利用重力异常匹配技术实现潜艇导航

潜艇的惯性导航误差是随时间积累的,利用重力异常数据进行辅助导航可以对惯性导航的漂移误差进行校正.首先利用2′×2′重力异常数据库作为基础信息,结合Kalman滤波算法对某区域进行了模拟计算,模拟过程采用了增益系数和信息更新序列的新方法进行Kalman 滤波的处理,结果表明在重力异常变化幅度较大的地区,重力异常可以进行潜艇的辅助导航.     

海洋重力辅助导航的研究现状与发展

海洋重力辅助导航是近几年舰船导航研究的热点和前沿问题,是下一代舰船高精度导航系统.本文在进行了一般性辅助导航方法的概述之后,详细介绍了与辅助导航相关的重力场基本概念、重力辅助导航系统的主要研究内容、基本原理;从重力传感器、重力图数据处理及重力图匹配理论与算法三个方面详细介绍了其国内外研究现状,重点介绍了重力梯度仪辅助导航、重力辅助惯性导航和通用重力模块三种系统的体系结构和研究成果;总结了重力辅助导航涉及的关键技术及其发展趋势;最后给出了我国开展海洋重力辅助导航研究的若干建议.     

基于实测重力异常和地形数据确定重力梯度的研究

本文利用澳大利亚北领地West Arnhem Land 地区实测重力异常数据并联合DEM(9")和SRTM3(3")地形高程数据,使用移去-恢复技术和Stokes积分方法计算了该地区两条剖面的重力梯度及其功率谱密度,使用FFT方法解算了整个地区的重力梯度值,结果证明了联合重力异常数据和高分辨率地形高程数据能有效地提高重力梯度的解算精度;功率谱密度的计算结果与国外成熟的重力梯度功率谱密度模型相吻合,表明高于0.3 Hz频率范围的功率谱密度可看做噪声,为重力梯度数据处理中噪声的辨别和剔除提供了借鉴,另外对重力梯度辅助导航基准图的构建以及重力梯度测量系统的标定提供了有益的探索.     

地球磁场异常格网(EMAG2)辅助潜艇导航仿真研究

潜艇的惯性导航误差随时间积累.为了实现潜艇的无源导航,可利用地磁场强度异常数据进行辅助导航以修正纯惯性导航的误差.根据全球EMAG2构造西太平洋海域2′×2′总地磁场强度异常格网数据作为基准信息,结合SITAN地磁匹配算法在该海域进行地磁导航仿真计算.仿真结果表明在地磁总强度异常变化较大的区域,地磁辅助潜艇导航精度达到2′左右,与EMAG2的分辨率相当,验证了采用地磁场辅助潜艇导航的可行性.     

重力和重力梯度数据三维相关成像

本文提出了重力异常三维相关成像方法和重力梯度数据三维相关成像方法,并提出了基于异常分离的三维相关成像方法来提高成像分辨率.通过合成Y型岩脉模型和合成多个直立长方体组合模型的重力异常和重力梯度数据试验分析,验证了本文三维相关成像方法可显示出异常地质体的空间赋存状态和等效剩余质量分布,具有良好的纵向和横向分辨率.     

联合多种测高资料确定西太平洋海域2′×2′重力梯度

从地球重力场基本理论出发,导出了大地水准面上局部切平面坐标下的重力梯度矢量水平分量和垂直分量的计算公式,利用由多颗测高卫星联合反演的2'×2'海洋重力异常和垂线偏差资料,计算了西太平洋海域2'×2'重力梯度矢量水平分量和垂直分量.将计算的重力垂直梯度和现有资料进行比较,标准差为9.99E,并对重力梯度的空间分布特征进行了初步分析.     

一种新的基于R-D分析的重力匹配辅助导航算法

针对现有重力辅助导航匹配算法匹配精度、匹配率受惯导初始位置误差影响较大以及实时性较差等不足,提出一种实时重力辅助导航匹配算法.新算法利用惯导输出的相对位置信息,提取半径、方向角约束模型,然后通过对相似性进行度量,筛选出待匹配点,得到最优匹配参数,该算法可以在惯导初始误差较大的情况下进行实时、高效匹配.实验结果表明,新算法对惯导初始误差不敏感、鲁棒性好,而且精度高、实时性强.     

