陆地重力精化技术软件平台的设计与实现

陆地重力精化技术是精确重力场信息、提供重力场应用保障的关键技术手段.介绍了陆地重力精化技术软件平台的设计思想和主要功能并对各部分涉及的关键技术进行了分析与阐述.软件平台由重力场数据处理、重力场数据应用与分析以及重力场数据可视化3部分组成.实现了重力观测数据的数据库管理,重力场数据处理的自动化,野外重力测量布点仿真和重力场信息的图形可视化等功能.     

陆地重力精化技术软件平台的设计与实现

陆地重力精化技术是精确重力场信息、提供重力场应用保障的关键技术手段。介绍了陆地重力精化技术软件平台的设计思想和主要功能并对各部分涉及的关键技术进行了分析与阐述。软件平台由重力场数据处理、重力场数据应用与分析以及重力场数据可视化3部分组成。实现了重力观测数据的数据库管理,重力场数据处理的自动化,野外重力测量布点仿真和重力场信息的图形可视化等功能。     

论高精度卫星重力场模型和厘米级区域大地水准面的确定及水文学时变重力效应

阐述了联全新一代卫星重力测量数据、卫星测高数据及全球陆地重力数据确定高精度180阶全球重力场模型、以全球重力场模型为框架参考场、利用我国地面重力数据、GPS水准资料、数值高程模型和地形密度信息确定高分辨率cm级区域大地水准面的思想。指出了一个重点发展方向:利用GRACE卫星每30天的重力位模型分析时变重力场,联系合卫星测高同时相平均海面以及水文、气候和海洋模型,分析我国黄河流域和海洋地区水储量分布和海流季节性变化,并解释与气候要素变化的相关性。     

利用重力资料研究华北地区构造应力场

本文结合相关数据、模型和软件分别利用重力场、重力垂线偏差与构造应力场的内在关系式对华北地区陆地构造应力值进行了计算,通过对相关数据结果进行对比分析,总结并得出了华北地区重力总水平梯度、构造应力场和研究方法本身的一些规律和特征。     

远距离海岛高程基准传递关键技术研究

GNSS水准法远距离海岛高程基准传递方法基于GNSS测量的陆海大地高差,结合由重力、地形和重力场模型等信息拟合的高程异常差,求取陆海之间的正常高差;再结合陆地已知水准点成果,实现海岛高程基准的传递。对多源数据融合技术和基于重力场信息的高程异常融合技术进行了阐述,并以青岛市黄岛地区为例,验证了该方法的有效性。     

基于多尺度边缘约束的重力场信号的向下延拓

随着航空重力测量技术和卫星重力技术的发展,越来越多的空间重力资料可用于地球重力场的确定,但是由于空间重力观测值不在地球表面或大地水准面上,为了联合地面重力资料通常需要对空间重力数据进行向下延拓。由于重力场对高度敏感,向下延拓过程是不适定的,观测     

水下重力测量技术进展

首先介绍了水下重力测量的概念,阐述了水下重力测量的必要性;然后简要概述了水下重力测量技术的发展历程,比较了现有的两种主流测量方案（ROV水下重力测量和AUV水下重力测量）的优缺点,重点介绍了国内外水下重力测量近期的技术进展,包括加州大学基于二级拖体ROV的水下近海底重力测量试验和东京大学的AUV水下动态重力测量系列试验;最后分析了水下动态重力测量的研究重点并指出了其后续发展方向。     

全国及部分省市地区高精度高分辨率似大地水准面的研究和实施

结合我国重力和地形资料及国内外较优的重力场模型,研制适合我国重力场特征的360阶重力场模型WDM94;建立中国新一代分米级似大地水准面CQG2000,包括建立新的以GPS/水准为基础的高程异常控制网、利用海洋卫星测高数据计算海洋大地水准面、陆地重力似大地水准面的研制及陆海似大地水准面的拼接等;研制江苏省、海南省、深圳市、大连市、南京市及"南水北调"西线工程具有厘米级精度的局域似大地水准面模型;结合GPS技术和高精度似大地水准面模型,研制GPS测图软硬件一体化系统.本研究项目获得2004年度国家科技进步二等奖.     

