重力与现代科技 李建成-第2章
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桓鼋徊婵蒲В饕难芯吭砟兀抢寐龀逍藕牛舛ㄎ佬堑胶Ｃ娴男窍碌憔嗬耄缓笤俨舛ㄋ氖奔洌涂梢苑此闼暮Ｆ矫娓撸敲慈蚝Ｑ罅飧撸直媛誓兀谖颐窍衷谀兀梢约复佬悄兀梢源锏�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，就是保守力，另外一个方面，由于海洋动力学，例如风力 潮力 海潮等引起的，非保守力引起的海面地形，实际海面呢，不是一个严格意义上的，重力等位面，因为它有外力作用，所以它近力学保持不平衡，所以产生了洋流，那么海洋学家呢，对大地测量学的要求，就要提供精确的大地水准面，而大地测量学家呢，相应的对海洋学家呢，希望他用海洋动力学的信息呢，求定精确的海面地形，所以呢 卫星测高呢，所以呢是一个交叉学科，它包括了海洋学，海洋动力学，信息和地球重力场的引力信息，那么这个卫星测高呢，测出的是A＋B＝C，一个方程 二元一次方程，无解方程，所以大地测量学家，致力于研究重力场，海洋学家利用海洋动力信息呢，研究海洋学的问题，那么这个使卫星重力计划，新一代卫星重力计划呢，将对重力场的研究呢，发生一次深刻的革命，也就是我们以前，确定大地水准面的精度呢，是米级精度，我们现在要测定精度，要达到厘米级精度，那么美国的和德国的，联合研制的GRACE卫星，这个也是我们大地测量学家提出来的，用于测定重力场和大气的，一个交叉科学的一个计划，那么它不仅呢，是测定卫星轨道，而且呢，测定卫星与卫星距离的变率，从而可以通过卫星轨道理论，反演地球重力场的信息，它采用的跟踪技术呢，它加载了GPS，GPS现在不仅用于，我们地面的军事导航，民用导航，还有大地测量学，地球动力学的高静态定位，而且呢用于空间技术的定轨，所以呢加载了GPS接收机，GPS技术加载呢，使得轨道呢，可以达到两个厘米精度，采用交互式跟踪呢，可以精确确定，低轨卫星的摄动影响，从而可以研究，地球重力场及其时变部分。
这个呢是CHAMP计划，是德国地学研究中心的，它是装载了加速仪，由于大地测量学家，需要确定没有其他外力影响的，地球重力场完全的信息，而近地目标在地球空间中运动，又要受到大气阻力，太阳辐射压等相对论力的影响，所以呢，装了加速仪器，用来分离非保守力，从而使重力场在200公里范围内，可以达到1个厘米的精度，这是GOCE计划，GOCE计划在真正意义上，是直接测量技术，就是在GOCE的卫星上，测定加载了重力梯度仪，来测定地球重力场，它主要呢，是改善重力场的支持，因为我们以前，人类认识重力场呢，精度是很有限的，它真正意义上，达到1个厘米的精度，它可用于固体地球物理，海洋学 冰盖动力学 大地测量学，还有海平面变化的研究，那么认识地球重力场的方法，可以说呢，怎么样去测定地球的重力场，而是由于我们定义参考的椭球，参考椭球由于它，不是客观存在的，而是人为定义的，所以呢正常重力场呢，测定呢是人为假设的，一个等位面，但是与真实的地球呢又有差异，所以我们就求它这个差异，那空间同一点呢，地球重力位与正常位之差，就是叫扰动位，我们通过扰动位，来反映地球重力场的，海拔和重力测量。
第三部分，那么精细重力场，与现代人类社会的进步与文明，我刚才讲了，重力场很多知识，就是我们为什么要，求定精密的重力场呢，那么精细的重力场，与现代人类文明的进步，有以下几个方面，第一个方面就是高分辨率，高精度重力场数据，结合地球重力场数据，例如地震波 地电 地磁，将为人类开发未知新矿产，提供新信息，因为海洋呢是非常大，地震呢90％发生在海洋，而我们海洋，又无法来测定那个地震，所以呢就和地震波，全球重力场直接来为，人类探索新的矿产，新的地震断裂带，提供新的信息，主要是海洋矿产的勘探，延缓人类可利用资源的枯竭过程。
第二 精密重力场信息，结合地球物理勘探资料，将有利于揭开地球内部构造，使我们大地测量有能力，由外部延伸到地球内部，以及地球动力学过程，有利于揭示地震机制的之谜，为成功预测地震增添新的希望，因为现在地震呢，在我们人类科学方面，在医学上先解决癌症，还是我们地球科学先解决地震，回答是，癌症先解决，地震迄今为止，由于地球是个复杂的运动体。
