垂线偏差

垂线偏差（英语：Vertical deflection）指地球表面上某一点处垂线方向和法线方向的差异，也即重力异常矢量的方向。垂线偏差可以表示为当地天文坐标与地理坐标之间的差异，其中前者在水准面上通过重力测量的方式确定，而后者是天文坐标投影到椭球面上的位置。对垂线偏差的数学描述通常以法线为基准。

蓝色直线为过交点的垂线方向，红色直线为过交点的法线方向，两者间的差异即为垂线偏差

数学表达

设 $\mathbf {P}$ 为大地水准面上一点，其所处的垂线方向为 $\mathbf {n}$，通过重力测量方式测得的天文坐标为 $\left(\Phi ,\Lambda \right)$ 。将其沿参考椭球面的法线 $\mathbf {n'}$ 投影至椭球面上的点 $\mathbf {Q}$，得到其地理坐标为 $\left(\varphi ,\lambda \right)$ 。在实际测量过程中，常以其在南北方向（即子午圈方向）上的投影 $\xi$ 和其在东西方向（即卯酉圈方向）上的投影 $\eta$ 描述：

${\begin{cases}\xi =\Phi -\varphi \\\eta =(\Lambda -\lambda )\cos {\varphi }\end{cases}}$

与重力异常和重力扰动的关系

设 $\mathbf {P}$ 点处测量得到的真实重力矢量为 ${\vec {\mathbf {g} }}_{P}$，而 $\mathbf {Q}$ 点处计算得到的正常重力矢量为 ${\vec {\mathbf {\gamma } }}_{Q}$，则 $\mathbf {P}$ 点处的重力异常矢量为：

$\Delta {\vec {\mathbf {g} }}={\vec {\mathbf {g} }}_{P}-{\vec {\mathbf {\gamma } }}_{Q}$

又设 $\mathbf {P}$ 点处测量得到的正常重力矢量为 ${\vec {\mathbf {\gamma } }}_{P}$，则 $\mathbf {P}$ 点处的重力扰动矢量为：

$\delta {\vec {\mathbf {g} }}={\vec {\mathbf {g} }}_{P}-{\vec {\mathbf {\gamma } }}_{P}$

重力异常矢量和重力扰动矢量的方向同为垂线偏差的方向，因为 $\mathbf {P}$、$\mathbf {Q}$ 两点的正常重力方向在同一条直线上。

与大地水准面高的关系

大地水准面高即为两点间的距离 $PQ$ ，垂线偏差亦可表示为大地水准面高的泛函。以一过垂线的垂直面截取点 $\mathbf {P}$，垂线偏差在此平面内的分量 $\varepsilon$ 与大地水准面高 $N$ 和大地水准面上的弧微分 $\operatorname {d} \!s$ 存在如下几何关系：

$\tan \varepsilon =-\operatorname {d} \!N/\operatorname {d} \!s$

习惯上取沿法线向下的方向为正，因此上式中的 $-\operatorname {d} \!N$ 为负值。又因垂线偏差的分量 $\varepsilon$ 是微小量，即 $\varepsilon \rightarrow 0$ ，因此上式也可写成：

$\varepsilon =-\operatorname {d} \!N/\operatorname {d} \!s\quad ({\displaystyle \varepsilon \rightarrow 0})$

再以地球平均半径 $R$ 替代点 $\mathbf {P}$ 在各法截面上的曲率半径，得到大地水准面上弧微分的近似计算公式为

${\operatorname {d} \!s}^{2}=R^{2}{\operatorname {d} \!\varphi }^{2}+R^{2}{\cos }^{2}{\varphi }^{2}{\operatorname {d} \!\lambda }^{2}$

分别取垂直面分别与子午圈平行（即 $\operatorname {d} \!\lambda =0$）和与卯酉圈平行（即 $\operatorname {d} \!\varphi =0$），得到垂线偏差的两个分量与大地水准面高的关系为：

${\begin{cases}\xi =-{\frac {1}{R}}{\partial N \over \partial \varphi }\\\eta =-{\frac {1}{R\cos \varphi }}{\partial N \over \partial \lambda }\end{cases}}$

参见

• 法线
• 铅垂线
• 参考椭球面
• 大地水准面
• 重力异常
• 重力扰动