一种三仪一体地球动态监测装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种三仪一体地球动态监测装置，包括地球表面的基岩，在基岩顶面安装有GNSS接收天线，待测点下方的基岩内部设置有一个隔绝外界噪声的仪器室；待测点正下方的仪器室底部设置有一个真空重力观测室，真空重力观测室内安装有绝对重力仪；绝对重力仪的几何中轴线与GNSS接收天线的几何中轴线重合，仪器室内围绕着GNSS接收天线的几何中轴线均匀分布有陀螺仪。本实用新型便于测定重大地震事件对地球运动状态的影响，包括利用绝对重力仪与GNSS测定地震事件同震形变场，利用重力场非潮汐性变化、GNSS以及自转角速度的观测值时间序列研究地震事件孕震-发震-震后恢复的规律。
【专利说明】一种三仪一体地球动态监测装置
【技术领域】
[0001] 本实用新型属于大地测量领域，涉及监测装置，具体涉及一种三仪一体地球动态 监测装置。
【背景技术】
[0002] 现代地球科学是在同时研宄全球构造演化和地球深部作用的基础上建立起来的， 是应用地质学、地球物理学以及大地测量等学科，进行综合和交叉研宄的重大课题。
[0003] 地球作为一个动态的有机整体，其任意一点处的构造演化与整体运转必然涵盖了 地壳运动、构造变形、重力场、自转速率以及地极方位等多方面的变化。仅从单一学科、单一 视角对其演化过程进行监测研宄，必然存在很大的局限性，难以达到对行星地球的整体、内 部结构以及演化进程的深入而全面的认识，更不可能深入探讨和推断地球内外圈层构造演 化过程。例如，GNSS(Global Navigation Satellite System，全球卫星导航系统）可以精 确测定地壳运动与构造形变相对趋势，却无法给出相应变形点深部物质变化与分布状态。 绝对重力技术可以以微伽级精度监测地球一点内部重力变化，但是，在研宄地球重力场非 潮汐性变化时，仍缺少高分辨率的现今地壳运动与构造变形场作为重要边界约束条件。地 球内部物质分布迀移变化研宄主要依赖于相应引力场的监测精度，利用陀螺技术精确测定 任意点地球自转角速度并结合重力仪监测成果，有利于精确获取相应点位的引力场分布情 况。重大地震事件对整体地球的影响是全方位的，仅仅从单一技术角度是难以全面评估地 球的同震变化或震后状态的。
[0004] 因此，唯有从多视角、采取交叉思维的方式，进行跨学科综合研宄，才有可能正确、 完整的认识地球。随着观测技术的不断进步，使得多学科下的全方位、多技术手段综合监测 成为可能。然而，当前地球科学多元技术手段的交叉研宄还停留在综合各类独立监测成果 进行综合分析研宄的水平上。不同的监测技术获得的观测数据无论在时间、空间或是具体 事件上都严重不统一。不能实现真正意义上的，对于动态地球的多元异构同步监测。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术中，全球分布的各类地球动力学观测网络观测内容形式单一，对重 大地震、构造事件及相应变化的监测成果之间缺乏时间与空间上的统一性，无法在同一站 点获取连续的、多视角的实时监测成果等缺陷或不足，本实用新型的目的在于，提供一种三 仪一体地球动态监测装置，实现包括地球重力场的时空多元实时监测。
[0006] 为了解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案予以实现：
[0007] -种三仪一体地球动态监测装置，包括GNSS接收天线，用于确定待测点的三维坐 标，进而获得待测点的三维形变信息，GNSS接收天线所在的位置坐标所在的点为待测点，其 特征在于：
[0008] 待测点下方设置有一个隔绝外界噪声的仪器室；待测点正下方的仪器室底部设置 有一个真空重力观测室，真空重力观测室内安装有绝对重力仪；绝对重力仪用于测量地球 内部位于绝对重力仪的几何中轴线上的质量点的质量变化信息；
