【论文分享】基于我国光纤骨干网络的相对论重力测量模拟
1 研究背景
高精度时空基准的建立和维持是大地测量学科的核心任务之一。其中，高程基准的统一是保障空间数据一致性的重要基础。我国目前采用的1985国家高程基准，以青岛验潮站的多年平均海水面为零点建立。受限于传统水准测量误差的累积效应，距水准原点越远的地区，其水准测量累积误差越大。如何建立我国更高精度的高程基准一直是大地测量领域十分关注的问题。近年来，随着国内外时频传递技术的快速发展和原子钟测量精度的不断提高，光学原子钟的长期稳定度已达到优于10-18的水平，具备实现cm量级高程传递的能力；使用光纤时频传递技术能够实现稳定度优于10-19的频率比对。基于相对论原理的量子大地测量学正逐步从理论研究走向实际应用（图1）。
2 论文简介
本文综合考虑国内外多家机构的光学原子钟精度水平，基于我国现有光纤骨干网络，选取北京、青岛、上海、广州和武汉等12个城市和17条光纤链路（图2），开展了相对论重力测量模拟实验；讨论了潮汐作用以及单、双向时频传递方式下的多链路观测对其精度的影响；引入间接平差原理，建立基于相对论重力测量的光纤网间接平差函数模型，可进一步提高测量精度。论文基本结论为：
（1）使用中国科学院精密测量院40Ca+ 光钟和光纤时频传递，通过时长一个月的连续观测（12天左右，测量精度趋于稳定），上千公里的高程传递精度约为8.1 mm，相较其理论精度提高了一个数量级。
（2）在我国范围内，潮汐作用对相对论重力测量的影响较小，大约为10-5 m2·s-2量级，对高程传递的影响在0.01 mm量级。在建立我国毫米级高程基准的需求下，潮汐作用的影响可忽略不计。
（3）当采用单向时频传递方式时，经光纤网间接平差前后，11个站点高程测定的总体精度从21.0 mm提高至9.0 mm。当采用双向时频传递方式时，经光纤网间接平差前，11个站点的高程测定总体精度为11.5 mm，相对于采用单向时频传递方式提高约45%；经光纤网间接平差后精度进一步提升至8.9 mm，与采用单向时频传递方式的精度相当（图3）。
研究结果表明，在我国现有技术水平下，基于相对论重力测量原理，有望实现上千公里的毫米级高程传递；结合光纤网间接平差的方式，有望实现全国毫米级高程基准的建立。该项工作为后续开展实测实验提供了一定参考，为建立与维护我国高精度高程基准提供了新的思路。
图1 相对论重力测量示意图
图2 中国光纤骨干网络分布图
图3 基于（单向时频传递传递）SWTFT和（双向时频传递）TWTFT的光纤网间接平差结果。SWTFT_Res_h0和SWTFT_Res_h1分别表示采用单向时频传递方式，平差前后各站点高程值相对于真值的残差；TWTFT_Res_h0和TWTFT_Res_h1分别表示采用双向时频传递方式，平差前后各站点高程值相对于真值的残差。
该研究成果以《基于我国光纤骨干网络的相对论重力测量模拟》为题发表在2025年第2期《地球物理学报》杂志。中山大学测绘科学与技术学院大地测量与导航团队硕士研究生安树伟为论文第一作者，冯伟教授为通讯作者，钟敏教授、杨萌副教授以及中国科学院精密测量科学与技术创新研究院王长青副研究员、江苏海洋大学海洋技术与测绘学院穆庆禄博士为论文合作作者。该研究得到了国家自然科学基金项目资助(42061134010) 、中山大学中央高校基本科研业务费专项（编号：22lgqb09，23xkjc012）的支持。
3 原文信息
安树伟, 冯伟*, 穆庆禄, 杨萌, 王长青, 钟敏. 2025. 基于我国光纤骨干网络的相对论重力测量模拟. 地球物理学报, 68(2): 431-443, doi: 10.6038/cjg2024R0736
