10-12秒精度激光测距问题的理论研究

随着空间大地测量技术观测精度的提高 ,需要激光测距理论模型适应目前和未来可预见的精度要求 .本文基于激光测距的基本原理 ,给出了太阳系质心参考系 (BRS)和地球质心参考系 (GRS)中的相对论激光测距的理论模型 ,对两种激光测距模型中有关引力时延的量级进行了估计 ,并给出了完整而自洽的时间尺度和时空坐标变换的理论公式 .根据最新的BRS和GRS系之间的时空坐标变换关系 ,在皮秒 (10 - 1 2 s)的精度下 ,推导出了在GRS中适合于所有激光测距问题的相对论模型 ,同时扩展了IERS推荐的激光测距模型的适用范围     

GRACE星体和SuperSTAR加速度计的质心调整精度对地球重力场精度的影响

本文利用改进的能量守恒法开展了GRACE星体和星载加速度计检验质量的不同质心调整精度影响地球重力场精度的模拟研究论证. 结果表明：第一,在120阶处,当质心调整精度设计为0 m,恢复累计大地水准面精度为17.616 cm;当质心调整精度分别设计为5×10^-5 m、1×10^-4 m和5×10^-4 m时,恢复精度各自降低至18.106 cm、19.033 cm和27.329 cm. 第二,以德国GFZ公布的EIGEN-GRACE02S地球重力场模型的实测累计大地水准面精度为标准,当质心调整精度设计为(5～10)×10^-5 m时,其和K波段星间测量系统、GPS接收机、SuperSTAR加速度计、恒星敏感器等GRACE核心载荷的精度指标相匹配,对地球重力场恢复精度的影响较小,因此建议我国将来研制的首颗重力卫星的星体和星载加速度计检验质量的质心调整精度设计为(5～10)×10^-5 m较优.     

卫星激光测距的超近地靶校准技术的研究

介绍一种新的超近距离（小于1m)靶距测量技术。该技术已于1999年5月和1999年7月成功地用于武汉固定卫星激光测距站和“中国地壳运动观测网络”的流动卫星激光测距系统中，校准卫星激光测距系统内各种光路、电路的延时。经这两个系统长期观测，证明此技术运行可靠，效果很好，校准精度优于1cm。     

静电悬浮加速度计在轨质心位置的最小二乘估计

本文使用国内首次搭载飞行的静电悬浮加速度计在轨数据与卫星姿态数据,对加速度计与卫星质心的相对位置进行了估计测量.文中分析得到,在卫星姿态机动时,加速度计的输入加速度主要来自于离心加速度及角加速度引入的线加速度.结合卫星姿态机动时陀螺仪的测量数据,使用最小二乘法对加速度计质心位置的三个分量进行了联合估计.结果表明:质心位置的估计精度达到约6 mm水平,主要受限于卫星平台条件和加速度计测量精度限制.利用本文方法对未来重力卫星任务进行了分析,若使用精度为1×10~(-10)m·s~(-2)加速度计以及2角秒分辨率的星敏感器,可将质心位置估计精度提高至4.6×10~(-6)m水平.     

基于高斯束与高斯波包的Gabor框架散射波模拟方法

在给出真实模型和相应光滑背景模型的情况下,如何计算扰动模型(散射体)产生的散射波场是一个有实际意义的正演问题.在Gabor变换域描述散射体,且入射波场为短时宽带信号时,散射波场可以在频率域用高斯束或时间域用高斯波包描述.相对于波动方程方法,高斯束和高斯波包的计算效率更高;背景模型光滑时,高斯束和高斯波包方法的精度也接近波动方程方法.文中导出了声波假设下应用高斯束和高斯波包计算散射波的方法.测试分析了高斯波包的计算精度.给出了一般散射体的散射波模拟策略.同时针对一个理论模型完成了本文方法计算散射波的实验,实验结果表明高斯波包散射波计算方法是有效可行的.     

瞬变电磁2.5维反演中灵敏度矩阵计算方法(Ⅰ)

一种具体的反演方法要分三个重要的组成部分：1)反演算法;2)正演模拟;3)灵敏度矩阵计算．本文给出了快速计算瞬变电磁2．5维反演问题中灵敏度的简单推导．只需求解两个基本相同的边值问题(原始场和辅助场),然后通过在所针对的模型单元上,对上述两场的相应场量点乘,再进行面积积分,就可得到观测量对模型电导率参数的偏导数．模型上的计算结果和计算精度的分析将在本文的续篇(Ⅱ)中介绍。     

