Geosat／GM波形重跟踪反演中国沿海区域重力异常

利用Geosat/GM测高波形数据,在中国海域内(117°E～129°E,21°N～41°N)比较了阈值法、Beta5和改进阈值法三种重跟踪算法.分析表明,改进阚值法优于其他两种重跟踪方法.由改进阈值法的测高数据.分别采用最小二乘法(least sqlilare collocation,LSC)和逆Vening-Meinesz(IVM)计算了卫星测高重力异常,并与船测重力数据进行了比较.结果显示,LSC的精度优于IVM.与KMS02和Sandwell & Smith V15两个重力场模型相比较,本文结果在东海优于这两个模型,在台湾海域结果稍差,需要融合ERS-1等其他数据进一步提高精度.     

基于Cryosat和Jason1GM数据的垂线偏差计算与分析

针对不同时空分辨率测高数据对测高垂线偏差计算结果的影响,联合使用Jason1波形数据和Cryo-sat数据,在对波形重跟踪处理和海面时变效应消弱预处理后,采用Sandwell方法和加权最小二乘法计算了三个典型区域的垂线偏差分量。研究结果与EGM2008模型检核表明,低轨道倾角的Jason1大地测量任务数据能有效提取垂线偏差东西分量信息,联合高轨道倾角的Cryosat测高数据可以提升垂线偏差计算精度,而引入重力场模型作为参考场可以进一步改进垂线偏差计算结果。     

联合多种测高数据确定中国边缘海及全球海域的垂线偏差

联合多种测高资料,基于EIGEN_CG01C重力场模型,采用沿轨迹加权最小二乘方法确定了中国边缘海和全球海域格网垂线偏差（IGG2006_DOV）,中国海域整体精度优于1.2″,满足了反演高分辨率、高精度海洋重力场对测高垂线偏差的精度要求。在南海海域,基于测高垂线偏差解算的重力异常与船测重力进行了外部检核,精度达到7.75 mGal。     

Cryosat-2数据的大地水准面分辨能力研究

Cryosat-2卫星首次提供了369d重复周期的密集漂移轨道测高数据,可用于改进海洋重力场反演精度和分辨率。从信号和噪声两个角度对其沿轨数据进行自回归建模,给出了一种以重复轨道观测序列差分加和确定信号谱和噪声谱,并比较分析测高数据大地水准面分辨能力的方法(称为信噪比分析法)。对全球5个试验区域采用谱关联性法和信噪比法来分析Cryosat-2沿轨数据的大地水准面,其分辨能力约为23~33km,均值约为27km,优于单周期Geosat/ERM、ERS-1/ERM和T/P数据的38km、43km和37km。研究表明,Cryosat-2数据具有更低噪声水平和更高大地水准面信号辨识度,可以为构建海洋重力场模型提供更高分辨率的短波信息。     

双星跟飞测高卫星在轨初步验证

卫星测高反演重力场的常规做法是利用海面高差求解垂线偏差,进一步计算海洋重力异常和海洋大地水准面高等信息。显然,提高海面高差的测量精度可以直接提升海洋重力场的反演精度。本文给出了双星跟飞卫星测高原理,通过轨道设计使双星星下点跨轨间距(即分辨率)在1′左右,双星同时测量沿其轨道的海面高差及跨轨的星间海面高差,此时轨道径向误差表现为星间或单星历元间的相对轨道径向误差,而与大气传播和地球物理效应等有关的改正项,对于地面轨间距只有1′的双星近似相等,其在海面高差中几无体现,因此海面高差的精度相比于传统的单星测量将有显著提高。利用测高A/B双星的实际观测数据,初步验证了相对轨道径向误差和海面高差中的8项改正的差值误差。结果表明,对于定标阶段约25 km的星下点间距,干对流层、湿对流层、电离层、固体潮、极潮和逆大气压等改正项的差值误差均在5 mm量级;海潮改正差值、海况偏差差值中分别有约1 cm和2 cm的残留误差;对于业务轨道约2 km的星下点间距,相对轨道径向误差约为3 mm,除了海况偏差差值有约0.52 cm的残留误差,其他改正项的差值误差均小于0.05 cm,可完全忽略不计。     

