基于能量守恒方法的重力场反演快速异构并行算法

在利用卫星跟踪卫星资料解算重力场模型位系数时,其海量观测数据处理以及大型方程组解算过程存在计算效率低下、对平台硬件要求高等问题。针对以上问题,提出一种基于能量守恒方法的重力场反演快速异构并行算法,基于CUDA 在GPU端实现并行计算设计矩阵,结合MKL库与分区平差法、预处理共轭梯度法在CPU端完成低内存消耗下的法方程快速构建与求解,实现重力场模型反演的异构并行计算。运用该算法处理GRACE-FO卫星2020-01-01～06-30期间观测数据,反演获得120阶重力场模型GM-GraceFO2020h;与现有模型以及算法对比分析表明,该算法所得模型与现有GRACE重力场模型精度相当,且相较于传统的串行算法,反演耗时减少98.479%,内存消耗减小1个数量级。     

卫星重力梯度数据的归算与格网化处理

给出引力梯度数据归算的二阶径向改正公式,计算结果表明选用高精度参考重力场模型可以有效控制归算误差的影响。比较加权平均法、Shepard曲面拟合法和最小二乘配置法用于卫星重力梯度数据格网化处理的精度和适用性,采用不同噪声背景的径向引力梯度数据进行格网化处理,计算结果表明：最小二乘配置法相比加权平均法和Shepard曲面拟合法具有明显优势,其格网化精度可满足高精度重力场恢复的需要,建议在实际计算中采用最小二乘配置法进行格网化处理。     

利用GOCE卫星观测数据反演地球重力场模型

利用GOCE卫星约6个月的重力梯度数据和约1 a的几何轨道数据,联合解算250阶次的地球重力场模型TJGOCE01。GOCE重力梯度数据的低频误差采用ⅡR数字滤波器处理,粗差采用阀值法和移动窗口阀值法组合探测与剔除。直接在梯度仪坐标系中建立GOCE卫星的重力梯度观测方程,采用改进的短弧边值法建立几何轨道观测方程。两类观测值的权根据其先验精度确定,采用Kaula规则约束的正则化方法解算法方程。解算的TJGOCE01模型相对于EIGEN6C2模型在250阶次的大地水准面误差和大地水准面累积误差分别为19.4 mm和177.9 mm。北美地区GPS水准观测数据的检验结果表明,TJGOCE01模型的中误差为0.544 m,略优于欧空局公布的同阶次的第二代时域法和空域法解算的GOCE重力场模型。     

最小二乘方差分量估计在GNSS差分定位随机模型精化中的应用

使用最小二乘方差分量估计法对基于卫星高度角随机模型中的未知参数进行估计,通过实际观测数据,以负方差为指标,分析指数模型和各种三角函数模型的适用性,计算比较等权模型、指数模型、正切模型及余弦模型的基线向量解算精度,指出应根据实际使用情况合理选择随机模型,以提高定位精度。     

基于CONT观测资料解算地球自转参数精度分析

为比较不同时段和不同技术解算地球自转参数的差异,基于CONT08、CONT11、CONT14、CONT17和IVS-R1/R4定期观测的2008年、2011年、2014年、2017年数据进行地球自转参数解算。同时,利用与CONT观测同时段的GPS数据参与解算,并以IERS提供的EOP14 C04序列作为参考值进行精度评定。结果表明,CONT17与其他3组CONT观测值相比具有更高的极移解算精度,精度提升约40%,但UT1-UTC精度基本处于同一水平;CONT观测比其他类型VLBI观测数据具有更突出的优势,如极移精度提升约30%,UT1-UTC精度提升约45%;VLBI和GPS观测技术比较显示,前者在解算UT1-UTC上更占优势,而后者在解算极移上更占优势。     

病态加权总体最小二乘模型的正则化抗差解法

针对EIV模型系数阵病态且系数阵和观测值精度不同的情形,基于拉格朗日乘数法导出病态加权总体最小二乘模型的正则化解法,并证明已有的等权病态总体最小二乘模型的正则化解法是其特例。在此基础上,进一步提出基于中位数法的病态加权总体最小二乘模型的正则化抗差解法,并用第一类Fredholm积分方程和病态测边网两个算例验证算法的有效性。结果表明,受系数阵病态性以及粗差的影响,最小二乘解和总体最小二乘解精度较差,严重偏离真值;正则化解法在顾及系数阵和观测值误差的同时可有效削弱模型的病态性,其精度较最小二乘解和总体最小二乘解有所提升;而正则化抗差解法在正则化解的基础上,利用等价权函数重构权阵,能有效抵御粗差的影响,其精度最高。     