那么精密海洋重力场模型呢，同样有利于，海洋动力学过程的量化研究，在我们过去呢，重力场只是个，海洋动力学只是一个，定性的研究，有利于认识，海洋和大气相互作用，和全球气候异常变化，减少海洋和大气灾难，对人类生活的威胁。
第四 精密全球大地水准面，将最终统一全球高程系统，和大地测量坐标系统，因为现在我们国家，我们全球的高程系统，和我们国家的高程系统，是不一致的，每个国家的高程系统都不一样，也就是每个国家，所用到的大地水准面，都不是一个统一的大地水准面，我们利用全球统一大地水准面，可以统一全球高程系统，为构建数字地球统一，地球空间信息提供坐标框架，有利于经济的全球化进程。
高分辨率，高精度大地水准面呢，加上卫星GPS接收机，将使人类像获取时间信息一样方便，现在我们获得时间的信息非常方便，而获得空间坐标呢，位置呢比较困难，结合GPS技术呢，可以呢，在任何险情条件下，可以及时向外通报，出事地点的准确位置，因为GPS是能测定三维大地坐标，而大地坐标，第三维的垂直方向呢，是大地高 是几何坐标，而我们在实际应用当中呢，还是几何高程，所以海拔高程，所以我们结合大地水准面呢，可以为GPS手表呢，提供第三维坐标，大大可获取获救的机会。
第六方面精确的地球重力场，是空间技术的基础和先决条件，在军事上可为远程武器呢，提供重要的重力场信息，主要表现在为导弹发射提供，精确的重力场参数，为宇宙洲际导弹飞行制导，提供扰动重力场信息，为潜艇海上发射，提供海洋垂线偏差，进行校正。
那么第四部分呢，我想简单地介绍一下，我国重力学的发展状况，那么我们国家的早期的重力场，有一批科学家带领我们，局限于基础理论研究方面，随着现在GPS技术，和重力场信息的获取的丰富，使我们大地测量呢，在地球重力场研究方面，得到了长足的发展，从1996年到2001年，我们先后确定了十几个地区的，局部大地水准面，以前呢，重力场只停留在基础，现在变成实用。
那么这张图，就是我们利用全国的，重力资料和卫星资料，获得的全国的重力场，利用这些数据精化了，我们国家新一代的高分辨率的，重力大地水准面，是建国以来，是最高的一个大地水准面，那在全球重力场研究方面呢，我们先后推出了，WDM94（360阶）模型，这个呢就是，WDM94描述的全球重力场，它可以反映地质构造，地震断裂带的构造，那么这个呢，是我们最新研制的，WDM2001（720阶）重力场模型，那今天（的）讲座呢，我希望和大家达成一个，互动交互式的课程内容，我下面呢，希望大家能够给我提一些问题，让我们来共同讨论，有关重力对现代科技的，进步（进步的贡献）。
问：我想请问一下，现在正在一个新世纪之初，您认为大地测量学，在这个世纪中，面临的最大挑战是什么，而有可能取得的，最大的成就又是什么，谢谢。
答：最大的挑战，是我们大地测量学家，在地球重力场研究方面呢，提供了高精度重力场模型，高精度重力场模型，不仅是我们上个世纪，大地测量的一个重要成果，而是我们大地测量，而是人类在整个地球科学中的，一个重要的进展，它主要表现在人类有能力，在全球统一尺度 统一基准上，描述表达地球重力场，那我们大地测量，在新世纪即将面临的，厘米级大地水准面的挑战，也就是说，用厘米级大地水准面，来提供相关科学的技术支撑，我们大地测量学呢，是测绘学的一个，构筑现代测绘科学技术的，一个基石是基础，那么也是构成众多地球科学，像地球物理，地质学的一个桥梁。
问：你刚才提到，就是说我们在研究，在大地测量，重力场的研究和应用方面，很重要的一个基础就是GPS，据我所知，这个GPS是一个美国系统，就是说我们国家在这方面，在卫星定位系统方面，有没有一个什么样的计划，这是第一个问题，第二个问题就是说，你刚才提到了，大部分内容都是关于地球重力场，这个学科本身的很多东西，我想问一下，就是说利用重力场，今后重力场这个科学的发展，对其他学科，以及整个文化方面的影响，就是说，你作为这个学科里面的这个人，你有没有想过，它对其他学科和一些文化方面，产生一些什么样的影响，谢谢。
