海空重力测量平台倾斜改正模型等价性证明与验证

关于重力测量稳定平台倾斜改正模型选用问题,国内外学者和机构至今未取得完全一致的意见。从理论上证明了当前国际上推荐使用的三种重力平台倾斜改正模型的等价性,估算了平台倾斜重力改正的量值大小,并采用航空重力测量实测数据,对三种改正模型进行了数值验证和对比分析,得出了比较明确的结论,为实际作业选用合适的数据处理流程和改正模型提供了理论依据。     

海空重力测量关键技术指标体系论证与评估

技术规程是开展海空重力测量作业的重要依据。针对我国现行海空重力测量规范或标准缺乏现势性的问题,开展了海空重力测量测线布设密度、测量精度、空间分辨率、海空重力仪零点漂移与动态重复性等关键性指标分析和论证,提出了由测点重力中误差、系统差和平均误差3个指标组成的测量精度评估体系,以及由格值标定相对精度、零点月漂移量、月漂移非线性变化中误差和月漂移非线性变化限差4个指标组成的海空重力仪稳定性评估体系,给出了相关技术指标的验证和评估方法,同时对涉及船载重力测量测点归算、航空重力测量厄特沃什改正、测量平台倾斜改正及海空重力测量精度评估等关键性数学模型进行了分析和改进,旨在为下一步启动军民融合海空重力测量作业规程编制工作提供技术支撑。     

海空重力测量数据处理关键技术研究

正海空重力测量是以舰船或飞机为载体,应用重力仪(或加速度计)测定海面或近地空中重力加速度的重力测量方法,是目前获取地球重力场中高频信息的两种主要技术手段。本文主要围绕海空重力测量运动载体精密定位、动态环境效应改正、数据滤波、误差分析处理与精度评估、航空重力数据向下延拓及多源数据融合处理等关键技术,开展分析论证、技术攻关和试验验证。论文的主要工作及创新如下:(1)研究了海空重力测量观测模型,完善了航空重力     

联合使用位模型和地形信息的陆区航空重力向下延拓方法

为了规避传统逆Poisson积分向下延拓解算过程的不适定性问题,借鉴导航定位中的"差分"概念,利用超高阶位模型直接计算海域航空重力测量向下延拓改正数的方法。本文在此基础上提出联合使用重力位模型和地形高数据,计算陆部航空重力向下延拓总改正数的改进方案,以飞行高度面与地面对应点的位模型差分信息表征总改正数的中长波分量,以相对应的局部地形改正差分修正量表征总改正数的中高频成分,从而实现航空重力数据点对点向地面的全频段延拓。在地形变化不同区域,联合使用EGM2008位模型、地面实测重力和高分辨率高程数据进行了实际数值计算和精度评估,验证了该方法的有效性。     

岛礁重力测量潮汐改正新方法

现有的固体潮和海洋负荷潮的模型用于岛礁重力测量的改正时,会产生较大的误差。利用短时间的重力观测数据建立测站的潮汐模型,可以明显地改善测站的潮汐模型,提高重力测量结果的精度,该方法可用于绝对和相对重力测量的潮汐改正。重力梯度同步观测方案不需要进行潮汐改正就可获得重力梯度,故不受潮汐模型误差的影响。     

航空重力测量中厄特弗斯改正的计算与误差分析

基于航空重力测量基本数学模型,导出了椭球近似的厄特弗斯改正公式;以一组实测数据,对厄特弗斯改正的计算与平滑方法进行了分析和比较。此外,给出了简单的误差估计模型。     

补偿海空重力测量动态效应剩余影响的通用模型

针对目前作业过程中普遍存在的测量动态环境效应剩余影响问题,在深入分析海空重力测量误差源形成机理及其变化特性基础上,提出了一种适用于补偿各类海空重力仪动态效应剩余影响的通用模型;研究探讨了通用模型形式优选和模型参数估计问题,将基于信息论的Akaike信息量准则引入通用模型表达式的优选过程,提出应用互相关分析方法对模型参数进行估计,在双重约束下构建了补偿动态效应剩余影响的优化模型。使用典型动态环境下的海面重力观测数据对该方法的有效性进行了验证,结果显示,海洋重力测量成果内符合精度从原先的±9.35×10^-5 m/s^2大幅提升到±1.01×10^-5 m/s^2,充分体现了本文方法和模型对消除高动态测量环境效应影响的优良特性。     