中国海域大地水准面和重力异常的确定

从莫洛金斯基(Molodensky)等1960年给出的由垂线偏差计算大地水准面空域积分公式出发,导出了其相应谱域1维严密卷积和2维球面及平面卷积公式。由Topex/Poseidon,ERS 1/2及Geosat/GM,ERM测高资料求解的垂线偏差计算了我国海域及其邻区大地水准面,其中计算格网为2.5′×2.5′。为了检核,将测高垂线偏差由逆维宁 迈尼兹(Vening Meinesz)公式反演重力异常,与海上船测重力值进行了外部检核;同时还利用司托克斯(Stokes)公式,由上述反演的重力异常计算大地水准面高,与莫洛金斯基公式直接解得的相应结果进行比较作为内部检核。前者的中误差为±9mGal(1Gal=1cm/s2),后者为±0.025m。本文在积分计算中充分应用了2维平面坐标形式和1维卷积严格公式,并做了比较和自校核。     

基于多源卫星测高数据的新一代全球平均海面高模型

高精度高分辨率平均海面高模型是研究海洋动力环境变化的重要基础。本文基于多源多代卫星测高数据,包括Geosat/GM、Geosat/ERM、ERS-1/168、ERS-2、Envisat-1、T/P和Jason-1数据,采用统一精密的模型或方法对各项地球物理改正和传播介质误差进行了改进或重新计算,然后以T/P和Jason-1两种数据的共线平差作为参考基准,通过发展的全组合交叉点整体平差方法大幅度削弱了径向轨道误差和时变海面高影响,经比较后优选了最小二乘配置格网化方法,以EGM2008高阶重力场模型由移去－恢复方法得到了全球纬度80°S～82°N范围内海域2′×2′平均海平面高模型WHU2009。与国际上较常用的CLS01平均海平面高模型及实测2年平均Jason-1比较表明WHU2009模型整体精度优于CLS01模型。     

Jason-2近海海面高的最优高斯低通滤波半径选择

使用测高卫星Jason-2传感器地球物理数据记录（sensor geophysical data record,SGDR）的近海海面高观测数据,基于最大似然估计4参数法,对波形数据进行重跟踪。考虑到星下点沿轨方向前后相邻海面高观测值中高频改正信号具有相关性的特征,提出了确定海面高的最优高斯低通滤波半径选择的技术方法,即对星下点沿轨方向观测值进行差分计算,形成差分数据序列,根据序列的相关系数性来确定滤波半径。对于SGDR数据,若对其进行低通滤波,建议滤波半径选为2 km,既可抑制沿轨海面高数据的高频误差,又可保证该数据没有被过度平滑。研究成果可为充分利用卫星测高数据建立高精度近海海面高模型提供参考,进而促进高精度陆海无缝垂直基准的技术体系建设。     

联合多种测高数据确定中国海及其邻域1．5′×1．5′重力异常

联合多种测高资料和Geosat/GM波形重构数据,基于EIGEN_CG01C重力场模型,采用沿轨迹加权最小二乘方法和逆Vening-Meinesz公式,确定了中国海及其邻域1.5′×1.5′重力异常。将计算结果与最新船测资料进行了比较,标准差为3.37×10-5m.s-2。     

全球海洋重力场模型的研究进展及展望

为了探究海洋重力场反演的影响因素,首先回顾了海洋重力场反演的发展进程,通过比较3种主要海洋重力场方法的优缺点并进行区域实用性分析得出最优的方法。其次详细阐述SS系列和KMS-DNSC-DTU系列海洋重力场模型的发展历程。通过新旧模型参数对比分析表明:SS系列早期模型分辨率较高,目前两系列模型分辨率都达到1′×1′;KMS-DNSC-DTU系列模型精度更新较快,DTU17模型精度相比于V24.1模型精度更加接近1 mGal。同时,概述了相应重力场模型在不同区域进行测试的结果,对比分析并得到了影响模型精度的区域差异性因素。最后对卫星测高获取全球海洋重力场模型的前景进行了展望。     

利用Abel-Poisson径向基函数模型化局部重力场

多种类型高分辨率重力场数据的不断增加,使得在局部范围内精化重力场模型成为了可能。本文采用Abel-Poisson核将重力场量表示成有限个径向基函数线性求和的形式,对局部区域的多种重力场数据进行联合建模。为了提高运算速度,运用了基于自适应精化格网算法的最小均方根误差准则(RMS)来求解径向基函数平均带宽。以南海核心地区为例,联合两种不同类型、不同分辨率的重力场资料(大地水准面起伏6'×6'、重力异常2'×2'),构建了局部区域高分辨率的重力场模型。所建模型表示的重力场参量达到了2'×2'的分辨率,对原始的重力异常数据(2'×2')拟合的符合程度达到±0.8×10-5m/s2。结果表明,利用径向基函数方法进行局部重力场建模,避免了球谐函数建模收敛慢的问题,有效提高了模型表示重力场的分辨率。     