伪三维有限元地震活动模型及其在华北地区的应用

对伪三维地震活动模型做了进一步研究，主要是对无预设破裂方向的单元，引入应力摩尔圆方法来判定破裂发生的时间。该方法首先在一个简单的理论模型上加以应用，给出了一些计算结果，以检验所提方法的可行性。在此基础上，将这个模型应用到华北地区，得到了一些初步计算结果。这些研究结果为将地震活动的理论模型应用到实际地震活动中，提供了一种可能的研究途径。     

基于行星会合指数对太阳轨道运动速度和加速度指数的建立——对太阳自转运动周期性振荡成因机制的探讨

Tlatov(2007)研究表明太阳自转具有准22年振荡周期,并认为是太阳系自引力造成的.根据刘复刚和王建(2013)创建的行星会合指数KP(令KP=K是为了和其他指数的表现形式相统一)和获得的修正系数发现:太阳轨道运动具有平均准22.1826年运动周期,认为太阳轨道角动量和太阳自转角动量的周期性叠加致使太阳自转角速度具有准22.20年周期性变化.基于行星会合指数KP同时标定了太阳质心S相对于一个无法观测到的太阳系质心C位置关系的变化规律,进而通过太阳轨道运动指数KS、速率指数Kv、加速度指数Kα对太阳轨道运动特征进行了系统描述,这使得从行星系统之视角分析、揭示太阳运动和太阳活动成为可能,并对太阳自转运动的准11年和22年周期振荡受控于太阳轨道运动的调控进行了分析,这从探索途径和思想方法上是一种突破.依K_P表达式给出的太阳轨道运动轨迹与Jose(1965)、杨志根等(1988)、Scafetta(2014)、Mc Cracken等(2014)给出的图像不但形态特征相同而且图像的相位也完全一致.行星会合指数KP更重要的作用是标定了行星系统质心距离太阳位置关系的变化.本文从行星系统质心出发,根据行星系统质心P与太阳质心S绕太阳系质心C同步运动这一基本原理来进一步揭示太阳轨道运动规律.由于研究问题的出发点和视角不同,按这一途径可根据8大行星公开的天文数据分析太阳轨道运动规律.这种方法不但把纷繁复杂的行星系统统一起来,呈现出行星系统固有的整体运动规律,而且在整个太阳系中建立了与太阳处于相同子系统地位的行星系统质心.在此基础上,通过行星系统质心P与太阳S间位置关系变化,系统分析了太阳S和太阳系质心C的统一与分野规律.其重要意义是通过行星系质心运动规律发现它与太阳轨道运动特征间的本质联系,这使得从行星系统质心的运动特征对太阳运动与太阳活动关系的探寻成为可能.     

光学和近红外波段的大气群折射率差理论公式

中性大气折射延迟是激光测距技术的主要误差源.本文基于国际大地测量与地球物理联合会（IUGG）1999决议推荐的光学和近红外波段的大气折射率差理论模型,在Mendes（2004）理论的基础上,对某些理论公式进行了重新推导,给出了大气折射率差静力学和非静力学分量的实用表达式.推导出了大气折射率差的级数展开式,并保留至波长的负6次方项;同时在水气引起的折射率差上加上了频率改正项.计算发现,水气项中的频率改正对折射率差的贡献是不可忽略的.本文工作可为空间大地测量,特别是激光测距技术的研究提供一定的参考和依据.     

