各向异性局部重力场计算的谱方法

本所采用的基于输入－输出系统论的谱方法在计算结果的精度上与最小二乘配置方法相当,却很容易用于异性场的计算,用该谱方法对卫星测高及海洋重力资料进行组合求解重力场量（大地水准面差距和重力异常）其误差估计结果表明各向异性的计算精度优于各向同性场的粗度。     

基于重力场模型的平均扰动场元的严密计算方法

卫星重力技术的进步为建立高精度的全球重力场模型提供了可能，该技术包括卫星测高、卫星重力梯度和卫星跟踪卫星等。而在建立扰动场模型的过程中一般要采用移去—恢复技术，该技术的核心是从已知的重力数据中减去根据参考重力场模型计算的扰动场元，并在最后的成果中加入移去部分对应的扰动场元。但在移去、恢复的过程中往往利用扰动场元在格网中心点的值乘以菜平滑因子代替扰动场元在该格网上的平均值，不可避免地引入了系统误差。从勒让德微分方程和勒让德函数的定义出发，详细研究了利用重力场模型计算扰动场元在格网上的平均值的方法，该方法在利用卫星测高资料反演海域重力异常中的应用表明，重力异常的精度得到了进一步提高。     

基于转换异常场的GPS坐标转换技术

针对目前GPS坐标转换中存在的问题,结合测量作业的实际,借鉴重力测量中异常场的思想,提出基于转换异常场的GPS坐标转换技术,通过一组实测数据计算分析,可以发现转换参数精度以及公共点的图形结构强弱对最终的转换结果影响不大,而且还具备粗差探测能力.     

基于改进高斯-牛顿法的位场向下延拓

本文针对位场向下延拓的不适定问题,在分析最优化算法中高斯-牛顿法基本原理及滤波函数滤波特性的基础之上,提出基于正则参数指数递增计算方法和残差最小步长准则的改进高斯-牛顿法。基于理论重力模型和航磁实测数据的对比实验表明,改进后得到的自适应迭代法具有相对较高的位场向下延拓精度和很好的收敛性。     

利用改进FLIC算法进行重力矢量场可视化

针对固定滤波长度公式得到的LIC图像显示效果不理想的缺点,利用纹理流线上所有点亮度值的统计方差来衡量可视化精度,提出了一种滤波长度随矢量变化的改进FLIC算法。用颜色信息表示重力异常大小或者真实垂线偏差大小,纹理方向表示重力方向,基于改进FLIC算法实现了重力矢量场的可视化,结果表明,重力矢量场的可视化具有表达多维信息和矢量方向细节、图形直观易读等优势。     

用GPS水准的重力异常样条逼近求解正常高的试验

利用ＧＰＳ测得的高精度大地高差求定正常高高差，是ＧＰＳ定位中的重要问题，也是国内外十分关注的问题，本文利用湛江地区实测ＧＰＳ水准资料，用最新ＤＱＭ９４Ａ地球重力场模型计算重力异常，作了用ＧＰＳ水准的重力异常样条逼的求解正常高的尝度。计算结果表明，精度优于一般常用的曲面拟合方法。     

基于高斯样条函数的局部重力异常场解析重构

重力匹配辅助导航理论大都建立在离散场的基础上的,为了研究基于连续场重力匹配算法以克服传统匹配算法的局限,必须建立精度高且具有良好解析性质的局部重力异常场解析模型。利用斐波那契数列寻优方法对一维高斯样条函数插值进行最优化,在此基础上提出了基于斐波那契数列寻优的二维高斯样条函数逼近局部重力异常场方法。为了提高寻优算法运算速度,将二维准则函数解耦为X方向和Y方向两个独立的一维准则函数,分别采用斐波那契数列寻优方法对这两个准则函数进行寻优以获取X方向和Y方向最优参数,最终得到高精度逼近局部离散格网数据的局部重力异常场连续解析模型。仿真实验中采用五组不同的参数对变化范围为-51.185mGal~86.1819mGal的重力异常场进行逼近。从最后的仿真实验结果可以看出采用最优参数时逼近绝对误差均值达到0.00069,相对误差均值更达到10-6级,能较好的满足了匹配导航要求,其逼近精度较采用其它非最优参数时均有较大提高,由此验证了文中提出的重构算法有效性。     

