月球扰动引力频谱特性及在恢复月球重力场的应用

利用谱分析方法，通过对月球外空间扰动引力频谱特性的分析研究，估计了其谱分量信息随高度的衰减特点及在不同频段的谱敏感度，得到了敏感各频段位系数与所需探测器轨道高度的关系，同时为联合不同数据求解月球重力场模型在改进解算方法和跟踪数据定权上提供了参考依据。     

不同Legendre函数递推公式对计算球谐函数定积分的影响

针对球谐函数定积分计算中Legendre函数递推问题展开研究,分析了标准向前列推法、Belikov法、跨阶次法、X数法以及顾及麦克劳林级数展开式对球谐函数定积分计算的影响。利用Eigen6c-4地球重力场模型计算扰动引力梯度径向分量,分析不同方法之间的差异。实验表明,不考虑麦克劳林级数展开式时4种方法的相对精度在高纬度地区较差,但计算模型扰动引力径向分量的精度一致,结合麦克劳林级数式可提高高纬度地区定积分计算的相对精度,但会降低中低纬度地区定积分计算的精度,并且对高纬度地区扰动引力径向分量的影响极小,但会严重降低低纬度地区扰动引力梯度计算的精度。     

关于重力场元计算中积分元及积分域的确定问题

高程异常、垂线偏差及空中扰动引力矢量是大地测量和空间技术最常用的一组重力场参数。本文在分析了以上三种参数的计算误差源以后,详细论证了计算这些参数对积分面积元的不同要求。在此基础上,本文通过频谱分析方法,进一步论证了重力场元计算对各类平均重力异常覆盖范围的不同要求,并分别使用RAPP81模型和OSU91模型进行了必要的验证。     

利用卫星测高垂线偏差计算其他重力场元的特性分析

利用卫星测高技术确定海洋重力场,垂线偏差数据作为导出观测量在实际工作中被普遍采用。利用物理大地测量边值问题的定义以及扰动位在球面边界条件下的解,给出了由垂线偏差计算大地水准面高、重力异常和扰动重力的公式。分析了不同积分计算公式在重力场阶谱表达形式下对垂线偏差误差的抑制作用,也分析了不同积分核函数的变化特性,得出基本结论:在利用卫星测高数据求解海洋重力场时,当以格网化海面垂线偏差数据计算重力场参数时,求解的大地水准面高的有效性和稳定性优于重力异常和扰动重力。     

利用地球重力场扰动位系数计算网格剩余垂线偏差

介绍一种根据重力场扰动位系数计算网络剩余垂线偏差的方法，导出了一组完全正规化连带勒让德函数积分的实用公式，经卫星测高数据处理的实际应用，证明这种方法是有效的。     

重力异常延拓计算积分半径的选择及远区效应

基于球谐展开和两分量模型,推导了基于Poisson积分方程的重力异常延拓的远区效应截断误差的函数表达;研究了近区半径、移去重力场阶次、延拓高度与远区效应截断误差之间的相互关系.数值分析表明,当延拓高度为1 000m时,移去360阶的重力场模型,积分半径大于0.5°能保证远区效应截断误差可以忽略;当移去2160阶的重力场...     

中尺度地形扰动的非线性问题半解析解

将大气和海洋中f-平面上中尺度地形的扰动问题统一起来作为一个地球物理流体力学问题，应用涡度、能量和经圈动量守恒条件，将原来高度非线性方程变成一个二阶椭园型非线性方程，用数值模拟方法分析了大气中的过山运动和海洋中的沿岸上升流，给出了与观测接近的模拟结果以及运动过程对内部物理参数和外界条件的敏感性分析。所提方法可供进一步的动力学分析和数值研究参考。     

南沙群岛及其邻区低频和中频重力场的分离

建立了一个分离中、低频重力场的数学模型。根据南沙群岛地质构造的特征，选择4条具有代表性的重力测线N2，N9，N10和N11的自由空间重力异常，进行福里哀频谱值的计算并研究振幅谱值的分布规律，确定61.44km为4条重力测线的低频和中频重力场的临界值；设计分开低频和中频重力场的分离因子，分离出4条重力剖面的低频和中频重力异常；进而分析其低频和中频重力异常的特征。结果表明：N2和N11频谱值的分布带窄，低频重力场显著，中频重力场不显著；N9和N10的频谱值分布带宽，中频和低频重力场均显著。分析了它们和地质构造的关系。曾母盆地、南华盆地和南薇盆地的低频重力异常和沉积厚度成反关系，其余地区成正关系。     