联合不同类型重力测量数据确定地球重力场模型的迭代法

不同的重力测量数据包含了不同波段的地球重力场信息,因此要恢复更高精度的地球重力场模型,就必须对不同类型的重力测量数据进行联合处理.以地面重力异常Δg为例,推导了利用迭代法联合不同类型重力测量数据反演地球重力场模型的基本原理公式,并给出了其具体实现步骤,接着采用全球的重力异常Δg数据和扰动位T数据,基于迭代法对卫星重力梯度SGG数据解算的重力场模型进行了进一步的精化.结果表明,初始的卫星重力梯度SGG模型和经过全球重力异常Δg数据精化后的模型,其对应的累计大地水准面误差分别达到1.128cm和0.048cm、累计重力异常误差分别达到0.416mGal和0.018mGal的精度;在经过全球扰动位T数据进一步精化后的模型,其对应的累计大地水准面误差达到0.043cm、累计重力异常误差达到0.016mGal的精度.     

孕震过程中重力位、重力、重力梯度变化的数值模拟研究

简要介绍了为探索和解释地震前后重力变化的各种孕震模式,推导了由孕震引起的密度变化和位移与地面重力位、重力、重力梯度之间的变化关系。摸拟计算了孕震位移和密度变化引起的重力位、重力、重力梯度变化的空间分布并分析了重力位、重力、重力梯度变化的空间分布特征。与此同时,采用广义司托克斯云积分和有限差分方法对云南丽江7. 0级地震前重力位、重力、重力水平梯度进行了计算。结果表明,强震前重力位、重力、重力梯度有其自身的变化特征,这对预测强震有实际意义。     

基于优化滤波法对芦山地震震区重力异常特征的分析

首先对具有代表性的重力异常分离方法进行简单介绍, 在此基础上使用这些方法对同一组理论模型数据进行试验, 优选出异常分离效果较好的优化滤波法对芦山地震震区重力异常特征进行分析, 初步认识此次地震发生的深部构造背景, 得出以下初步结论: 龙门山断裂带在研究区布格重力异常中反映为一条近北东走向的显著重力梯度带. 该梯度带在天全附近分为两支, 芦山地震震区靠近重力梯度带分叉处, 且M_S≥3.0余震同样呈近北东向展布, 与梯度带走向基本一致, 认为此次强地震的发生与重力梯度带下的深部结构及构造活动密切相关; 芦山地震震区浅部结构与深部构造特征存在较大差异, 构造复杂及地壳深浅部耦合关系较差, 说明此次强地震的发生受浅部和深部构造的共同控制.      

Comparing gravity and gravity gradient surveys

Noise levels in marine and airborne full tensor gravity gradiometer surveys together with conventional land, marine and airborne gravity surveys are estimated and analysed in gridded form, resulting in relations that detail how these different survey systems can be compared analytically. After defining survey parameters including line spacing, speed and instrument bandwidth, the relations estimate the noise levels that result on either grids of gravity (gz) or gravity gradient (Gzz) as a function of the spatial filtering often applied during geological interpretation. Such comparisons are believed to be a useful preliminary guide for survey selection and planning.     

重力和重力梯度数据联合聚焦反演方法

重力数据包含较多的低频信息,重力梯度数据包含较多的高频信息,将重力数据和重力梯度数据进行联合反演得到的结果更加可信.本文基于聚焦反演方法,实现了这一过程.因为联合反演中分量种类增加,所以计算灵敏度矩阵所需要的时间增加,为此,本文提出了一种快速计算灵敏度矩阵的方法.因为联合反演对内存的要求增大,本文选择有限内存BFGS拟牛顿法求解反演问题.本文通过再加权的方法实现深度加权.文中利用单一分量的反演结果来预测异常体的埋深信息,随后将埋深信息结合到深度加权函数中,将其用于多分量组合反演计算.给出了模型试验,发现预测得到的异常体的埋深信息与其实际埋深存在偏差,但是将这一信息应用到反演计算,能够得到与真实模型一致的结果.之后,本文通过模型试验来探究重力和重力梯度联合反演的优势,发现将重力和重力梯度数据联合,能够识别出额外的噪声,反演得到的模型更加合理.但是,对于不同分量组合得到的反演结果是相近的,反演模型的提高很小.最后,将联合反演方法应用到美国路易斯安那州Vinton岩丘的实际数据中,结果显示,将重力和重力梯度数据联合反演,反演模型得到了提高,反演得到的结果与地质资料吻合.     

基于深度学习的重力异常与重力梯度异常联合反演

高效高精度的反演算法在重力大数据时代背景下显得尤为重要,受深度学习卓越的非线性映射能力的启发,本文提出了一种基于深度学习的重力异常及重力梯度异常的联合反演方法.文中首先提出了一种基于网格点几何格架的重力异常及重力梯度异常的空间域快速正演算法,这为本文深度学习反演算法的实现奠定了基础;其次对大量的不同密度模型进行正演计算获得样本数据集;然后设计了一种端到端的深度学习网络结构(GraInvNet),再利用样本数据对该网络结构进行训练;最后进行反演预测.组合模型试验表明,多维度数据联合反演相比单一分量反演其结果更“聚焦”,且与模型边界高度吻合,并且对于复杂模型的姿态与物性预测具有极为显著的优势,以及对于含噪声数据的反演,其质量也不会降低;Vinton岩丘实测重力数据也验证了文中方法的有效性;从而证明了深度学习在重力数据的高效高精度反演方面具有的巨大潜力.     