[0009] 绝对重力仪的几何中轴线与GNSS接收天线的几何中轴线重合，使得待测点的三 维形变信息与地球内部GNSS接收天线的几何中轴线上质量点的变化信息在时间和空间上 同步；
[0010] 仪器室内围绕着GNSS接收天线的几何中轴线均匀分布有陀螺仪，陀螺仪用于测 定地球自转角速度。
[0011] 本实用新型还具有如下技术特征：
[0012] 所述的仪器室设置在基岩顶面以下IOm?15m范围内，使得仪器室内的仪器能够 避免外界噪声干扰。
[0013] 所述的陀螺仪为三个，均布在以GNSS接收天线的几何中轴线上的点为圆心，半径 为3m的仪器室底面的圆周上。
[0014] 所述的GNSS接收天线、绝对重力仪和陀螺仪均安装在仪器墩上。
[0015] 本实用新型与现有技术相比，具有如下技术效果：
[0016] 本实用新型能够实现实现包括地球重力场的时空多元实时监测；精化局部重力 场；实时评估重大地震事件发生前后地球内外结构与整体运动状态与结构调整变化；在时 间与空间双重尺度上，实现地面变形场与深部物质迀移变化的多元同步观测。该系统可以 针对地球上的某一点实施同步、连续的多元数据采集。同步获取同一地点的重力场变化、 地球内部物质精细迀移状态，地壳运动与构造形变状态以及地球自转参数等多元化观测成 果。
[0017] 重力场的非潮汐性变化不仅与地壳运动，地幔对流，地球内部密度界面，即核幔 边界的变化，深部物质变异有关，甚至与地球表层因素，如断层活动、地下水、沉积物迀移， 和大型工程建设都有关系。因为与之相关的各种因素的变化规律迄今为止仍不不很了解， 因此重力场的非潮汐变化的研宄显得十分困难。通过将重力仪与GNSS系统相结合，对固定 区域进行统一的时间、空间域观测，将有助于研宄重力场非潮汐性变化与地壳运动、构造变 形之间的相互关系。
[0018] 便于测定重大地震事件对地球运动状态的影响，包括利用绝对重力仪与GNSS测 定地震事件同震形变场，利用重力场非潮汐性变化、GNSS以及自转角速度的观测值时间序 列研宄地震事件孕震-发震-震后恢复的规律。
[0019] 利用陀螺仪测定监测重大地震事件引起的行星地球自身的自由震荡，自由震荡可 以分为径向的极移变化以及切向的扭转变化。因此可以在评估相关地震事件对局部地壳结 构与物质分布状态影响的同时，监测地震对地球整体的运动状态的调整作用。
【专利附图】
【附图说明】
[0020] 图1是本实用新型的整体结构示意图。
[0021] 图2是安装在本实用新型的仪器下方的仪器墩结构示意图。
[0022] 图中各个标号的含义为：1_基岩，2-GNSS接收天线，3-待测点，4-仪器室，5-真空 重力观测室，6-绝对重力仪，7-陀螺仪，8-几何中轴线，既是GNSS接收天线的几何中心线， 又是绝对重力仪的几何中心线，9-仪器墩。
[0023] 以下结合附图对本实用新型的具体内容作进一步详细解释说明。
【具体实施方式】
[0024] 以下给出本实用新型的具体实施例，需要说明的是本实用新型并不局限于以下具 体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本实用新型的保护范围。
[0025] 实施例：
[0026] 遵从上述技术方案，如图1和图2所示，本实施例给出了一种三仪一体地球动态监 测装置，包括地球表面的基岩1，在基岩1顶面安装有GNSS接收天线2，GNSS接收天线2的 几何中轴线8垂直安装，GNSS接收天线2用于确定待测点3的三维坐标，进而获得待测点3 的三维形变信息；
[0027] 所述的待测点3为基岩1顶面上与GNSS接收天线2的几何中轴线相交的点，即 GNSS接收天线2所在的位置坐标所在的点为待测点3 ;