相关最小二乘原理在固体潮调和分析中的应用

本文在维尼狄柯夫调和分析方法基础上第一次使用了相关最小二乘解算的方法。运用这一方法,我们可以充分地利用一切可用的观测资料,有效地增加滤波值方程个数,获得更高精度和更加可靠的分析结果。这种方法运用于长周期潮分析特别有效。     

基于最小二乘配置的重力变化插值方法

利用最小二乘配置的插值方法对动态重力场的离散观测数据进行网格化,以获取重力场动态变化图,与目前常用的插值方法所得到的结果相比表明:基于最小二乘配置的插值方法得到的精度与其他方法所获得的精度相当或略优,但获取的图像线条流畅、舒缓平稳,能更有效地描述重力场变化的形态特性.     

函数模型与随机模型双约束的GPS-InSAR数据融合方法建立三维形变场

针对InSAR技术研究地表三维形变时监测信息不足的问题，以GPS监测信息为先验信息，建立附有随机模型约束的地表三维形变模型。考虑到SAR卫星极轨方式运行导致LOS向观测量对南北向形变不敏感的问题，以GPS南北向形变观测值作为强约束，构建三维形变解算的函数约束条件。模拟数据与西安地区实测数据的计算结果表明，基于随机模型与函数模型共同约束的地表三维形变参数最小二乘解的精度优于仅有函数模型约束或仅有随机模型约束及无任何约束的参数解精度。     

多分辨最小二乘配置法初探

卫星重力技术的发展使重力场观测数据趋于多样化，重力数据的融合处理已成为一个重要问题。对不同分辨率的数据融合问题进行了初步研究，详细阐述了多分辨最小二乘配置法的基本原理，推导了该方法的具体公式，并通过一个模拟算例将多分辨最小二乘配置法与传统最小二乘配置法的结果进行了比较分析。     

OpenMP并行算法在卫星重力场模型反演中的应用

利用卫星重力数据反演地球重力场需要解决重力场模型的高效计算问题。分析了最小二乘直接法求解重力场模型涉及的密集型计算任务,基于OpenMP实现了卫星重力场模型直接求解的并行算法。利用30天、5秒采样间隔的沿轨扰动位T和径向扰动重力梯度Tr数据,分别反演了60阶次的卫星重力场模型,计算结果表明,OpenMP并行算法能够有效提高直接法求解卫星重力场模型的计算效率,并具有很好的稳定性。     

基于不等式约束算法改善高纬度地区GNSS电离层建模精度

由于当前国际GNSS服务组织（IGS）跟踪站在高纬度区域分布不均，用于电离层拟合建模的观测数据不均匀、不全面，导致在利用这些IGS跟踪站观测数据建立电离层拟合模型时该区域的电离层电子总含量拟合模型精度不够，电离层拟合模型格网输出值甚至出现了大量有悖于电离层实际物理意义的负值和零值现象。针对此问题，利用不等式约束算法，对拟合模型电离层格网输出的负值点、零值点加入不等式约束条件，采用附加不等式约束条件的最小二乘法对参数的解算进行优化，并用实测GNSS数据进行验证。实验结果表明，该算法对测站分布稀疏的高纬度地区出现大量零值和负值的情况有明显改善。此外，该算法对全球电离层模型的建模精度也有一定程度的提高。     

VLBI观测资料解算地球自转参数精度分析

为分析VLBI观测资料解算地球自转参数的精度,根据VLBI观测原理及其误差方程,分别利用2020年VLBI观测数据及CONT17连续加密观测的XA、XB两种频率通道数据解算地球自转参数,并以EOP14 C04序列作为计算外符合精度的参考序列。结果表明,VLBI观测数据解算地球自转参数各分量的外符合精度均能满足高精度要求,比较解算结果与同时段GPS连续数据的解算结果发现,两者精度总体处于同一水平;CONT17观测的XA、XB两种频率通道数据解算极移时精度相当,但前者在稳定性及解算UT1-UTC序列精度上具有较大优势。     

海量卫星重力梯度观测数据确定地球重力位模型的数值方法

基于空域最小二乘法,对卫星重力梯度数据确定地球重力场中的Cholesky分解法、预条件共轭梯度法以及OpenMP并行算法3种数值方法进行比较与分析。研究表明,在计算机硬件资源有限的情况下,传统的Cholesky分解法已经无法满足求解要求;预条件共轭梯度法的求解效率较之Cholesky分解法有改进,但其以损失小量精度为代价;OpenMP并行算法在不损失求解精度的条件下,可提高求解的效率。     

