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.     

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。     

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。     

局部区域模型重力异常快速算法

地球重力场位系数模型可以用于计算局部重力扰动场元。然而随着地球重力场模型阶次的提高、局域重力场计算范围的增大,其计算速度往往不能满足工程需求。针对这一问题,在对位系数模型泰勒级数展开的基础上提出了采用向量运算、混合编程的方法,同时对连带勒让德函数Belikov递推方法中与经纬度无关的量进行了预先计算,有效提高了计算速度。提出的方法对于利用超高阶次重力场模型快速解算大范围、高分辨率重力场元数据以及累加求和计算具有一定的参考与借鉴意义。     

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。     

完全规格化缔合勒让德函数及其导数的递推算法与适用范围比较

完全规格化缔合勒让德函数及其导数常用标准向前列递推算法和标准向前行递推算法进行计算。基于第一、第二相对数值精度标准对两种算法的适用范围进行分析比较,计算结果表明,标准向前列递推算法的适用范围大于标准向前行递推算法,说明前者优于后者;结果同时还表明,完全规格化缔合勒让德函数与其导数同一种算法的适用范围也相同,并指出了二者适用范围相同的原因。     

局部区域模型垂线偏差快速算法

针对利用地球重力场模型计算大范围、高分辨率局部区域模型垂线偏差速度慢这一问题,该文在对位系数模型泰勒级数展开的基础上,提出了采用向量运算、混合编程、预先计算缔合勒让德函数Belikov递推方法中与经纬度无关量的方法;最后与严密公式计算结果作对比。实验结果表明,该方法不仅可以满足精度要求,而且可以有效提高计算速度。     

超高阶地球重力场参数快速赋值与实现

随着地球重力场模型逐渐向超高阶次发展,如何利用超高阶重力场模型快速、精确地计算地球重力场参数成为重要问题.文章给出了利用位系数计算地球外部空间任意点位处重力场参数的数学模型和详细算法,采用比例因子法实现2190阶次缔合勒让德函数的稳定递推计算;并基于VS2008平台开发了重力场参数快速赋值软件.最后利用EGM2008重力场模型和实测GPS水准数据验证了算法、软件的可靠性与效率.     

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。     

一种加快BDS精密单点定位初始化的方法

由于BDS卫星的星座特性及卫星的轨道和钟差的精度影响,使得传统消电离层组合精密单点定位(PPP)的初始化时间较长。针对上述问题,文中对附加电离层约束的非组合精密单点定位算法进行研究。首先介绍非组合PPP算法,分析其与传统PPP的差异;其次分别利用CODE电离层格网产品,以反距离加权算法计算的站星电离层延迟、低阶球谐函数建立的区域电离层产品等作为先验信息对非组合PPP进行约束。通过MGEX观测网实测数据静态和仿动态计算表明,相比传统消电离层组合PPP,附加电离层约束的非组合PPP能够有效缩短初始化时间,同时能够获得高精度的定位结果。     

解析延拓高阶解的推导方法与比较分析

利用迭代求导法、直接求导法推导了解析延拓高阶解公式,并与经典递推方法进行了比较分析。利用迭代求导法得到了重力异常径向导数在球近似下的通用递推公式,该公式表明,解析延拓的经典递推求解方法实际上是忽略小项的近似,在忽略小项后,迭代求导法与递推法的形式是一样的。虽然直接求导法可以提高计算速度,但利用5°×5°实验区的重力数据进行解析延拓实验的结果表明,直接求导法获得的犵2项数值较其他方法偏小0.1～0.4mGal,这种差异的产生主要由于计算误差引起的。     

The integral formulas of the associated Legendre functions

A new kind of integral formulas for ${\bar{P}_{n,m} (x)}$ is derived from the addition theorem about the Legendre Functions when n ? m is an even number. Based on the newly introduced integral formulas, the fully normalized associated Legendre functions can be directly computed without using any recursion methods that currently are often used in the computations. In addition, some arithmetic examples are computed with the increasing degree recursion and the integral methods introduced in the paper respectively, in order to compare the precisions and run-times of these two methods in computing the fully normalized associated Legendre functions. The results indicate that the precisions of the integral methods are almost consistent for variant x in computing ${\bar{P}_{n,m} (x)}$ , i.e., the precisions are independent of the choice of x on the interval [0,1]. In contrast, the precisions of the increasing degree recursion change with different values on the interval [0,1], particularly, when x tends to 1, the errors of computing ${\bar{P}_{n,m} (x)}$ by the increasing degree recursion become unacceptable when the degree becomes larger and larger. On the other hand, the integral methods cost more run-time than the increasing degree recursion. Hence, it is suggested that combinations of the integral method and the increasing degree recursion can be adopted, that is, the integral methods can be used as a replacement for the recursive initials when the recursion method become divergent.     