扰动重力补偿惯性导航系统误差分析

重力扰动是高精度惯导系统的主要误差。 讨论了减小扰动重力场对惯性导航系统影响的方法,以分辨率为 1''×1''的某区域垂线偏差数据为背景场,对采用实时补偿扰动重力数据的情况进行仿真。 建立梯度仪补偿惯导系统的扰动重力模型,与无重力梯度仪辅助惯导的误差进行数值比较,讨论同一重力异常背景场扰动重力对惯导系统影响,最后建立基于重力梯度仪的 Kalman 滤波方程,结合惯导系统对引入梯度仪补偿扰动重力的情况进行估计,结果表明可以很好的抑制扰动重力引起的速度误差。     

重力场上延计算及频谱分析技术在Matlab中的应用

重力场向上延拓是处理重力场数据的一种重要手段.以青藏高原及邻区的布格重力异常数据为研究对象,以重力场等问距近似计算为理论基础,在Matlab编程环境下实现对青藏高原地区的布格重力异常数据的向上延拓处理.得到上延高度1、10、15 km的重力场数据,并将数据生成等值线图,同时运用快速Fourier变换在matlab编程环...     

利用EGM2008模型快速构建扰动重力梯度基准图

重力梯度张量是重力位二阶导,相比重力异常能够更好反映局部区域的细节特征。因此重力梯度导航理论上能为惯性导航提供更好的辅助。重力梯度导航的关键技术之一是背景基准图的构建,推导了扰动重力梯度张量与扰动位在局部指北坐标系中的关系式,并基于EGM2008地球重力场模型构建了一块范围的海域扰动重力梯度张量基准图。为了快速构建基准图,选取了合适的勒让德函数,并将每一个梯度张量的计算式改变求和顺序来提高同一纬度圈上的计算点的计算速度。最后利用梯度张量对角线上三元素满足拉普拉斯约束条件的原理验证了所得基准图的正确性。     

重力梯度张量计算重力场元

根据体谐函数一阶、二阶水平导数（广义球函数）也是球面正交函数系的性质,详细推导了水平重力梯度边值问题的级数解.根据扰动位与重力场元的微分关系,导出了由水平重力梯度计算重力异常、垂线偏差的公式.完善了全张量重力梯度的有关应用.     

Tikhonov正则化法在重力场最小二乘配置逼近理论中的应用

最小二乘配置法由于其能融合不同种类重力观测数据进行局部重力场逼近的特性而受到广泛关注,但最小二乘配置结果的不稳定严重影响该方法的推广应用。 基于对重力观测量协方差矩阵的谱分解,分析出该协方差矩阵存在病态性,协方差矩阵的求逆过程是信号放大的非平稳过程,微小的观测误差会被协方差矩阵的小奇异值放大,从而导致配置结果的不稳定且精度偏低。 引入 Tikhonov 正则化算法,通过 L 曲线法选择正则化参数,利用正则化参数修正重力观测量协方差矩阵的小奇异值,能抑制其对观测误差的放大影响。 通过以 EGM2008 重力场模型分别计算的山区、丘陵和海域重力异常作为基础数据确定相应区域大地水准面的实验,验证了本文算法的有效性。     

局部重力场球冠谐分析中的导数计算及应用

在建立局部地区的地球重力场模型中,球冠谐分析是一种有效的方法。在球冠坐标系下建立重力场模型时,仅涉及到重力位的垂向分量,不必进行关于极角的微分运算,所以仅用单个正交基来建模,但若要在球冠坐标系下对重力场作进一步分析,如类似于平面处理的导数运算,来突出地质体的边界,要计算极角的微分,利用单个正交基表示则不易收敛,且误差较大。本文中作者采用两个正交基函数在球冠坐标系下对重力场建模,推导计算了径向导数和曲面导数模,并利用棱柱体正演模型进行检验,结果表明双基函数建模更适合曲面上的位场表示。最后计算了冲绳海槽地区卫星测高重力异常数据的曲面导数,径向导数清晰划分了东海陆架上大构造单元,曲面导数梯度带显示了东海陆架外缘隆起带,也指示了陆架盆地内的一些局部构造。这表明双基函数的球冠谐分析是一种有效的曲面位场建模方法。     

Comparison of Satellite Altimetric Gravity and Global Geopotential Models with Shipborne Gravity in the Red Sea