[0028] 待测点3下方的基岩1内部设置有一个隔绝外界噪声的仪器室4 ;待测点3正下方 的仪器室4底部设置有一个真空重力观测室5,真空重力观测室5内安装有绝对重力仪6 ; 绝对重力仪6用于测量地球内部位于绝对重力仪6的几何中轴线8上的质量点的质量变化 信息；
[0029] 绝对重力仪6的几何中轴线8与GNSS接收天线2的几何中轴线8重合，使得待测 点3的三维形变信息与地球内部GNSS接收天线2的几何中轴线8上质量点的变化信息在 时间和空间上同步；
[0030] 仪器室4内围绕着GNSS接收天线2的几何中轴线8均匀分布有陀螺仪7,陀螺仪 7用于测定地球自转角速度。
[0031] 仪器室4设置在基岩1顶面以下IOm?15m范围内，使得仪器室4内的仪器能够 避免外界噪声干扰，保证仪器的测量准确度。
[0032] 陀螺仪7为三个，均布在以GNSS接收天线2的几何中轴线8上的点为圆心，半径 为3m的仪器室4底面的圆周上，这种分布方式能够避免陀螺仪7之间相互干扰，并且能够 准确测量地球自转角速度。陀螺仪7采用高精度磁悬浮陀螺仪。
[0033] GNSS接收天线2、绝对重力仪6和陀螺仪7均安装在仪器墩9上，仪器墩9顶面距 离安装地面的高度为d为300_左右，通过仪器墩9将仪器与安装地面隔离开来，也是为了 保证整个装置的测量准确性。
[0034] 本实用新型的装置在实际应用中是以网络状分布的方式在各个地方安装监测地 球动态的，安装选址要求：
[0035] ㈧本实用新型的装置需布设于地基坚实稳定、视野开阔的基岩1之上，相邻两个 装置的间距宜大于50km。考虑到陀螺仪7的监测精度随炜度的变化特征，本装置的分布以 南北炜25°范围之内的布格重力异常梯度带优先。
[0036] (B)应避免在孔隙度大、吸水效率高的松散破碎基岩1上安装本装置，应该在稳定 的基岩石上安装本装置。
[0037] (C)以周围区域地质、水文资料为参考，避免在断层破碎带内，地质不稳定点、易 于发生滑坡、沉陷、隆起等地面局部变形的地点；易受水淹没、潮湿、地下水位较高的地点设 站。
[0038] (D)本实用新型的装置安装位置应距离年水位变化量1?3m及以上的水系大于 3km，距离海岸线距离IOkm以上。
[0039] (E)本实用新型的装置安装位置3km范围以内不得存在深层抽水、注水、采石爆 破、修筑水库等工程项目。
[0040] (F)本实用新型的装置安装位置站Ikm范围以内不得存在大型仓库、铁路、机场、 三级以上主干公路。
[0041] 每个单独装置的技术要求：
[0042] (a)所有仪器均安置在精确整平的强制观测墩上，与基岩1连成整体。
[0043] (b)仪器室4采用恒温控制，要求昼夜温差兰0. 1°C，年温差兰1°C，仪器室4相对 湿度兰80%。
[0044] (c)重力观测的重力加速度畸变量48h内=4X 10_8m/s2,重力加速度突发性变化 量应不大于4 XKTiVs2。
[0045] (d)由于绝对重力仪6对周围环境的敏感性特征，本实用新型的装置设计独立的 真空重力观测室5,绝对重力仪6位于陀螺仪7所在平面下方2m位置，以陀螺仪7的几何中 心为度量，以进一步减少外界空气阻力、粉尘对重力观测精确度的影响。
[0046] 本实用新型的工作过程如下所述：
[0047] 本系统测量兼顾测站位置地面三维位移变化、几何中轴线8重力场变化、宏观地 球自转状态变化。本系统系同步实时多元化的数据采集过程。系统运行时，由GNSS接收天 线2、绝对重力仪6与三台陀螺仪7分别进行独立数据采集，并将采集得到的数据成果实时 汇总，以及时进行综合处理。
[0048] 具体地，GNSS接收天线2、绝对重力仪6以及三台陀螺仪7均要求强制对中并精 确调平，其中GNSS接收天线2的双频扼流圈天线与陀螺仪7要求指向北方向，偏差不超过 5° 〇
[0049] 1)整个系统运行过程，GNSS接收天线2置于台站所在基岩1的最顶端表面。连续 接收GNSS卫星星座信号，并利用美国麻省理工学院的GAMIT/GLOBK和瑞士的BERNESE两大 软件进行数据的平差处理。其处理过程主要分为四步完成：
