多种超高阶次缔合勒让德函数计算方法的比较

扩展高阶和超高阶重力场模型的构制与应用的数值稳定性取决于超高阶次缔合勒让德函数的计算方法。文中详细介绍了现有的多种缔合勒让德函数的递推计算方法:标准前向列推法、标准前向行推法、跨阶次递推法和Belikov列推法。从计算速度、计算精度和计算溢出问题3个角度分析比较了阶次高至2 160阶的各种方法的优劣。通过数值试验证明,Belikov列推法和跨阶次递推法是计算超高阶次缔合勒让德函数较优的方法,而其他几种方法不能用于超高阶次缔合勒让德函数的计算。文中结论为超高阶次球谐综合与球谐分析的数值计算提供了可靠的依据。     

采用Belikov列推和跨阶次递推方法计算超高阶缔合勒让德函数

超高阶球谐重力场模型的精确构制与快速计算取决于缔合勒让德函数的计算方法。在前人研究的基础上,文中对适合超高阶缔合勒让德函数计算的Belikov列推和跨阶次递推方法进行介绍,为验证精度,通过两种途径对计算结果进行检验,并比较其计算速度。结果表明,采用两种算法得到的每个勒让德函数的绝对精度均优于10-12,在低阶,跨阶次递推方法的计算用时大约是Belikov列推法的2倍,随着阶数的升高,跨阶次递推算法表现出明显的速度优势。     

超高阶次勒让德函数递推计算中的压缩因子和Horner求和技术

摘要：超高阶次（如2000阶次）缔合勒让德函数值的递推计算,在接近两极时达到极大的数量级（超过10的数千次方）,这导致现有递推方法在计算缔合勒让德函数值及其导数值时失效。我们通过插入压缩因子技术,提出一个修改的递推算法,并结合使用Horner求和技术计算球谐级数的部分和。试验表明,该算法至少可以计算到3600完全阶次的球谐级数式,优于现有结果。     

超高阶次勒让德函数递推计算中的压缩因子和Horner求和技术

超过2 000阶次的缔合勒让德函数值的递推计算,在接近两极时达到极大的数量级（超过10的数千次方）,这导致现有递推方法在计算缔合勒让德函数值及其导数值时失效。通过插入压缩因子技术,提出一个修改的递推算法,并结合使用Horner求和技术计算球谐级数的部分和。试验表明,该算法至少可以计算到3 600完全阶次的球谐级数式,优于现有结果。     

超高阶重力场模型的研究与实现

超高阶重力场模型的提出使大地水准面差距的计算结果越来越精确。本文主要介绍了采用重力场模型计算大地水准面差距的算法,采用标准向前列递推法求解缔合勒让德函数值,增大勒让德函数前三项,避免产生超高阶递推过程的不稳定现象。结果表明:增大勒让德函数前三项能稳定递推至2 700阶,验证了大地水准面差距验证算法、软件的正确性与可行性。     

超高阶全球地形球谐系数模型的构建方法与实现

针对10 800阶地形球谐系数模型构建的计算精度、计算稳定性及超大规模运算量等问题,本文首先通过比较分析矩形离散积分方法、Gauss-Legendre积分方法和Driscoll/Healy积分方法,验证了Driscoll/Healy积分方法具有更高的计算精度。然后,给出了改进的Belikov公式,将完全正常化缔和勒让德函数在全球范围内以优于10^-12精度高效、稳定递推至10 800阶;提出了联合FFT和基于OpenMP的多核并行方法求解超高阶球谐系数的优化策略,显著提高了球谐系数模型构建的计算效率。最后,利用Earth2014＿TBI与全球海底地形模型STO＿IEU2020格网数据建立了全球10 800阶地形球谐系数模型sph.10 800＿IEU,总体精度与Earth2014＿TBI2014.shc相当,在试验海域的相对精度略优于模型Earth2014＿TBI2014.shc。     

完全正常化缔合勒让德函数及其导数与积分的递推关系

在地球重力场问题中,常用到完全正常化缔合勒让德函数及其导数、积分的递推关系。当前流行的地球扰动位模型均采用完全正常化的缔合勒让德函数,用此类模型可以高效方便计算各种扰动重力场元。随着本世纪多个新一代卫星重力探测计划成功实施,高阶或超高阶地球重力场模型的研究备受学界的关注。有关完全正常化缔合勒让德函数的递推关系对于高阶重力场模型具有特别意义。本文在前人研究的基础上,用初等微积分导出了若干新的递推关系式。同时还推导了正常化缔合勒让德函数及其导数、积分的检核式,这些检核式涉及地球位的球谐级数的数学性质。     