The determination of high-resolution geoid for marine regions requires the integration of gravity data provided by different sources, e.g. global geopotential models, satellite altimetry, and shipborne gravimetric observations. Shipborne gravity data, acquired over a long time, comprises the short-wavelengths gravitation signal. This paper aims to produce a consistent gravity field over the Red Sea region to be used for geoid modelling. Both, the leave-one-out cross-validation and Kriging prediction techniques were chosen to ensure that the observed shipborne gravity data are consistent as well as free of gross-errors. A confidence level equivalent to 95.4% was decided to filter the observed shipborne data, while the cross-validation algorithm was repeatedly applied until the standard deviation of the residuals between the observed and estimated values are less than 1.5 mGal, which led to the elimination of about 17.7% of the shipborne gravity dataset. A comparison between the shipborne gravity data with DTU13 and SSv23.1 satellite altimetry-derived gravity models is done and reported. The corresponding results revealed that altimetry models almost have identical data content when compared one another, where the DTU13 gave better results with a mean and standard deviation of ?2.40 and 8.71 mGal, respectively. A statistical comparison has been made between different global geopotential models (GGMs) and shipborne gravity data. The Spectral Enhancement Method was applied to overcome the existing spectral gap between the GGMs and shipborne gravity data. EGM2008 manifested the best results with differences characterised with a mean of 1.35 mGal and a standard deviation of 11.11 mGal. Finally, the least-squares collocation (LSC) was implemented to combine the shipborne gravity data with DTU13 in order to create a unique and consistent gravity field over the Red Sea with no data voids. The combined data were independently tested using a total number of 95 randomly chosen shipborne gravity stations. The comparison between the extracted shipborne gravity data and DTU13 altimetry anomalies before and after applying the LSC revealed that a significant improvement is procurable from the combined dataset, in which the mean and standard deviation of the differences dropped from ?3.60 and 9.31 mGal to ?0.39 and 2.04 mGal, respectively.     

Combined satellite altimetry and shipborne gravimetry data processing

The recovery of quantities related to the gravity field (i.e., geoid heights and gravity anomalies) is carried out in a test area of the central Mediterranean Sea using 5' × 5' marine gravity data and satellite altimeter data from the Geodetic Mission (GM) of ERS‐J. The optimal combination of the two heterogeneous data sources is performed using (1) the space‐domain least‐squares collocation (LSC) method, and (2) the frequency‐domain input‐output system theory (IOST). The results derived by these methods agree at the level of 2 cm in terms of standard deviation in the case of the geoid height prediction. The gravity anomaly prediction results by the same methods vary between 2.18 and 2.54 mGal in terms of standard deviation. In all cases, the spectral techniques have a much higher computational efficiency than the collocation procedure. In order to investigate the importance of satellite altimetry for gravity field modeling, a pure gravimetric geoid solution, carried out in a previous study for our lest area by the fast collocation approach (FCOL), is used in comparison with the combined geoid models. The combined solutions give more accurate results, at the level of about 15 cm in terms of standard deviation, than the gravimetric geoid solution, when the geoid heights derived by each method are compared with TOPEX altimeter sea surface heights (SSHs). Moreover, nonisotropic power spectral density functions (PSDs) can be easily used by IOST, while LSC requires isotropic covariance functions. The results show that higher prediction accuracies are always obtained when using a priori nonisotropic information instead of isotropic information.     

利用空中球面边值问题确定似大地水准面

针对航空重力向下延拓计算过程中的不稳定性,提出了扰动位空中球面边值问题,以航空重力测量数据作为扰动位在空中球面上满足的边值条件,得到扰动位空中球面边值问题,在球外部即为经典的球外边值问题,但对于球内直到地面则没有封闭的解析形式,给出了空中球面球内到地面区域的级数解,对于认识空中重力测量数据向下延拓特征和实际应用具有参考意义。利用地面实测数据计算结果表明,对于1km航高的测量数据,一阶解可满足厘米级高程异常的解算精度。     

Retracking of SARAL/AltiKa Radar Altimetry Waveforms for Optimal Gravity Field Recovery

The accuracy of the marine gravity field derived from satellite altimetry depends on dense track spacing as well as high range precision. Here, we investigate the range precision that can be achieved using a new shorter wavelength Ka-band altimeter AltiKa aboard the SARAL spacecraft. We agree with a previous study that found that the range precision given in the SARAL/AltiKa Geophysical Data Records is more precise than that of Ku-band altimeter by a factor of two. Moreover, we show that two-pass retracking can further improve the range precision by a factor of 1.7 with respect to the 40 Hz-retracked data (item of range_40 hz) provided in the Geophysical Data Records. The important conclusion is that a dedicated Ka-band altimeter-mapping mission could substantially improve the global accuracy of the marine gravity field with complete coverage and a track spacing of <6 km achievable in ～1.3 years. This would reveal thousands of uncharted seamounts on the ocean floor as well as important tectonic features such as microplates and abyssal hill fabric.