扰动重力场精密确定与逼近效果分析

介绍了局部重力场逼近的点质量方法;详细论述了组合点质量模型的构制方法;利用实测重力异常数据建立了某区域组合点质量模型;分析了各层点质量的散射误差、逼近效果、随高度的变化特征。结果表明,组合点质量模型能以较高精度逼近外部扰动重力场。     

扰动重力场精密确定与逼近效果分析

介绍了局部重力场逼近的点质量方法;详细论述了组合点质量模型的构制方法;利用实测重力异常数据建立了某区域组合点质量模型;分析了各层点质量的散射误差、逼近效果、随高度的变化特征.结果表明,组合点质量模型能以较高精度逼近外部扰动重力场.     

GRACE卫星时变重力场的小波多尺度分解——以2008年汶川Ms8.0大地震为例

根据UTCSR发布的GRACE卫星资料,计算了汶川及其周边地区的卫星时变重力场,并利用小波多尺度分析方法对卫星重力场进行分解,得到了反映不同深度的重力场细节和逼近。通过研究各个细节和逼近成分的重力场变化,结合区域构造运动的特点,对GRACE观测的时变重力场及汶川地震的动力机制进行了初步解释和讨论。结果表明,4阶细节和4阶逼近较好地揭示了汶川地区构造形变和深部物质流动引起的重力变化,而且这种震前重力变化特征满足地震孕育发生的条件。     

基于超高阶重力场模型阶方差的截断误差分析

针对利用重力场模型方法计算地球外空间扰动引力的精度时,模型截断误差是主要的影响因素这一问题,该文利用重力场模型阶方差分析地球外部空间扰动引力截断误差,并与用重力异常阶方差Rapp模型进行比较。实验结果表明:在低阶低空部分,Rapp模型与实际重力异常阶方差相差最大,达到17.125 3mGal;重力场模型计算扰动引力与计算点高度有着密切联系,截断误差的大小随着高度的增加迅速衰减;当计算高度为0.2km时,使用36阶的模型计算扰动引力,截断误差达到25.957 8mGal;当计算高度超过400km时,即使用36阶模型,截断误差也可以控制在1.5mGal内。     

联合EGM2008模型重力异常和GOCE观测数据构建超高阶地球重力场模型SGG-UGM-1

本文研究了联合卫星观测数据和重力异常数据确定超高阶重力场模型的理论方法,并使用EGM2008模型重力异常和GOCE（gravity field and ocean circulation explorer）观测数据构建了重力场模型SGG-UGM-1。重点研究了由球面格网重力异常快速构建超高阶重力场模型的块对角最小二乘方法,将OpenMP技术引入到块对角最小二乘中以提高计算效率,并基于模拟数据验证了方法及算法和软件模块的正确性。采用本文制定的联合解算策略,利用GOCE重力卫星观测数据构建的220阶次法方程和EGM2008模型重力异常构建的2159阶次块对角法方程,联合求解了2159阶次的重力场模型SGG-UGM-1。将SGG-UGM-1与EGM2008、EIGEN-6C2、EIGEN-6C4等超高阶模型在频谱域内进行了比较分析,结果表明SGG-UGM-1相对参考模型的系数误差较小,且在220阶次内的系数精度相比EGM2008模型有了提高。采用中国与美国的GPS/水准数据和毛乌素测区的航空重力观测数据对这些模型进行了外符合精度的检验。检核结果表明,在中国区域,SGG-UGM-1模型大地水准面的精度在EIGEN-6C2和EIGEN-6C4两个模型之间,优于GOSG-EGM模型和EGM2008模型,与美国区域几个模型的精度相当。利用毛乌素测区的航空重力数据对几个模型进行了检核,结果表明SGG-UGM-1模型计算的重力扰动精度与EGM2008、EIGEN-6C4模型相当,优于GOSG-EGM模型和EIGEN-6C2模型。     

重力异常阶方差模型精度及其截断误差分析

在评估重力场模型计算空间扰动引力精度时,对模型截断误差常采用阶方差方法。文中将6种经典的重力异常阶方差模型与现有超高阶重力场模型的阶方差进行比较,TSD模型与重力场模型的差值最小。根据重力异常阶方差模型TSD,文中分析不同高度、不同阶次利用重力场模型计算空中扰动引力时截断误差的影响。实验结果表明:36阶模型截断误差最大径向和水平方向分别为26.455 1mGal、25.946 3mGal;360阶模型截断误差最大径向和水平方向分别为9.969 0mGal、9.960 9 mGal;2160阶模型截断误差最大径向和水平方向分别为2.538 5 mGal、2.538 1mGal;2160阶模型计算空中扰动引力时,即使在低空附近,截断误差在2.5mGal以内,计算高度超过5km,截断误差可以忽略;超过400km的高度,都可以用36阶模型计算,截断误差在1mGal以内。     