Conforming Falcon‡ gravity and the global gravity anomaly

Gravity derived only from airborne gravity gradient measurements with a normal error distribution will have an error that increases with wavelength. It is straightforward in principle to use sparsely sampled regional gravimeter data to provide the long wavelength information, thereby conforming the derived gravity to the regional gravity. Regional surface or airborne gravimeter data are not always available and can be difficult and expensive to collect in many of the areas where an airborne gravity gradiometer survey is flown. However the recent release by the Danish National Space Centre of the DNSC08 global gravity anomaly data has provided regional gravity data for the entire earth of adequate quality for this purpose. Studies over three areas, including comparisons with ground, marine and airborne gravimetry, demonstrate the validity of this approach. Future improvements in global gravity anomaly data are expected, particularly as the product from the recently launched Gravity field and steady‐state Ocean Circulation Explorer (GOCE) satellite becomes available and these will lead directly to an improvement in the very wide bandwidth gravity available after conforming gravity derived from gravity gradiometry with the global gravity.     

GRACE和地面重力测量监测到的中国大陆长期重力变化

自2002年以来,GRACE卫星探测计划可提供高精度的时变地球重力场,用以探测地球系统的物质分布.自1998年中国大陆重力监测网建立以来,利用FG5绝对重力仪和LCR-G型相对重力仪每2年对该网进行重复测量获取重力场时变信息.基于此,本文利用GRACE和地面重力测量获得了中国大陆重力场的长期年变率,利用位错理论根据USGS发布的断层模型计算了2008年汶川M_s8.0级地震的同震重力变化并进行了300 km高斯滤波.GRACE卫星重力和地面重力结果均表明华北地区地下水流失严重,在绝对重力基准站上,GRACE卫星重力与绝对重力变化率较为一致,汶川区域的地面重力变化结果可视为大地震前兆信息.     

地震重力观测技术的新发展方向:绝对重力与重力梯度一体化观测

高精度绝对重力与重力梯度一体化和阵列式观测可有效提高不同深度重力场源体的识别精度。本文基于中国地震局发布的《中国地球物理站网（重力）规划（2020—2030）》中绝对重力观测技术的不足和发展方向,提出了绝对重力与重力梯度一体化的观测技术思路。在监测中发现,强震孕育过程中壳—幔热物质运移引起的微重力变化信号,有利于提升破坏性地震的中、短期和临震预测能力。有必要进一步拓展重力站网绝对重力控制能力等方面的应用,为我国专业地震台站探索重力观测技术新发展方向。      

The gravity field and GGOS

The gravity field of the earth is a natural element of the Global Geodetic Observing System (GGOS). Gravity field quantities are like spatial geodetic observations of potential very high accuracy, with measurements, currently at part-per-billion (ppb) accuracy, but gravity field quantities are also unique as they can be globally represented by harmonic functions (long-wavelength geopotential model primarily from satellite gravity field missions), or based on point sampling (airborne and in situ absolute and superconducting gravimetry). From a GGOS global perspective, one of the main challenges is to ensure the consistency of the global and regional geopotential and geoid models, and the temporal changes of the gravity field at large spatial scales. The International Gravity Field Service, an umbrella “level-2” IAG service (incorporating the International Gravity Bureau, International Geoid Service, International Center for Earth Tides, International Center for Global Earth models, and other future new services for, e.g., digital terrain models), would be a natural key element contributing to GGOS. Major parts of the work of the services would, however, remain complementary to the GGOS contributions, which focus on the long-wavelength components of the geopotential and its temporal variations, the consistent procedures for regional data processing in a unified vertical datum and Terrestrial Reference Frame, and the ensuring validations of long-wavelength gravity field data products.     

基于Delaunay剖分的二维非规则重力建模及重力计算

针对计算截面为任意形状的非均匀密度二度体的重力问题，提出了二维情况下的非规则重力建模方法，即利用二维Delaunay剖分方法，将其截面分割为若干三角形，将该二度体分解成为若干三角棱柱的组合；通过求取变密度的三角棱柱体的重力异常，并将其累加，最后得出了截面为任意形状的水平无限延伸的二度体的重力计算公式.以千米桥油田的一条实测重力剖面为例，用该方法进行了反演计算，并将反演结果与常规方法做了分析比较，进行了相应的分析和讨论.