，几千度到了5度，5度也就是，500公里的分辨率，可精密测定，此外呢在地学应用中，可精密测定地球的站坐标，和地球自转的变化。这个呢就是卫星跟踪，意思就是，利用我们地面站的激光，来测定卫星上的，激光反射棱镜，达到了精确测距。
那么物理大地测量学，主要是由于在传统大地测量过程中，由于人的视野非常有限，我们依靠呢就是，人就是在地面上进行测量呢，很有局限性，所以人的视野，无法看到地球的真实表面，也就是我们看到只是局部的，大家看到地形，那只是地形的起伏，而地球呢设为一个球形，是今天人类认识的，一个简单常识，那我们开始，最初呢认为地球是方的，但却经历了几个世纪，艰难的认识过程，大地测量学家呢，为此付出了艰辛的努力和劳动。公元前450周年，希腊学者费罗劳斯，第一个提出了一个，大地是一个球，那么直到公元1522年，由葡萄牙航海家麦哲伦。才第一次成功地，环绕地球一周，证明了地球是球形的假说。
那么第二部分主要讲呢，地球测定和研究地球重力场，这是我们重力场，是怎么测定的，它用于研究是有什么用，那么地球形状呢，大家看这三幅图，就可以看到，最初的呢，受地面和天文测量的限制，使地球最初的认识呢，人类认识是个圆球，是简单的球形，而长达1个多世纪，认为地球是个扁形球体，那么随着现代卫星大地测量，和地面大地测量技术的结合，我们今天已经能相当精确地，表达地球形状，大家看第三幅图就可以看到，地球呢既不是个圆形的，也不是个扁形的，而是近梨形的，就是由南半球膨胀，北半球收缩，这么一个梨形体，那么这个呢，是用现代地球重力场的观测资料，也就是卫星跟踪数据，和地面重力资料来测定的，和研究的确定的一个，高精度的地球形状图，这个图大家可以看到，地球既不是圆形，也不是扁圆形，也不是梨形，而是一个非常不规则的，一个土豆，所谓土豆，它就是极其不规则，它的形状非常随意，主要是由于地球自转引力，和地球内部密度，分布不均匀引起的，因为我们地球呢，整个宇宙的框架是在运动的。
那么重力场的基本参数，我们说重力，重力是单位质量在地球引力和离心力作用下产生的加速度，即重力加速度，我们在中学物理就学过，它是9。8（伽），而在我们重力场研究，我们不是9。8（伽）（就） 够了，而是要后面的尾数，要达到10的负5次方，才能测定，精确地测定地球重力场，那么地球重力场呢，这个重力值呢，在全球平均是979。764伽，它的单位是厘米每秒平方，负2次方，它在赤道呢，由于地球在旋转，它引力呢，它是包括两方面，一方面呢是地球自转的引力，另一方面呢，是地球的离心力的合力，所以呢这样就产生了，我们整个地球的重力，不是惟一的常数，而是一个变的，也就是说呢，我们的质量，在地球上是永远不变的，而重力呢是在变的，它重力加速度在变，重力加速度在赤道是最小，因为呢在赤道附近，它地球半径最大，所以它的离心力也越大，相反在两极 重力最大，它没有离心力的作用，所以呢重力就定义为，在地球引力和离心力作用下，产生的加速度。
那么我们看这张图，我们研究，大地水准面的意义是什么呢，我们作用呢，我们人类生存的是地球表面，也就是我们所有人类活动，就在地球表面活动，而大地水准面呢，是描述地球形状的一个基本曲面，它是不以人的意志为转移的，客观存在的一个实体，它是一个场，那么大地水准面呢，重力等位面就是，大地水准面是最密合于地形表面的，一个重力等位面，也就是说，它是最接近于地球形状的，所以我们大地测量学家，用大地水准面，来描述表达地球的形状，那么另外一个面呢，就是椭球面，椭球面是有严格数学意义的，规则的数学曲面，它是我们大地测量，和所有测绘工作的计算曲面，它因为有严格的数学意义，而重力场的大地水准面呢，是表征地球的形状特性的，它是具有严格物理属性的，一个物理的光滑曲面，但是在数学上，它是极其不规则的，而我们在大地测量观测当中呢，所有的外业观测值呢，都属于大地水准面的观测值，是在地形表面进行的，大地水准面的观测值，为什么这么说呢，是因为我们大地测量，所有的观测值，都以垂线为基础的，所以呢垂线，又是大地水准面的法线，所以我这么说，就是地球表面的，大地测量观测值呢，都属于地形表面，大地水准面的观测值，而由于呢，它的数学不规则性，导致了我们计算的不惟一性，所以我们就要找出，椭球面与大地水准面之间的差异，把大地水准面的观测值，归算为椭球面上，进行严密地计算，那么我们定义椭球的时候呢，又分为四个条件，第一个条件呢，是地球的质量，大地水准面所包容的质量，与大地以椭球面定义的质量，椭球体的质量是相等的，另外呢 