SWARM卫星时变重力场反演及其精度

基于SWARM卫星的精密轨道数据,利用短弧积分法解算2015-01～2021-12共84个月的40阶次TVG-SWARM月时变重力场模型,并与ASU、COST-G、IGG和ITSG等机构的月时变重力场模型进行比较。结果表明：1)从大地水准面阶误差与模型位系数误差谱看,不同SWARM模型的低阶位系数精度相当,特别是前10阶均与ITSG-GRACE/GRACE-FO接近;2)不同SWARM模型与ITSG-GRACE/GRACE-FO模型全球陆地水储量变化趋势空间分布具有较好的一致性,在亚马孙流域、格陵兰岛、密西西比河流域和西西伯利亚等区域,TVG-SWARM与ITSG-GRACE/GRACE-FO模型的趋势差值分别为0.23 cm/a、0.27 cm/a、0.57 cm/a和0.47 cm/a,相关系数均达到0.85以上,并与IGG-SWARM模型结果最为接近。本文研究结果证明了TVG-SWARM模型精度可靠,可以用于监测大尺度陆地水储量变化。     

基于多视线向D-InSAR技术的三维地表形变抗差解算方法

针对粗差对多源InSAR数据三维地表形变解算的影响,提出一种基于多视线向D-InSAR技术的三维地表形变抗差解算方法。该方法利用多视线向D-InSAR地表形变监测数据,在最小二乘原则的基础上实现InSAR三维地表形变解算,获取平差观测量的残差,建立最小二乘残差与观测量单位权方差的函数关系,并通过计算出的单位权方差对InSAR地表形变观测量进行定权;基于等价权原理,选用IGGⅢ权函数实现三维地表形变的抗差解算。最后,以2009年意大利拉奎拉地区地震为例,对该解算方法的可行性和精度进行验证。结果表明,该方法可以获取可靠的解算结果。     

卫星截止高度角、对流层映射函数和海潮模型对南极GNSS精密定位的影响分析

利用长城站、中山站及周边13个IGS站2018年的观测数据,对比分析不同卫星截止高度角、对流层映射函数和全球海潮模型对GNSS坐标精度的影响。结果表明,截止高度角设为7°时,GNSS坐标解算精度最优,随着截止高度角的增大或减小,精度逐渐降低;采用VMF3模型解算的双差定位精度优于NMF、GMF和VMF1模型,VMF3模型解算的精密单点定位精度与GMF和VMF1模型相当;海潮负荷对GNSS坐标解算的影响与坐标方位有关,高程方向可达cm级,选用不同的海潮模型解算的GNSS坐标差异可忽略不计。     

基于异常误差补偿的多期水准网动态平差

针对水准网中的异常误差,采用函数模型异常误差补偿方法抑制其影响,提高水准网平差精度。首先采用最小二乘方法获得各观测值残差,通过假设检验确定异常误差位置;将异常误差作为待估参数进行解算;最后扣除异常误差,利用"干净"观测数据进行平差获取水准网点的高程与垂直运动速度。采用山东省两期二等水准网观测数据进行试验,该方法进一步提高了水准网平差的可靠性。     

GRACE RL06与RL05时变重力场模型数据初步比较分析

简要介绍CSR、GFZ和JPL机构的GRACE RL06时变重力场模型数据,并对比分析RL06和RL05数据的解算模型。从全球陆地水储量变化反演结果、时变重力场模型阶方差和C20项时间序列3个方面,对2004-01~2014-11期间RL06和RL05时变重力场模型数据进行对比分析。结果表明,GRACE RL06时变重力场模型数据质量的和精度较RL05有明显提高,其全球陆地水储量变化反演结果去条带噪声效果更好、信噪比更高;在高阶项部分,RL06模型数据的阶方差小于RL05;RL06模型数据的C20项时间序列幅值变化小于RL05,与SLR所得C20项数据也更接近。相同条件下,采用CSR RL06模型阶方差最小,利用RL06模型所得全球陆地水储量变化反演结果信噪比值最大。     

用GPS观测资料解算地球自转参数的方法及影响因素分析

研究利用GPS观测资料解算ERP参数的方法。首先,利用全球近100个均匀分布、站址稳定的IGS测站的GPS观测数据解算地球自转参数,并将其与IGS相应产品进行比较,结果显示该解算方案可靠。其次,从实验数据和数理表示方面分析ERP参数解算过程中的轨道约束方案、先验ERP信息、站坐标数量对解算精度的影响,给出一些提高ERP参数解算精度的建议：对ECOM光压模型9参数中径、法向（D、Y）4个周期项采取相对宽松约束、随机脉冲参数采取紧约束,解算效果更佳;降低ERP先验信息对解算精度的影响,重点在于提高UT1-UTC的预报值精度;利用100个跟踪站数据解算,可达到解算效率和解算质量均最佳的效果。