广义球谐函数定积分计算方法的改进

运用球谐函数定积分的基本递推公式,推导了在重力场球谐综合与球谐分析中出现的广义球谐函数定积分的计算公式;给出了其适用于超高阶次的改良型递推公式.数值试验表明,该改良公式具有较高的计算精度和计算速度,解决了超高阶次广义球谐函数定积分计算的溢出问题,拓展了这类定积分的计算公式.他们的数值实现为利用位模型计算高分辨率扰动重力场元格网平均值、重力场球谐综合分析等奠定了基础.     

广义球谐函数定积分计算方法的改进

运用球谐函数定积分的基本递推公式，推导了在重力场球谐综合与球谐分析中出现的广义球谐函数定积分的计算公式；给出了其适用于超高阶次的改良型递推公式。数值试验表明，该改良公式具有较高的计算精度和计算速度，解决了超高阶次广义球谐函数定积分计算的溢出问题，拓展了这类定积分的计算公式。他们的数值实现为利用位模型计算高分辨率扰动重力场元格网平均值、重力场球谐综合分析等奠定了基础。     

球谐函数级数式的改化形式

首先将级数式中缔合勒让德函数的计算转化为一般勒让德函数的导数计算，并给出相应的递推公式；其次将球谐函数级数式转化为仅含带谐项的级数式，并给出相应系数的计算公式。经实例计算，用机时间节省约90％。这对于应用部门快速计算重力场的有关数据将十分有利。     

地壳垂直形变场逼近的球冠谐分析法

基于地壳垂直运动的均衡理论,讨论了球谐函数法用于区域地壳垂直形变场逼近时所存在的问题,提出并推导了球冠谐分析法逼近区域地壳垂直形变场的模型.并利用该模型对两个实际区域进行了试验,取得了良好的效果.     

多源重力数据球冠谐模型抗差融合法

提出了一种基于球冠谐模型的抗差岭估计数据融合算法,并通过数值计算对算法的有效性进行验证。结果表明融合后的球冠谐模型不仅能够抵抗系数阵的病态性,而且能够有效地消除观测粗差的影响。最后就观测噪声大小对融合结果的影响进行了探讨。     

2003～2008年中国东部土壤相对湿度的冠谐分析

利用2003～2008年在京津冀地区观测的146个观测站点土壤相对湿度资料,建立了年变化趋势球冠谐模型。球冠极点为东经115°,北纬38°,球冠半径为5°,球冠模型最高展开至8阶。根据模型,计算并分析了该球冠内土壤相对湿度在10cm、20cm和50cm深度年变化趋势空间分布特征。     

WDM94 360阶地球重力场模型研究

利用椭球谐分析和球谐分析理论，结合全球和我国３０＇×３０＇平均空间重力异常以及由卫星跟踪资料推求的ＧＥＭＴ２模型，确定了３６０阶ＷＤＭ９４模型。     

卫星测高问题的球谐级数解法

研究了球界面下卫星测高问题的解法，利用有限逼近方法得到了下列结论：若陆地部分是球冠，则卫星测高问题的解可以转换成关于球谐级数位系统的线性方程组。同时证明了常用的Stokes问题、Dirichlet问题、Neumann问题可以看成卫星测高问题的特殊情况。     

地基GNSS全球电离层延迟建模

海量地基GPS双频观测为电离层延迟建模提供了高分辨率时空覆盖的数据源。尽管如此,穿刺点的数量及空间分布、观测精度影响着建模精度。GLONASS/GPS兼容接收机增加了可观测的卫星数,改善了穿刺点的几何分布。基于此,完整地给出了GLONASS/GPS联合全球电离层延迟建模的算法实现以及数据处理策略。实测数据表明,在当前IGS站网分布下,GLONASS数据改善了全球电离层延迟模型化效果;卫星的DCB稳定性优于接收机的DCB,但GLONASS卫星DCB稳定性差于GPS卫星。     

卫星重力梯度数据的模拟研究

推导了运用地球重力场模型计算单点、格网点以及格网平均的扰动重力梯度复组合分量的公式;提出了广义球谐函数及其定积分的新算法,并利用EGM96地球重力场模型试算了全球地区卫星轨道面上的重力梯度分量的格网平均观测值;通过对角线分量满足Laplace方程的精度,验证了该算法的有效性和实用性。