质形重合，从图上看，使它的起伏呢，大地水准面N，在每一处都不相等，平方和最小，第四个条件呢，是两者的方向，平方和最小，也就是说椭球面的法向，与大地水准面的法向平方和最小，这就是我们定义的椭球，椭球面和椭球体，是我们大地测量计算的基本依据面，和大地测量坐标系的基本框架，那么大地水准面的定义，我们就可以很精确地定义呢，是在地球重力场的作用下，处于无潮静力流体平衡的海面，并延伸至陆地下，它是一个特殊的重力等位面，也就是说，它是与平均海水面最密合的，或者说最接近的重力等位面。
那么重力测量的手段呢，有地面重力测量，有卫星跟踪卫星、卫星（重力）梯度测量，还有卫星测高，可以说由地面重力测量到，卫星重力测量呢，我们重力测量已经发生了，跨时代的发展，我们大家都知道GPS定位呢，使我们几何大地测量发生了，一次革命性的变革，使原来周期非常很长，而精度又偏低，在我们GPS出现以后呢，使大地测量的精度大大提高，不是一个量级，而是三个量级地在提高，那重力测量呢，由于我们人类生活的环境和空间呢，是非常有限的，我们只局限于陆地，而有了卫星测高技术以后呢，我们已经大地测量，真正含义上，由陆地延伸至海洋，由局部扩展到全球，由静态扩展为动态。
那么这个呢，是在珠穆拉玛峰进行的重力测量，就是在很恶劣的环境下，地面重力测量，如果要确定精确的重力场，必须要进行测绘工作，那么卫星重力梯度测量，原理呢，由于地面的工作呢，很恶劣 很艰苦，另外很有局限性，我们测量的范围，所以我们在卫星上，装载了重力梯度仪，重力梯度仪是利用，差分加速仪来实现的，也就是我装两个加速仪呢，就可以实现梯度测量，而梯度测量呢，又是重力场引力位的，二阶梯度的测量，是在求定重力场的，扰动位原函数时，保证它的完美性，数学的严格性，那么它的先进性，还有SST和SGG相当于，直接在地球近地空间进行重力测量，受环境影响很小，是一个直接测量方法，而不是一个间接测量方法，那么卫星激光测距呢，和卫星测高，都要受到电磁波等无线电信号，电磁波传播的，一些各种各样的误差，是一种间接的方法。
那么卫星测高呢发展时间，是由我们大地测量学家，在1969年，也就是20世纪60年代末，提出来一个测定海平面高，但后来卫星测高学，发展为大地测量学与海洋学的，一个交叉科学，它主要的研究原理呢，是利用脉冲信号，测定卫星到海面的星下点距离，然后再测定它的时间，就可以反算它的海平面高，那么全球海洋连续测高，分辨率呢，在我们现在呢，可以几代卫星呢，可以达到10公里左右，精度呢可以达到，5厘米到10厘米左右，卫星测高技术出现呢，使我们人类有能力，在全球尺度上，实施的测定海平面的距离，从而为海洋学，研究海洋动力学，海平面的变化，提供了有力的手段，在大地测量的应用呢，是联合卫星激光跟踪技术，构建高阶重力场模型，因为激光测距呢，卫星的轨道摄动，只能对重力场的长波部分进行敏感，短波部分呢，要靠高频部分，要对地面重力数据，而占我们地球的，2/3到3/4是海洋，那海洋的重力场信息呢，主要依靠于卫星测高。
那么我们大家看这张图，就是卫星测高的原理，它主要是利用卫星技术，和无线电测距技术，来联合研制的这个卫星测高，那么卫星测高呢包括两个信息，一个测定的距离，如果已知我们卫星轨道，那它的高度，卫星的高度，可以精确地测定出来，而我们利用微波雷达，知道呢，可以测定卫星到海面的距离，从而我们可以测定，可以测定，海平面到椭球面的距离，海平面到椭球面的距离，类似于GPS技术，测定的大地高，它包括两个信息，一个是由于地球引力场，引起的大地水准面，