不同扰动位泛函间的积分变换广义核函数

基于物理大地测量边值问题的解,利用一阶边界算子定义,推导重力异常Δg、单层密度μ、大地水准面高N,垂线偏差ε、扰动重力δg等扰动场元的解。利用球谐函数的正交特性,通过对核函数的算子运算,可以得到上述扰动场元的有关逆变换公式。相对经典物理大地测量公式应用的边界面条件,笔者将含有因子r的对应扰动场元反演关系的公式称为广义积分公式。针对常用的重力异常Δg、大地水准面高N,垂线偏差ε、扰动重力δg计算,重点分析它们之间的变换关系,给出利用某个选定扰动场元计算其他扰动场元的广义积分公式。同时,通过对积分边界面的讨论,分析经典公式与广义积分公式的差异和联系。最后,给出所有外部扰动场元与核函数映射的关系表。     

块对角最小二乘方法在确定全球重力场模型中的应用

分析研究了最小二乘求解重力场模型的六种位系数排列方式下的块对角形态及三种不同条件下的块对角近似：BD-1、BD-2、BD-3,探讨了块对角最小二乘方法在联合早期卫星重力场模型和最新GRACE-only模型中的应用,通过实验计算,结果表明,块对角最小二乘方法较之于积分方法,能更好的提高所恢复模型的精度,说明在卫星重力飞速发展、地面重力数据不断完善的今天,块对角最小二乘法在超高阶地球重力场模型构建方面的优势逐渐突出。     

重力场模型研究进展及最新重力位模型精度比较分析

全球重力场模型在卫星精密定位、大地水准面精化、重力法探矿、气候变化研究、地球物理学、地质学和海洋学等诸多领域都有非常重要的意义。据此,总结了全球重力场模型的研究进展,简要介绍了重力位模型计算扰动场元的方法与公式,对比了勒让德函数递推几种方法的效率。利用我国范围内实测的GPS/水准数据和垂线偏差数据对两个超高阶地球重力场模型EGM2008和EIGEN-6C2进行精度对比和分析,结果表明,EIGEN-6C2模型垂线偏差子午分量计算精度约为2.07″,卯酉分量计算精度约为2.13″,高程异常计算精度约为0.305m(含系统差),均优于EGM2008模型的计算精度。故在我国范围内,推荐使用EIGEN-6C2模型进行似大地水准面精化以及各类扰动重力场元计算。     

各向异性组合滤波法反演陆地水储量变化

地球时变重力场模型反演陆地水储量变化已为全球气候变化研究作出巨大贡献,考虑到时变重力场模型球谐系数中存在相关性,其高阶次项具有较大的误差,需采用最优的滤波方法进行空间平滑。本文提出一种新的各向异性组合滤波方法,其基本思想是将改进的高斯滤波法与均方根(root mean square,RMS)滤波法组合,即对球谐系数的低阶次采用改进的高斯滤波法,而高阶次采用RMS滤波法。首先分析了最新的GRACE RL05系列时变重力场模型系数误差特性,基于全球水储量变化反演结果,分析比较了高斯滤波、改进的高斯滤波、RMS滤波和DDK滤波与本文提出的组合滤波法的有效性及精度,并利用模型结果进行了验证,计算结果表明,组合滤波法的中误差最小。研究结果表明,本文提出的组合法相比于先前的滤波方法,可有效地过滤高阶次的噪声,消除南北条带误差,同时减少信号泄漏,提高信噪比,保留更多有效的地球物理信号,进而提高反演精度。     

联合高低卫-卫跟踪和卫星重力梯度数据恢复地球重力场的谱组合法

GOCE采用的高低卫-卫跟踪和卫星重力梯度测量技术在恢复重力场方面各有所长并互为补充,如何有效利用这两类观测数据最优确定地球重力场是GOCE重力场反演的关键问题。本文研究了联合高低卫-卫跟踪和卫星重力梯度数据恢复地球重力场的最小二乘谱组合法,基于球谐分析方法推导并建立了卫星轨道面扰动位T和径向重力梯度Tzz、以及扰动位T和重力梯度分量组合{Tzz-Txx-Tyy}的谱组合计算模型与误差估计公式。数值模拟结果表明,谱组合计算模型可以有效顾及各类数据的精度和频谱特性进行最优联合求解。采用61天GOCE实测数据反演的两个180阶次地球重力场模型WHU_GOCE_SC01S（扰动位和径向重力梯度数据求解）和WHU_GOCE_SC02S（扰动位和重力梯度分量组合数据求解）,结果显示后者精度优于前者,并且它们的整体精度优于GOCE时域解,而与GOCE空域解的精度接近,验证了谱组合法的可行性与有效性。     