[0050] 第一步，利用GAMIT软件获得测站坐标和卫星轨道的单日松弛解。本项目监测点 数量较多，需要分区处理。
[0051] 第二步，利用GLOBK软件将获得的每天一个或多个单日松弛解和IGS数据处理中 心SOPAC(Scripps Orbital and Permanent Array Center, http://sopac. ucsd. edu)产出 的全球IGS跟踪站的单日松弛解合并，得到一个包含区域点和所有IGS跟踪站的单日松弛 解。这个单日解给出了测站坐标、极移和卫星轨道参数的松弛解和方差-协方差阵。
[0052] 第三步，利用QOCA软件（http://gipsy. jpl. nesa. gov/QOCA)综合所有的单日松 弛解估算测站位置和速度。
[0053] 第四步，利用BERBESE软件对解算结果进行验证，对误差较大的点进行校正。
[0054] 2)利用浮陀螺仪7获取地球自转角速参数：
[0055] 第一步，获取陀螺旋转轴与子午线夹角；
[0056] 第二步，测定仪器位置炜度；
[0057] 第三步，启动陀螺仪测量陀螺指向力矩；
[0058] 3)利用绝对重力仪6观测台站几何中轴线8绝对重力非潮汐性变化，结合全球分 布台站获取重力场空间分布特征及各点时间变化序列。结合地球自转参数观测成果，进一 步获取相应轴线精化引力位参数，包括以下步骤：
[0059] 第一步，利用微伽量级的高精度绝对重力仪6获取系统几何中轴线8处地球重力 值，并按照下式计算相应重力位：
[0060] dff = -gdh
[0061] 其中，dW为重力场的微分，g为重力观测值，dh为相应高程的微分；
[0062] 第二步，利用陀螺仪7测定的地球自转角速度参数。包括获取陀螺自转轴方向与 子午线夹角α ;利用GPS连续站精确测定陀螺所在位置的炜度陀螺指向力矩M，并按照 下式计算当前站的地球自转角速度：
[0063]
【权利要求】
1. 一种S仪一体地球动态监测装置，包括GNSS接收天线（2)，用于确定待测点（3)的 S维坐标，进而获得待测点（3)的S维形变信息，GNSS接收天线（2)所在的位置坐标所在 的点为待测点（3)，其特征在于： 待测点（3)下方设置有一个隔绝外界噪声的仪器室（4);待测点（3)正下方的仪器室 (4)底部设置有一个真空重力观测室巧），真空重力观测室巧）内安装有绝对重力仪化）； 绝对重力仪（6)用于测量地球内部位于绝对重力仪化）的几何中轴线（8)上的质量点的质 量变化信息； 绝对重力仪化）的几何中轴线（8)与GNSS接收天线（2)的几何中轴线（8)重合，使得 待测点（3)的S维形变信息与地球内部GNSS接收天线（2)的几何中轴线（8)上质量点的 变化信息在时间和空间上同步； 仪器室（4)内围绕着GNSS接收天线（2)的几何中轴线做均匀分布有巧螺仪（7)，巧 螺仪（7)用于测定地球自转角速度。
2. 如权利要求1所述的监测装置，其特征在于；所述的仪器室（4)设置在基岩（1)顶 面W下10m?15m范围内，使得仪器室（4)内的仪器能够避免外界噪声干扰。
3. 如权利要求1所述的监测装置，其特征在于；所述的巧螺仪（7)为=个，均布在W GNSS接收天线（2)的几何中轴线（8)上的点为圆屯、，半径为3m的仪器室（4)底面的圆周 上。
4. 如权利要求1所述的监测装置，其特征在于；所述的GNSS接收天线（2)、绝对重力仪 (6)和巧螺仪（7)均安装在仪器壞（9)上。
【文档编号】G01D21/02GK204228203SQ201420712698
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月24日 优先权日:2014年11月24日
【发明者】杨志强, 吴啸龙, 计国锋, 张凯南 申请人:长安大学