皮纳微小卫星激光反射器设计及激光测距分析

皮纳卫星是指质量为千克级、以微机电系统技术为基础的小卫星。皮纳卫星能够通过组成星座、编队或卫星群完成单颗大卫星难以实现的任务,被广泛地应用于科研、技术试验、商业遥感等领域。皮纳卫星设计寿命短,在完成在轨服务后就会成为空间碎片,这时要想对皮纳卫星进行精准定位,就必须采用非合作目标的方式进行激光测距。按照目前空间非合作目标的激光探测能力,由于皮纳卫星尺寸小,导致返回的激光信号弱,探测难度大,且随着皮纳卫星发射次数的增多,将严重影响人类的空间科技活动。因此设计出适合于皮纳卫星的激光测距合作目标,使得激光测距技术的高精度特性应用于皮纳卫星的目标监测,这对空间目标高精度测量和提升碎片目标精密监测与预警有着重要的实用价值。本论文紧紧围绕研制出适合于皮纳卫星的微小激光反射器这一目标,立足于低轨皮纳卫星高难度的激光测距实用需求,设计质量轻、分布灵活、满足在轨和成为空间碎片后仍能采用常规的人卫激光测距技术进行观测、且便于标准化配置的微小卫星激光反射器。论文的主要工作内容如下:(1)理论计算并分析了星载激光测距合作目标的速差效应及其补偿方法、有效视场角、有效反射器面积、可观测时间、远场衍射分布、质心误差改正分布等核心技术参数,并以低轨卫星中常用的金字塔结构和八棱台结构激光反射器为例进行分析,为皮纳卫星激光反射器设计提供理论依据。(2)针对轨道高度在250—1 000 km的皮纳卫星,以标准立方体结构皮纳卫星为例,设计了质量不超过150 g、视场角满足360°、测距精度达厘米级、具有足够回波强度、且便于标准化配置的微小激光反射器,并设计了长方体和多面体结构皮纳卫星激光反射器。(3)为我国第一颗大气密度探测实验卫星PN1B设计了星载卫星激光反射器,这是国内首次采用通光口径为1 cm的微小激光反射器阵列,通过TROS1000流动人卫激光测距系统对该卫星进行的激光测距试验,观测期间其回波数最大值达314个/秒,验证了微小激光合作目标能够提供足够的的回波光子数。(4)设计了一种适用于角锥棱镜加工的靠体,在铣磨成型、粗磨及精磨和粗抛工序中直接通过该靠体的翻转实现角锥棱镜的成盘化加工,最后以配重分离器工艺进行精抛。使得角锥棱镜整体工艺方案加工工序减少、生产节奏快、效率高、质量可保证。(5)为确保卫星激光反射器发射成功后在太空环境中能正常工作,以皮纳低轨卫星激光反射器为例,介绍了激光反射器在地面进行的光学性能、力学性能、热学性能及空间辐照性能测试。     

近震震源测定的精确性问题

改进了的联合震源测定法(JHD)可用来研究接近震中区和台站区的地球模型。本文给出了确定台站校正稳定性的程序。校正值可进一步作为评价所采用的理论模型与真实地球接近程度的判据。     

提高自然伽马测井曲线分辨率的正则化方法

应用正则化反演理论研究了提高自然伽马测井曲线纵向分辨率的正则反褶积处理技术，通过正则化因子对噪音和信号影响的分析和研究，给出了估计反褶积结果与地层真值偏差大小的新公式，提出了直接根据信噪比大小选择正则化因子的新方法．由于正则化因子保证使反褶积结果与地层真值偏差为最小，使计算结果的稳定性和精度均得到明显提高．此外，大部分测井记录的信噪比均可以很容易估计，从而大大提高了正则反褶积的适用性．最后通过理论模型实验和井场数据处理证明了正则反褶积技术是十分有效的．     

高孔隙岩石局部变形带的简化模型

用屈服函数和势能函数的偏导数重新定义了岩石的局部化变形带的判定条件,给出了新的局部化变形条件及临界模量.通过对Rudnicki和Rice(1975)为研究剪切带发生条件而建立的本构关系加以改进并放宽限定条件,提出了用四分之一椭圆帽盖模型以及与之相切的圆来简化势能函数,获得了简化模型,并在此简化模型基础上,取得了变形带发生的判定条件以及简化后的临界模量.同时还给出了简化理论模型的结果;通过压缩带和剪切带的产生顺序以及判定条件验证了简化模型的正确性,并与Issen等(2001)的理论模型进行了对比,讨论了简化模型的优越性以及在三轴对称压缩试验中的实用性.     

海浪破碎对海面微波后向散射系数的影响

在海面波破碎区，假定随机粗糙的海面被两层不同散射性质的球形粒子覆盖，上层是由海面飞沫组成的球形Ｒａｙｌｅｉｇｈ粒子层，下层是由气泡组成的球形Ｍｉｅ粒子层，根据大量观测和实验的统计结果，确定了两层散射粒子的平均半径和单位体积的粒子数；并用迭代法求解随机粗糙海面上的两层粒子的矢量辐射传输方程．根据风波破碎时白冠覆盖率和海面飞沫、气泡的统计模型，给出了一个新的风驱海面的微波散射理论模型．利用这一模型定量地给出了海面后向散射系数和风速、视角、极化和白冠覆盖率等特征参量之间的函数关系，并研究了覆盖在波破碎区的散射粒子对海面后向散射系数影响程度．     

缔合勒让德函数的精度评定方法研究

勒让德方程是物理学和其他技术领域常常遇到的一类常微分方程.当试图在球坐标中求解三维拉普拉斯方程(或相关的其他偏微分方程)时,问题便会归结为勒让德方程的求解,解的形式是一系列勒让德多项式(函数).完全规格化缔合勒让德函数(fnALFs)的数值计算和精度评定,是地球重力场以及相关领域中的重要研究课题之一.本文利用缔合勒让德函数(ALFs)的三角函数级数展开式,研究了其定积分性质.基于球函数加法定理,给出了fnALFs定积分和fnALFs导数数值的精度评定公式.另外,利用连续函数在特定区间上的平均值概念,给出了计算fnALFs数值的精度评定方法.最后,利用引力场模型,给出了各种精度评定方法中相对误差数值确定的理论依据.     