Calibrating the GOCE accelerations with star sensor data and a global gravity field model

A reliable and accurate gradiometer calibration is essential for the scientific return of the gravity field and steady-state ocean circulation explorer (GOCE) mission. This paper describes a new method for external calibration of the GOCE gradiometer accelerations. A global gravity field model in combination with star sensor quaternions is used to compute reference differential accelerations, which may be used to estimate various combinations of gradiometer scale factors, internal gradiometer misalignments and misalignments between star sensor and gradiometer. In many aspects, the new method is complementary to the GOCE in-flight calibration. In contrast to the in-flight calibration, which requires a satellite-shaking phase, the new method uses data from the nominal measurement phases. The results of a simulation study show that gradiometer scale factors can be estimated on a weekly basis with accuracies better than 2 × 10⁻³ for the ultrasensitive and 10⁻² for the less sensitive axes, which is compatible with the requirements of the gravity gradient error. Based on a 58-day data set, scale factors are found that can reduce the errors of the in-flight-calibrated measurements. The elements of the complete inverse calibration matrix, representing both the internal gradiometer misalignments and scale factors, can be estimated with accuracies in general better than 10⁻³.     

Marine gravity and geoid determination by optimal combination of satellite altimetry and shipborne gravimetry data

. Satellite altimetry derived geoid heights and marine gravity anomalies can be combined to determine a detailed gravity field over the oceans using the least-squares collocation method and spectral combination techniques. Least-squares collocation, least-squares adjustment in the frequency domain and input-output system theory are employed to determine the gravity field (both geoid and anomalies) and its errors. This paper intercompares these three techniques using simulated data. Simulation studies show that best results are obtained by the input-output system theory among the three prediction methods. The least-squares collocation method gives results which are very close to but a little bit worse than those obtained using input-output system theory. This slightly poorer performance of the least-squares collocation method can be explained by the fact that it uses isotropic structured covariance (thus approximate signal PSD information) while the system theory method uses detailed signal PSD information. The method of least-squares adjustment in the frequency domain gives the poorest results among these three methods because it uses less information than the other two methods (it ignores the signal PSDs). The computations also show that the least-squares collocation and input-output system theory methods are not as sensitive to noise levels as the least-squares adjustment in the frequency domain method is. Received 19 January 1996; Accepted 17 July 1996     

卫星重力梯度数据确定地球重力场的Slepian局部谱分析方法

在引入Slepian局部谱分析方法的基础上,详细分析Slepian函数的数学特性,采用Grünbaum算子提高Slepian方法求解的稳定性和效率,推导卫星重力梯度数据确定地球重力场的Slepian方法表达式。通过仿真分析,就Slepian方法在卫星重力梯度数据确定地球重力位模型中的应用和前景进行分析和讨论。研究表明,Slepian函数在整个球面和球带上具有双正交性,其频谱能量分布特性与卫星轨道的测量特点具有很好的一致性。Slepian低次项系数精度受到极空白影响很小,较之球谐系数低次项明显改善。Slepian方法对大地水准面空间分布恢复精度的直接贡献不明显。     

重力场模型对Swarm卫星精密定轨的影响分析

采用星载GPS观测数据与简化动力学定轨方法,在方程中引入伪随机脉冲参数,从而实现对Swarm卫星的精密定轨. 详细分析了不同阶次的GOCO06s地球重力场模型对Swarm卫星简化动力学定轨精度的影响,对比了PGM2000a、EIGEN-2、EGM2008以及GECO重力场模型展开到100阶次时Swarm卫星解算的轨道精度. 结果表明:当GOCO06s地球重力场模型阶次处于30～100阶次时,Swarm-A、Swarm-B和Swarm-C卫星在径向、切向、法向上的定轨精度随着GOCO06s阶次的不断增加而越来越高,而在高于100阶次时,定轨精度基本稳定,且在各方向定轨精度优于3 cm. 此外,采用100阶次GECO、EGM2008和GOCO06s模型对三颗Swarm卫星进行定轨,解算的轨道精度相当,且要高于同阶次其他重力场模型的定轨结果.      