兼顾几何连通性与名称一致性的城市道路实体构建

提出了一种兼顾几何连通性与名称一致性的实体化构建方法。首先，对城市道路的实体化原则进行描述；其次，提出基于反比例函数的归一化的几何连通度度量方法，以及基于语义切分的名称匹配度度量方法；最后，通过路口提取、综合匹配度计算、路段匹配、路段连接及借道处理等步骤，实现完整的城市道路实体化构建流程。以郑州市主城区为试验区域进行具体构建试验，验证了本方法的准确性。试验结果表明，利用本文提出的算法进行实体化匹配的总体准确率为99.89%。     

Fourier-series representation and projection of spherical harmonic functions

Computations of Fourier coefficients and related integrals of the associated Legendre functions with a new method along with their application to spherical harmonics analysis and synthesis are presented. The method incorporates a stable three-step recursion equation that can be processed separately for each colatitudinal Fourier wavenumber. Recursion equations for the zonal and sectorial modes are derived in explicit single-term formulas to provide accurate initial condition. Stable computations of the Fourier coefficients as well as the integrals needed for the projection of Legendre functions are demonstrated for the ultra-high degree of 10,800 corresponding to the resolution of one arcmin. Fourier coefficients, computed in double precision, are found to be accurate to 15 significant digits, indicating that the normalized error is close to the machine round-off error. The orthonormality, evaluated with Fourier coefficients and related integrals, is shown to be accurate to O(10^?15) for degrees and orders up to 10,800. The Legendre function of degree 10,800 and order 5,000, synthesized from Fourier coefficients, is accurate to the machine round-off error. Further extension of the method to even higher degrees seems to be realizable without significant deterioration of accuracy. The Fourier series is applied to the projection of Legendre functions to the high-resolution global relief data of the National Geophysical Data Center of the National Oceanic and Atmospheric Administration, and the spherical harmonic degree variance (power spectrum) of global relief data is discussed.     

基于填挖方分析的DEM精度评价模型

针对DEM高程中误差评价指标的不足,提出了一种基于填挖方分析的DEM精度评价模型以及计算方法,将DEM填挖方误差E_c定义为待评价DEM与参考DEM在同一区域的三维体积差异和与该区域面积之商。探究了DEM填挖方误差和DEM分辨率R以及地形平均坡度S之间的关系,得到DEM填挖方误差的定量估算模型为E_c=0.004 8·R·S。实验表明,模型估算精度达95.85%以上。该模型为在不同地形条件下,确定满足限差要求的DEM分辨率提供了依据。     

A unified approach to the Clenshaw summation and the recursive computation of very high degree and order normalised associated Legendre functions

 Spherical harmonic expansions form partial sums of fully normalised associated Legendre functions (ALFs). However, when evaluated increasingly close to the poles, the ultra-high degree and order (e.g. 2700) ALFs range over thousands of orders of magnitude. This causes existing recursion techniques for computing values of individual ALFs and their derivatives to fail. A common solution in geodesy is to evaluate these expansions using Clenshaw's method, which does not compute individual ALFs or their derivatives. Straightforward numerical principles govern the stability of this technique. Elementary algebra is employed to illustrate how these principles are implemented in Clenshaw's method. It is also demonstrated how existing recursion algorithms for computing ALFs and their first derivatives are easily modified to incorporate these same numerical principles. These modified recursions yield scaled ALFs and first derivatives, which can then be combined using Horner's scheme to compute partial sums, complete to degree and order 2700, for all latitudes (except at the poles for first derivatives). This exceeds any previously published result. Numerical tests suggest that this new approach is at least as precise and efficient as Clenshaw's method. However, the principal strength of the new techniques lies in their simplicity of formulation and implementation, since this quality should simplify the task of extending the approach to other uses, such as spherical harmonic analysis. Received: 30 June 2000 / Accepted: 12 June 2001     

埃尔米特插值函数在公路平面线形设计中的应用

三次样条函数在公路平面线形设计中有广泛的应用,但由于没有统一的函数表达式且计算量大,因而在应用上不便。埃尔米特插值函数的特点决定其能很好地逼近被插值函数,且计算过程简便。公路平面线形实例设计表明,三次埃尔米特插值函数用于公路平面线形设计中,能够满足路线设计规范(JTJ011-94)的要求,其设计结果与三次样条函数设计结果接近。本研究建立了公路平面线形设计的埃尔米特插值函数方法,可供公路平面线形设计工作参考。     

渤海湾多源重力数据的自适应融合处理

在最小二乘逐步配置基础上,提出了以调整观测信号自协方差及互协方差函数为主要形式的多源重力数据自适应融合处理方法,构建了基于配置结果的自适应融合以及基于观测信号的自适应融合两种融合模式。分别利用两种融合模式对渤海湾陆海交界区域的航空重力数据、卫星测高反演重力数据以及陆地重力数据进行了融合处理,其中基于观测信号的自适应融合模式取得了较优的融合效果,通过船测重力数据的外部检核表明,融合数据的总体精度优于3.7毫伽 。