Comparison of methods for marine gravity determination from satellite altimetry data in the Labrador Sea

One-year average satellite altimetry data from the Exact Repeat Missions (ERM) of GEOSAT have been used to determine marine gravity disturbances in the Labrador Sea region using the inverse Hotine approach with FFT techniques. The derived satellite gravity information has been compared to shipboard gravity as well as gravity information derived by least-squares collocation (LSC), GEMT3 and OSU91A geopotential models in the Orphan Knoll area. The RMS and mean differences between satellite and shipboard gravity disturbances are about 8.0 and 2.8 mGal, respectively. There is no significantly difference between the results obtained using FFT and LSC.     

Analysis of some systematic errors affecting altimeter-derived sea surface gradient with application to geoid determination over Taiwan

This paper analyzes several systematic errors affecting sea surface gradients derived from Seasat, Geosat/ERM, Geosat/GM, ERS-1/35d, ERS-1/GM and TOPEX/POSEIDON altimetry. Considering the data noises, the conclusion is: (1) only Seasat needs to correct for the non-geocentricity induced error, (2) only Seasat and Geosat/GM need to correct for the one cycle per revolution error, (3) only Seasat, ERS-1/GM and Geosat/GM need to correct for the tide model error; over shallow waters it is suggested to use a local tide model not solely from altimetry. The effects of the sea surface topography on gravity and geoid computations from altimetry are significant over areas with major oceanographic phenomena. In conclusion, sea surface gradient is a better data type than sea surface height. Sea surface gradients from altimetry, land gravity anomalies, ship gravity anomalies and elevation data were then used to calculate the geoid over Taiwan by least-squares collocation. The inclusion of sea surface gradients improves the geoid prediction by 27% when comparing the GPS-derived and the predicted geoidal heights, and by 30% when comparing the observed and the geoid-derived deflections of the vertical. The predicted geoid along coastal areas is accurate to 2 cm and can help GPS to do the third-order leveling. Received 22 January 1996; Accepted 13 September 1996     

联合多源重力数据反演菲律宾海域海底地形

对比分析重力-海深的“理论导纳”和实际数据的“观测导纳”,获得研究海域有效弹性厚度理论值为10 km。联合重力异常和重力异常垂直梯度数据,应用自适应赋权技术,采用导纳函数方法构建菲律宾海域1'×1'海底地形模型。试验发现,当重力异常垂直梯度反演海深结果与重力异常反演海深结果的权比为2∶3时,所构建的海深模型检核精度最高。同时,联合多源重力数据反演海深能够综合重力异常和重力异常垂直梯度在对待不同海底地形上的反演优势,生成精度优于单独使用重力异常数据和重力异常垂直梯度数据反演的海底地形模型。以船测数据作为外部检核条件,反演模型检核精度略低于V18.1海深模型,而相较于ETOPO1海深模型和DTU10海深模型检核精度分别提高了27.17%和39.02%左右;反演模型相对误差的绝对值在5%范围内的检核点大约占检核点总数的94.25%。     

利用残差地形模型空域法精化局部地球重力场

陆地高分辨率重力数据是超高阶重力场模型及其应用研究的基础,但现有的观测技术和手段限制了陆地重力测量的覆盖区域,全球仍有大量的重力测量空白地区.采用残差地形模型空域法,利用高通滤波技术提取航天飞机雷达地形测绘任务(shuttle radar topography mission,SRTM)分辨率3"×3"的V4.1数据短...     

Slope correction for ocean radar altimetry

We develop a slope correction model to improve the accuracy of mean sea surface topography models as well as marine gravity models. The correction is greatest above ocean trenches and large seamounts where the slope of the geoid exceeds 100  \(\upmu \) rad. In extreme cases, the correction to the mean sea surface height is 40 mm and the correction to the along-track altimeter slope is 1–2  \(\upmu \) rad which maps into a 1–2 mGal gravity error. Both corrections are easily applied using existing grids of sea surface slope from satellite altimetry.     