点质量融合模型的海空重力数据延拓分析

针对无高质量的数据对传统的虚拟点质量模型对重力数据改正时，易受系统误差影响及解算不稳定的问题，该文将海空重力数据中的系统误差用非参数分量表达，对点质量模型进行改进，建立了虚拟点质量的半参数模型，引入核估计方法，利用偏残差估计方法，进行三步拟合估计，得到了系统误差和点质量参数的估计值。在分离系统误差的基础上，引入正则化方法改善病态，将建立的模型与正则化方法相结合，建立了综合半参数核估计和正则化方法的点质量融合模型，可在无外部重力时估计系统误差，同时完成多源数据融合。基于EGM2008位模型产生海空重力异常数据，采用线性项和周期项系统误差进行仿真实验，结果表明改进后的点质量模型能够有效利用外部数据，在改善病态和分离系统误差方面提升精度效果明显。并以北卡罗来纳实测海空重力异常数据验证该文方法的有效性，结果表明在无外部数据时，该文方法能有效地分离系统误差，并且精度与引入外部数据改正后的正则化方法相当。     

航空重力测量中水平加速度改正的计算与频域分析

基于扰动水平加速度的正弦运动模型，对平台失准角和水平加速度改正的频谱特性进行了分析。利用某航空重力测量试验的实测数据，计算了平台失准角和水平加速度改正。     

航空重力测量厄特弗斯改正公式注记

针对当前国内外机构和学者在使用航空重力测量厄特弗斯改正公式中存在的不一致性问题,详细分析了不同时期、不同形式改正计算公式的来源及其相互关系,并比较了它们在数值上的差异,指出我国作业部门目前使用近似公式存在的误用问题和统一使用严密公式的必要性。     

海空重力测量及应用技术研究若干进展

总结分析评述了海军重力研究团队在海空重力测量及应用技术研究领域取得的一些有理论意义和实用价值的研究成果,主要涵盖需求论证与顶层设计、观测数据归算与精度评估、测量误差分析处理与分离补偿、地表观测重力向上延拓、航空观测重力向下延拓、海域重力数据模型构建、地球外部重力场逼近和大地水准面精化等8个研究方向,重点从各项关键技术的研究背景、研究思路、难点突破、成果应用前景等几个方面进行了分析和总结,回答了该研究领域涉及理论方法和工程应用的一系列科学问题,为该领域未来发展提供借鉴和参考。     

航空重力测量数据向下延拓的改进Poisson积分迭代法

目前,航空重力测量是快速获取陆地和近海区域高精度、高分辨率重力场信息的非常有效的技术手段,向下延拓则是其数据处理中的关键环节,直接影响到测量结果的进一步应用。本文在对传统最小二乘法、改进最小二乘法、Tikhonov正则化法等延拓模型进行数值分析的基础上,根据调和函数的基本特性,提出并建立了Poisson积分迭代法和改进Poisson积分迭代法延拓模型。实测航空和地面重力测量数据的试验结果表明,本文新建的Poisson积分迭代法和改进Poisson积分迭代法延拓模型精度相当,比传统最小二乘法延拓模型精度提高了15.26 mGal,比改进最小二乘法延拓模型精度提高了0.21 mGal,比Tikhonov正则化法延拓模型精度略低0.13 mGal,从而证明了本文所建模型的正确性和有效性。     

顾及误差频谱特性的CHZ重力仪航空应用研究

给出了航空重力测量误差频域分析的方法,利用功率谱密度从频域分析了航空标量重力测量系统恢复重力场的能力及影响因素。介绍了CHZ重力仪的主要特点,并利用实测空中重力异常数据及机载GPS动态加速度数据,结合航空重力测量的频谱范围,分析了CHZ重力仪在不同阻尼系数下的动态性能。计算结果表明,采用合适的阻尼系数,CHZ重力仪能够被用于固定翼飞机的航空重力测量。     

航空重力测量中垂直加速度确定方法的比较

垂直加速度是航空重力测量的重要改正项之一。文中概述了利用GPS确定加速度的基本方法，从理论上分析了GPS确定垂直加速度的精度，并利用航空重力测量实测数据，比较分析了惯常使用的3种垂直加速度确定方法．得出了若干初步结论。     