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。     

利用地球重力场模型计算CHAMP卫星参考轨道

结合CHAMP卫星观测数据的动力法反演,研究了CHAMP卫星参考轨道的数值方法.分别通过利用40～50阶重力位系数模型计算轨道,并与业已公布的卫星轨道数据进行比较,结果表明, CHAMP(低轨)卫星轨道对重力场低频部分的敏感度较大,考虑低阶(40阶左右)重力场模型计算的卫星参考轨道精度较高.     

利用地球重力场模型计算CHAMP卫星参考轨道

结合CHAMP卫星观测数据的动力法反演，研究了CHAMP卫星参考轨道的数值方法。分别通过利用40～50阶重力位系数模型计算轨道，并与业已公布的卫星轨道数据进行比较，结果表明，CHAMP(低轨)卫星轨道对重力场低频部分的敏感度较大，考虑低阶(40阶左右)重力场模型计算的卫星参考轨道精度较高。     

EIGEN-GL04C重力场模型的精度分析

本文对GFZ发布的GRACE EIGEN-GL04C重力场模型从球谐系数分析、误差阶方差分析两方面进行了精度评价。研究表明,相较于以往的重力场模型,EIGEN-GL04C重力场模型精度对120阶以下(未包含J2项)的地球中长波部分具有明显的改善。GRACE重力卫星测量已经成为获取地球重力场信息的重要手段。     

点质量模型计算空间扰动引力的多项式拟合研究

本文通过对点质量模型计算各频段空间扰动引力矢量随高度变化的分析,提出了点质量模型的代数多项式拟合逼近模型。通过对多项式拟合函数与点质量模型计算空间扰动引力矢量结果的比较,确定了各频段适合实际计算的多项式函数次数,从而建立起能够替代点质量模型的分段多项式拟合函数模型。所建立的拟合函数模型能够贴切地反映出空间扰动引力各频段的变化特征,而且函数形式简单,有利于实现空间扰动引力的实时、快速计算。     

点质量模型计算弹道扰动引力的快速替代算法

利用点质量模型计算弹道扰动引力可以使扰动引力的计算模式具有较为简单的结构,但它本身也存在计算复杂、计算量大的缺点,很难适应实时快速计算的需要。通过分析各频段空间扰动引力矢量随高度变化的特性,从数值逼近理论的角度出发,提出了利用多项式分段拟合的方法替代点质量模型计算空间弹道扰动引力矢量。计算结果表明,所建立的拟合函数模型结构形式简单、计算速度快,单点平均计算速度提升2个数量级,能够满足弹道扰动引力实时、快速计算的需要。     

星载原子干涉技术用于地球重力场测量及其精度评估

重力梯度卫星GOCE通过搭载静电式重力梯度仪,将全球静态重力场恢复至200阶以上。目前GOCE卫星已结束寿命,亟须发展下一代更高分辨率的卫星重力梯度测量来完善200~360阶的全球静态重力场模型。原子干涉型的重力梯度测量在空间微重力环境下可获得较长的干涉时间,因此具有很高的星载测量精度,是下一代卫星重力梯度测量的候选技术之一。本文针对未来更高分辨率全球重力场测量的科学需求,提出了一种适用于空间微重力环境下的原子干涉重力梯度测量方案,其梯度测量噪声可低至0.85mE/Hz1/2。文中对不同类型的卫星重力梯度测量方案进行了重力场反演精度的对比评估,仿真结果表明,相比于现有静电式卫星重力梯度测量,原子干涉型的卫星重力梯度测量有望将重力场的恢复阶数提升至252~290阶,对应的累积大地水准面误差7~8cm,累积重力异常误差3×10-5 m/s2。     

卫星重力梯度边值问题的点质量调和分析

研究并建立由全球重力梯度复组合分量及全张量解算全球点质量模型的基本方程,进一步推导得到基于卫星重力梯度的单定边值问题和超定边值问题的点质量调和分析解.通过采用分块循环矩阵分解大型线性方程组的方法,实现点质量调和分析解的稳定解算.最后运用EGM2008模型进行模拟数值计算,验证卫星重力梯度边值问题的点质量调和分析法的有效...     