使用能量守恒方法恢复CHAMP地球重力场

本文探讨了基于能量守恒方法利用CHAMP卫星精密星历和加速度数据恢复地球重力场模型的原理和方法。给出了地心惯性系下顾及地球自转和非保守力能量损耗的能量守恒方程,并且对日、月摄动位与引潮力附加位的计算方法作了相应的分析,同时介绍了加速度数据的处理方法。基于能量守恒方法,利用2002年1-2月、7-8月和11-12月三个不同时期共180天的CHAMP卫星精密星历和加速度数据恢复了三组50阶次的地球重力场模型GFM01、GFM02和GFM03,并将这些模型与EGM 96重力场模型和GFZ公布的EIGEN-CG01C重力场模型进行比较。结果表明:能量守恒方法恢复的GFM系列模型与EGM 96重力场模型及EIGEN-CG01C重力场模型在低阶位系数上均有较好的一致,但与EIGEN-CG01C模型有更好的一致。这说明了CHAMP卫星对地球中、长波重力场的敏感性,也说明了能量守恒方法恢复低阶地球重力场位系数的有效性。     

利用最小二乘直接法反演卫星重力场模型的MPI并行算法

针对海量卫星重力数据反演高阶次地球重力场模型的密集型计算任务与高内存耗用问题,基于MPI实现了最小二乘直接法恢复高阶次位系数的并行算法。引入并行读写、分块存储与分块计算等方式完成了设计矩阵的构建、法方程的形成与求解等密集型计算任务的并行算法,数值计算结果表明三者的并行相对效率峰值可分别达到95%、68%、63%。利用GOCE轨道跟踪和径向扰动重力梯度数据(共518 400个历元)分别反演了120、240阶次地球重力场模型,计算时间仅为40 min、7 h,内存耗用峰值仅为290 MB、1.57 GB;采用与GOCE同等噪声水平的观测数据恢复的重力场模型精度与GOCE已发布模型的解算精度相一致,联合GRACE和GOCE的解算模型能够实现二者独立信息的频谱互补,表明本文方法可高效稳定地恢复高阶次地球重力场模型。     

重力异常阶方差模型的构建及在扰动场元频谱特征计算中的应用

利用最新的全球引力位模型-EGM2008对经典的重力异常阶方差模型进行了分析比较,分析表明,经典的阶方差模型由于限于当时的观测条件,已经不能准确地描述扰动场元在各个频段的频谱分布。在Moritz阶方差模型基础上,利用EGM2008位模型获得的2160阶阶方差重新构建了新的分段重力异常阶方差模型-TSD模型,该模型与EGM2008位模型计算的阶方差比较其标准差和均值分别为0.25mgal2 、0.0 。利用TSD模型计算了不同频段内大地水准面高、重力异常、扰动重力、垂线偏差四个重力场扰动场元的频谱特征,计算结果表明：扰动场元频谱分布较之传统分析结果有较大的变化,其中重力异常、扰动重力及垂线偏差在中、低频部分的能量有明显的增加而高频及甚高频部分的比重有明显的减少。     

GOCE地球重力场模型在青藏地区的评价及分析

2009年GOCE卫星升空以后,卫星重力梯度数据参与解算的GOCE系列重力场模型已有多家研究机构相继公布。本文分别采用青藏地区的GPS/水准和重力异常实测数据对GOCE重力场模型进行了外部测试,并在重力异常验证过程中引入了一种新的滤波方法,验证结果表明在青藏地区GOCE重力场模型相比其它系列模型的优势在于中波段。同时,探讨了GOCE重力场模型与其他系列模型在青藏地区主要差异值的空间分布以及首次利用统计分析方法找出模型之间主要差异值的阶次分布,得出如下结论：模型之间的较大差异值在空间水平方向上主要分布在喜马拉雅山脉、天山等地形起伏较大的区域,在垂直方向上主要集中在岩石圈。