答：大地测量学的发展，是反映国家的国力，国力强了，大地测量自然会投入很大，由于我们国家还是发展中国家，国力不够，因此在GPS方面，我们只能受制于国外，就是只能应用国外的技术，不是我们技术上跟不上，而是我们国家的国力跟不上，这个问题，第二呢，人类文明呢，的确 大地测量，因为我们人类生存的是地球空间，有地球，那么我们人类就要知道，它的地理位置，所以大地测量呢，是构成测绘学的基本的，最基础的一个学科，那么我们大地测量，在人类文明可以说呢，描述地球形状，因为我们地球，是不以人的意志为转移，客观存在的实体，我们就要认识它，认识它呢就离不开大地测量技术，那现在信息社会呢，有时间和空间概念，因为我们GPRS技术，它是利用了，我们过去呢，我们只是达到一个通讯，而现在呢，我们希望知道对方的位置，而利用重力场方面，就是说，单说重力场方面，它只利用GPRS，只能确定它的三维椭球坐标，利用GPS技术，而海拔高程我们不知道，所以利用大地水准面，这一精确的重力场信息呢，可以给用户提供，方便 便捷的海拔高程，在短时间内，那么同样呢，在地球科学研究中呢，在地震学，我刚才讲过，地震学呢，我们重力场呢，信息里面包括了，丰富的地质构造，地球物理学信息，通过地震图呢，通过重力场图呢，就可以反映出地震活动带的构造，这也是我们人类一个，面临的一个减灾的一个方面。
问：刚才你谈到了，对于大地测量学，因为国家需要投入，现在我们国家是发展中国家，我们财力有限，就是说现在高新技术，转换成生产力，我们需要投入 更需要产出，我想请问一下，就是现在大地测量学，作为一个非常前沿的学科，它对社会的意义和经济价值何在？谢谢。
答：你这个问题就是我们重力场，从理论走向实用的一个标志，在过去呢，研究地球形状呢，只停留在理论研究，没有实用，那随着现在GPS定位技术的发展，我们以前呢求定海拔高程，是利用传统的周期长，花费高，这么一个水准测量的方式，去测定高程的，那么现在我们有了，高精度GPS定位技术，非常廉价 速度非常快，精度非常高，这么个特点，我们结合大地水准面的信息，就可以用廉价的替代，劳动强度高 费用投入大，这个简单的劳动，所以体现了大地测量，高技术的发展。
问：李教授您好，我是来自资源与环境科学学院的，一名学生，我想了解一下，地球重力场的意义，就是目前呢，世界和平是一个，大家非常普遍关心的问题，刚才您谈到了，它地球重力场，在军事方面的应用，我想主要了解一下，它在军事方面的意义。
答：我刚才的确讲到了，就是应用于军事方面，因为我们在卫星方面，空间方面，我们空间受到地球引力场的制约，它要获得精确的卫星轨道，必须要有精确重力场的信息，那么在军事方面的应用呢，它的弹道导弹的飞行器，同样在我们宇宙空间中运动，所以它就要受到，地球重力场的制约，而在我们大家所设计的图上，看到的都是椭球坐标 几何坐标，所以呢我们就要找到，几何坐标与物理坐标的差异，也就是方向上的差异，在我们大地测量中，可以为军事方面，提供精确的垂线偏差，使我们在图上设计的，改换为引力场设计，真正达到导弹飞行的坐标。
就是我们将重力测量，与地球动力学结合以后，应用在地震的研究领域的时候，现在亟待解决的问题是什么。
大地测量和地球物理学的结合，使大地测量反映了，大地测量利用现代空间技术，在短时间内，可以时时监测地球动力学问题，而以前呢，在大地测量空间，大地测量定位技术，和重力场技术出现之前呢，我们用于研究大地测量构造，大地构造和，地球物理学的周期非常长，也就是研究地球动力学的，周期非常长的，有了大地测量观测数据以后呢，使我们大地测量，大大缩短了研究时间，所以叫现代地球动力学。
问：从您刚才的讲座中我们知道，大地测量的基本情况和重要作用，其中地球重力场作用尤其显著，我想请您介绍一下，我国在地球重力场研究方面，取得了哪些新成果，谢谢。
答：那么我刚才介绍了，在我们国家，大地水准面方面呢，我们确定了从理论走向应用，从理论走向实践，那么在垂线偏差方面，我们利用了密集的重力资料，我们计算了，全球的海洋的垂线偏差，为我们国家的军事方面，提供了可靠的保障，此外呢，在厄尔尼诺现象，我和我的研究生，共同研制了全球海平面高，这张图就是一个，我们国家研制的，描述的全球平均海平面，大尺度的2‘×2’的，空间分辨率为，4公里乘4公里的大地水准面，此外呢，我刚才也给大家演示了，我们还研制了，全球高精度的重力场模型，这是国际上少有的学术机构，具备这个研究重力场模型的能力，好 谢谢。
问：刚才您曾经提到说，有一个参考地球椭球面，我想请问您一个基础问题，为什么我们要，确定一个地球椭球呢？谢谢。
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