联合多代测高数据建立中国海域重力异常模型

本文联合T/P数据、T/P新轨道数据、ERS数据、GFO数据、GeosatGM数据和ERS-1/168数据,用测高卫星记录点的位置信息直接计算沿轨大地水准面的方向导数,结合测线轨迹方向的方位角在交叉点处推求垂线偏差,然后利用逆Vening-Meinesz公式计算了中国近海(0o～41oN,105o～132oN)2′×2′格网分辨率的海域重力异常模型。将其与CLS_SHOW99重力异常模型比较,统计结果表示与该模型差异的RMS为8.15mgal,在剔除差值大于20mgal的点(剔除3.3%)以后,RMS为4.72mgal;与某海区船测重力异常比较的RMS为8.91mgal。     

北部湾经济区陆海统一似大地水准面精化关键技术研究北大核心CSCD

针对北部湾经济区生态文明建设、海洋资源利用和海洋应急救援事件处置等缺乏统一的陆海高程基准等难题,本文首先利用广西北部湾经济区2764项重力数据和8项GNSS水准数据,应用第二类Helmert凝聚法,反演得到广西北部湾海域及沿大陆海岸线向内陆延伸约15 000 km^(2)区域内置信度较高的重力似大地水准面;然后参考重力场选取EIGEN6C4模型,重力似大地水准面对比8项GNSS水准资料,其精度达2.2 cm;最后采用球冠调和分析方法,将2′×2′格网似大地水准面精度提高至1.6 cm,并将陆地高程基准传递到广西北部湾海域及其海岛上,实现该区域陆海高程基准的统一。     

自主海洋测高卫星串飞模式的设计与重力场反演精度分析

根据自主海洋测高卫星发展需求,设计了双星串飞运行模式,该运行模式下2.3 a时间可满足全球海洋区域1'×1'分辨率的地面轨迹覆盖要求。首先,将测高卫星重力场反演分为不考虑轨道运行特点（思路1）和考虑串飞轨道运行特点（思路2）两种思路,利用逆Vening-Meinesz方法开展了正态分布下随机误差传播的仿真计算,获得了两种思路下对应的误差指标。以该误差指标为基础,分别计算了双星串飞模式下两种重力场反演思路对应的精度指标。其中,反演思路2充分利用了串飞模式双星东西方向地面观测值可以进行相对定轨的特点,并考虑到近距离条件下传播误差、地球物理改正误差的系统误差特性,因此反演思路2的垂线偏差精度较反演思路1有了一定的提高,其重力场反演也具有一定的优势。理论计算结果表明,利用思路1的反演方法,2.3 a时间可获得1'×1'重力异常精度为6~10 mGal,4.6 a时间可达到4.2~7.1 mGal;利用思路2的反演方法,2.3 a时间可获得1'×1'重力异常精度为3.9 mGal,4.6 a时间可达到2.8 mGal。     

新一代全球海底地形模型BAT_WHU2020

本文利用由多源卫星测高资料计算的新版全球重力异常Grav_Alti_WHU,联合船测水深资料,构建了全球75°S—70°N范围的1′×1′海底地形模型BAT_WHU2020。以船测水深、现有模型和多波束测深数据为参考,对模型精度进行了分析评价。结果表明,在中国海域及邻区(104°E—160°E,0°N—50°N),本文模型与船测水深之差值的标准差约70 m,与SIO V19.1模型精度相当,优于ETOPO1、DTU10、GEBCO_08等模型,较此前发布的BAT_VGG模型精度提高了约30%,说明本文模型构建方法可靠、数据处理准确、精度较高。在全球范围内,BAT_WHU2020模型与船测水深之差值的标准差为50～65 m,差值在±200 m范围内的比率超过95%,与SIO V19.1模型精度相当,优于ETOPO1、DTU10、GEBCO_08等模型,较BAT_VGG模型精度提高了27%～36%。以SIO V19.1模型为参考,模型之差的标准差为90～110 m,约90%格网点差值在±200 m以内,约95%格网点差值在±300 m以内,两者一致性良好。最后,讨论了地壳均衡、Parker公式高次项等对成果精度的影响,模型的真实空间分辨率,以及以多波束测深为参考的模型精度问题。分析认为,BAT_WHU2020模型空间分辨率为10～18 km,在马里亚纳海沟、麦夸里海岭地区相对精度为5%～6%。