单站GPS确定航空重力测量载体运动加速度的方法与结果分析

飞机运动加速度的测量精度是制约航空重力测量技术发展的主要障碍之一。相较于传统动态差分GPS（differential GPS,DGPS）技术,所提方法采用单站测量模式,无需布设地面基准站。首先通过相位历元间差分解得高精度历元间位移序列,然后结合泰勒一阶中心差分获得载体加速度,重点分析了卫星轨道和卫星钟差对加速度估计的影响,结果表明,不同卫星轨道产品对加速度估计影响较小,而卫星钟差采样率对加速度估计的影响很大。结合中国陕西省境内的GT-2A航空重力测量系统飞行实测数据,利用单站法解算的加速度联合重力和姿态数据解算重力扰动结果与DGPS解算的重力扰动符合较好,当滤波长度为100 s时,两者互差优于1.0 mGal。重力扰动交叉点不符值网平差后,均方根（root mean square,RMS）为1.13 mGal。与地面重力实测值比较的结果表明,所提方法与DGPS方法在精度上基本一致,说明单站法标量航空重力测量是可行的。     

Effects of topographic–isostatic masses on gravitational functionals at the Earth’s surface and at airborne and satellite altitudes

Topographic–isostatic masses represent an important source of gravity field information, especially in the high-frequency band, even if the detailed mass-density distribution inside the topographic masses is unknown. If this information is used within a remove-restore procedure, then the instability problems in downward continuation of gravity observations from aircraft or satellite altitudes can be reduced. In this article, integral formulae are derived for determination of gravitational effects of topographic–isostatic masses on the first- and second-order derivatives of the gravitational potential for three topographic–isostatic models. The application of these formulas is useful for airborne gravimetry/gradiometry and satellite gravity gradiometry. The formulas are presented in spherical approximation by separating the 3D integration in an analytical integration in the radial direction and 2D integration over the mean sphere. Therefore, spherical volume elements can be considered as being approximated by mass-lines located at the centre of the discretization compartments (the mass of the tesseroid is condensed mathematically along its vertical axis). The errors of this approximation are investigated for the second-order derivatives of the topographic–isostatic gravitational potential in the vicinity of the Earth’s surface. The formulas are then applied to various scenarios of airborne gravimetry/gradiometry and satellite gradiometry. The components of the gravitational vector at aircraft altitudes of 4 and 10 km have been determined, as well as the gravitational tensor components at a satellite altitude of 250 km envisaged for the forthcoming GOCE (gravity field and steady-state ocean-circulation explorer) mission. The numerical computations are based on digital elevation models with a 5-arc-minute resolution for satellite gravity gradiometry and 1-arc-minute resolution for airborne gravity/gradiometry.     

航空重力测量在近海区域的精度评估与分析

利用泊松积分法和点质量法对澳大利亚West Arnhem Land区域的航空重力测量数据进行了精度评估,两种方法得到精度结果基本一致,评估结果表明GT-1A测量系统2′分辨率数据的测量精度优于3×10-5 m/s2,5′分辨率数据的测量精度优于2×10-5 m/s2。利用交叉点平差和泊松积分法、点质量法对渤海区域的航空重力测量进行了内部交叉点平差和外部精度评估,结果表明,内部评估精度与外部评估精度存在一定的差异,以外部评估为准则,CHAGS测量系统在渤海区域5′分辨率的航空重力数据精度优于3.5×10-5 m/s2。综合国内外试验情况分析得到,在近海区域,航空重力数据的分辨率和精度受测量仪器的性能而不同,整体上对于5′分辨率数据而言,可以达到或优于3×10-5 m/s2的精度。     

An integrated wavelet concept of physical geodesy

For the determination of the earth's gravity field many types of observations are nowadays available, including terrestrial gravimetry, airborne gravimetry, satellite-to-satellite tracking, satellite gradio-metry, etc. The mathematical connection between these observables on the one hand and gravity field and shape of the earth on the other is called the integrated concept of physical geodesy. In this paper harmonic wavelets are introduced by which the gravitational part of the gravity field can be approximated progressively better and better, reflecting an increasing flow of observations. An integrated concept of physical geodesy in terms of harmonic wavelets is presented. Essential tools for approximation are integration formulas relating an integral over an internal sphere to suitable linear combinations of observation functionals, i.e. linear functionals representing the geodetic observables. A scale discrete version of multiresolution is described for approximating the gravitational potential outside and on the earth's surface. Furthermore, an exact fully discrete wavelet approximation is developed for the case of band-limited wavelets. A method for combined global outer harmonic and local harmonic wavelet modelling is proposed corresponding to realistic earth's models. As examples, the role of wavelets is discussed for the classical Stokes problem, the oblique derivative problem, satellite-to-satellite tracking, satellite gravity gradiometry and combined satellite-to-satellite tracking and gradiometry. Received: 28 February 1997 / Accepted: 17 November 1997