平均热点参考基准的建立和岩石圈西向漂移的研究

对于大地测量应用来说,目前IERS机构在定义地球参考系时推荐采用岩石圈无整体旋转(No-Net-Rotation-NNR)约束条件,然而对于地球物理应用来说,相对于NNR参考基准的绝对板块运动数据可能会对地幔对流等研究结果产生误导.考虑到热点的运动,提出建立平均热点(MHS-Medial HotSpot)参考基准的方法,给出建立该基准的约束准则,分别以地学模型NNR-NUVEL1A和实测模型ITRF2005VEL为基础,建立了平均热点参考基准MHS-NUVEL1A和MHS-ITRF2005,并与其它基于热点的绝对板块运动模型进行了比较和分析;讨论了岩石圈的西向漂移,给出了岩石圈相对于下地幔整体旋转的更精确的定量估计,即基于实测的热点参考架MHS-ITRF2005和地学模型NNR-NUVEL1A之间的整体旋转为0.26°/Ma,旋转极在(50°S, 62°E),这与由板块的受力模型给出的岩石圈的整体旋转的旋转极很接近,旋转速率大致快了10%.     

大气加权平均温度对GNSS PWV精度的影响分析

大气加权平均温度T_m是GNSS探测大气可降水量PWV(Precipitable Water Vapor)的关键参数．目前，加权平均温度模型主要包括线性模型和非线性模型．本文基于2011—2015年期间的编号54511北京探空测站的有效探测资料，建立T_m与T_s的线性和非线性(一阶傅里叶函数、一元二次函数)关系；利用2016年探空站实测资料对所建模型及常用模型进行对比分析，从RMSE、Bias及波动范围评价参数发现T_m＿G模型精度高于常用模型，而再分析资料ERA-Interim建立的加权平温度T_m＿ERA模型和新非线性T_m模型精度相差甚小，且误差概率分布趋近于正态分布；因此，新建模型能有效避免了通用Bevis全球模型在特定区域导致的区域性精度偏差问题，尤其在探空站缺乏的区域，可以采用ERA-Interim产品建立T_m模型．通过对不同T_m模型获取IGS站BJFS的PWV结果与相应时间54511探空站的实测PWV数据进行...     

龙门山断裂带地壳速度结构和震源位置的精确修定

结合使用人工地震折射测线和天然地震观测资料，给出了龙门山断裂带P波和S波的地壳平均速度模型．以此模型为基础，修定了沿龙门山断裂带分布的202个地震，给出了震源位置误差小于1.5 km的精确解．以到时曲线为准，将修定后的震源参数与四川台网常规定位的震源参数进行了比较，到时数据相对于时距曲线极小的分散，证明定位后的震源位置的精度得到了相当的改善．所获得的震源分布表明，地震活动主要发生在沿龙门山主中央断裂．绝大多数地震分布在3～22 km深度范围的上地壳中．结果证明，本文所提供的速度模型和采用的定位方法是适合龙门山断裂带地震定位使用的；配合日本东北大学提供的实时处理系统，对提高四川台网的定位精度是十分有效的．      

基于空间大地测量与地球物理方法的地心运动研究与监测进展

随着空间大地测量精度的提高与需求的发展,地心运动的研究与监测日益重要,它是精确实现地球质心参考框架的关键之一.本文详解了地心运动的原因(地球系统中的质量迁移)及对空间大地测量与地球物理学的影响,总结了常用的四种地心运动监测方法(网移动法,运动学法,动力学法和一阶形变法)及部分成果和应用,讨论了各方法和SLR,DIRIS,GPS和VLBI四种空间大地测量技术在地心运动监测中的特点,并给出了一些削减误差的建议.为满足地球动态环境研究的需要,地心运动监测的精度与可靠性仍需进一步提高,这依赖于观测精度的提高,地球物理模型的完善和数据处理方法的发展.     

矩形容器中流体晃动等效模型的建议公式

根据矩形容器中流体晃动等效模型的精确解,采用非线性拟合算法,给出了等效模型中脉冲质量及其位置的拟合公式,本文给出的拟合公式比精确解简单、且计算精度远高于Housner公式,可以作为精确解良好的替代公式。建议采用本文公式(3)～(8)作为矩形容器内流体晃动等效模型的计算表达式。