利用GOCE模拟观测反演重力场的Torus法

在介绍Torus方法反演地球重力场模型的基本原理和方法的基础上,基于圆环面上均匀分布的卫星引力梯度模拟观测值解算了200阶次的地球重力场模型,在无误差情况下,Torus方法解算模型的阶误差RMS小于10-16,验证了该方法的严密性。利用61dGOCE卫星轨道上无误差的模拟引力梯度观测值解算了200阶次的地球重力场模型,分析了格网化误差、极空白对解算精度的影响,迭代3次后,在不考虑低次系数情况下,模型的大地水准面阶误差和累积误差均较小,最大值仅为0.022mm和0.099mm。在沿轨卫星引力梯度模拟数据中加入5mE/Hz1/2的白噪声,基于Torus方法和空域最小二乘法解算了200阶次的地球重力场模型,Torus方法的精度略低于空域最小二乘法的精度,在不考虑低次项的情况下,两种方法解算模型的大地水准面阶误差最大值分别为1.58cm和1.45cm,累积误差最大值分别为6.37cm和5.55cm。但由于采用了二维快速傅里叶技术和块对角最小二乘法,极大地提高了计算效率。本文数值结果说明Torus方法是一种独立有效的方法,可用于GOCE任务海量卫星引力梯度观测值反演重力场的快速解算。     

由SGM100i质量分析看SELENE的贡献

月球重力场是研究月球演化和深部构造的基本物理量,也是低轨月球卫星精密定轨的关键。SELENE以高-低卫星跟踪卫星模式历史上首次获得了月球背面重力场直接观测数据。与GLGM-3相比,增加了SELENE跟踪数据的SGM100i在各方面表现出较高的精度:其位系数误差阶方差在15～30阶减小超过10倍,最大达到66倍(15阶);位系数与地形的相关性系数在50～70阶高达0.9,而GLGM-3只有0.6～0.7;基于SGM100i计算的重力异常和月球大地水准面起伏也更好地揭示了月球背面与环形地形相关的重力场特征,从而验证了SELENE 4程Doppler数据对于月球重力场解算的贡献。     

基于能量守恒方法恢复CHAMP重力场模型

介绍了基于能量守恒定律恢复地球重力场模型的基本原理和算法.指出了CHAMP加速度计数据存在的问题,提出了整体求解尺度因子、偏差参数和偏差漂移的数学模型及差分算法.利用2002年1月的CHAMP快速科学轨道数据和加速度计数据计算出了50 × 50地球重力场模型XISM02.将该模型与EGM96,GRIM5C1,EIGEN1S,EIGEN2模型进行了比较,并用北极实测重力数据对上述模型进行了检验.结果表明:XISM02模型在北极地区精度与EIGEN1S,EIGEN2相当.     

利用先验重力场模型对GOCE卫星重力梯度观测值进行校准分析

GOCE卫星任务搭载了高灵敏度的重力梯度仪,其观测值用于恢复高精度高分辨率的地球重力场。本文利用EIGEN-5C、EGM2008、GOTIM3、GGM03S高精度全球重力场模型,确定了GOCE引力梯度张量的对角分量观测值(Vxx、Vyy、Vzz)的校准参数,分析了比例因子的稳定性,并讨论了相同模型不同阶次、同阶次不同模型以及是否估计漂移参数对比例因子、偏差参数及校准观测值的影响。研究表明比例因子的稳定性在10-4的量级,利用250阶的EIGEN-5C模型和EGM2008模型校准得到观测值的差异小于10-4 E,远远小于观测误差,以1d为周期估计校准参数时,是否估计漂移对校准结果的影响达到0.4E。同时,校准前后观测值差异的频谱说明校准过程主要影响Vxx、Vyy、Vzz观测值的低频部分,即来自先验重力场模型的中低(150)阶次,考虑到GOCE引力梯度的观测频带,校准后的观测值可用于恢复中高频的重力场信号。     

超高阶地球位模型的计算与分析

全球重力场模型是当今物理大地测量学最为活跃的研究领域之一。本文基于目前国内外最新的重力场模型理论研究成果 ,提出了利用中国地区细部数据和全球卫星测高 2′× 2′网格重力异常扩展超高阶位模型的计算方法 ,详细讨论了数值解算过程中的稳定性和可靠性问题。以 EGM96和 GPM98CR模型作为参考模型 ,在全球意义上分别解算得到 MOD99a( 360阶 )、MOD99b( 72 0阶 )和 MOD99c/d( 1 80 0阶 ) ,将系列模型 MOD99a/b/c/d同中国地区 72个 GPS水准大地水准面和全球海洋 1 2个地区的卫星测高大地水准面进行了比较 ,并通过功率谱分析方法检验了 4组模型的有效性和可靠性。