解混合边值问题直接计算位系数的变分原理

本文提出了利用变分法解混合边值问题直接计算位系数的原理。根据这一原理可解第一、第二和第三边值问题的混合边值问题直接求得位系数。利用这一原理可较简单地联合利用经典重力测量(即重力点的平面位置由天文或三角测量确定,高程由水准或三角高程确定)、卫星重力测量(即利用卫星定位技术确定重力点的平面位置和大地高)以及卫星测高数据研究地球的重力场。     

海洋重力场特征统计模型计算与分析

海洋重力场特征参数在地球重力场逼近计算和海上测量优化设计中具有重要的应用价值。基于卫星测高重力在海域具有覆盖范围广且分布均匀的独特优势,提出了利用最新卫星测高重力数据集开展海洋重力场特征统计模型计算和分析的研究方案,给出了代表误差和协方差函数模型参数的计算公式,定义并研究了海洋广义布格重力异常的变化特征,提出了等精度和非等精度拟合经验协方差函数的计算模型。利用中国近海及西太平洋海区超过50万个5'×5'方块的1'×1'网格卫星测高重力异常数据,首次计算得到一组有代表性的中国周边海域重力场特征统计模型参数,较好地揭示了海洋重力场有别于陆地重力场的变化特征,利用海面船测重力数据对计算结果进行了可靠性检核,提出了相应的模型参数修正方案和使用建议。     

基于“浅层海水”质量法确定海洋内部层面重力值

经典物理大地测量学利用斯托克斯方法和莫洛金斯基方法解算大地测量边值问题并给出地球外部重力场表达,若忽略1~2 m量级的动力学海面地形,静止的平均海面可认为是大地水准面,后者是与平均海平面最为接近的重力等位面。经典理论无法求解海洋内部,即地球内部重力场问题,为解决这一局限,基于地表浅层法引入“浅层海水”的概念,“浅层海水”上下界面由平均海面高模型DTU21确定,利用牛顿积分和球谐展开算法确定了最优球谐分析迭代次数,分析了“浅层海水”厚度与积分区域半径大小的关系,确定了“浅层海水”厚度为100 m、500 m和1 000 m时的最优积分区域半径为1°,厚度4 000 m时为1.5°;评估了“浅层海水”质量法移去-恢复海洋表面重力值的精度,“浅层海水”厚度100 m、500 m、1 000 m和4 000 m的均方根误差分别为0.13 mGal、0.61 mGal、1.21 mGal和3.93 mGal,验证了该方法的可靠性。基于此理论,计算了不同厚度“浅层海水”下表面的层面重力值,得到了100 m、500 m、1 000 m和4 000 m深度处层面重力值与“浅层海水”上表面重力值差的均方根,分别为22.11 mGal、110.50 mGal、220.87 mGal和877.31 mGal。     

基于Laplace方程的垂线偏差法反演全球海域重力异常

海洋重力场模型反演的质量主要依赖于采用测高数据的精度、空间分辨率和数据分布密集程度。本文联合Geosat GM/ERM、ERS-1 GM/ERM、TOPEX/Poseidon、Envisat、Cryosat-2、Jason-1 ERM/GM和SARAL/AltiKa等多种测高观测数据集,深入比较了多种波形重跟踪算法的效果,回波数据重跟踪处理后的沿轨海面高标准差。统计表明,Sandwell算法优于MLE-4算法、Davis阈值法、改进阈值法和β参数拟合法;基于不同测高数据波形重采样的结果给出了沿轨海面梯度计算中低通滤波的参数选择方法,并采用Sandwell提出的垂线偏差法,反演了全球海域1′×1′的重力场模型。检核表明,反演结果与DTU13和SIO V23.1模型检核的差值均方根分别为3.4、1.8 mGal,与NGDC船测数据的检核精度为4~8 mGal,且本文模型在部分典型海区内精度更优。     

船载绝对重力仪测量系统的误差修正模型及不确定度分析

目前的激光干涉绝对重力仪均在静态环境下工作,而动态环境下的绝对重力测量是技术发展的热点之一。船载绝对重力测量能够很好地克服海洋相对重力测量仪器的零漂、标定、误差累积等问题,提高作业效率和可靠性。基于激光干涉绝对重力仪工作原理设计了一个船载绝对重力仪测量系统,该系统由绝对重力测量系统、陀螺仪稳定平台、力平衡式加速度计和GPS（global positioning system）组成。通过对影响船载绝对重力测量系统的垂直波动、纵摇横摇、水平波动以及厄特弗斯效应等4类干扰源进行分析,给出了该系统正常工作的动态限制条件、误差修正方法和修正精度,验证了在现有技术条件下,船载绝对重力仪测量系统的测量精度可以优于±1.1 mGal,为进一步的船载绝对重力测量实验提供理论支撑。     

局部地形改正快速计算的GPU并行的棱柱法

在重力归算中,局部地形改正在重力勘探、地壳结构分析和大地水准面计算等领域有着重要意义,但严格棱柱体积分公式计算效率低,而快速计算公式则会降低计算精度。本文利用CUDA并行编程平台,提出一种地形格网重新编码和严格棱柱体积分八分量拆解方法,实现了基于CPU+GPU异构并行技术的严格棱柱体积分计算地形改正快速并行算法,克服了GPU各个线程计算任务分配和线程计算超载问题,解决了局部地形改正的高分辨率、高精度严密公式的快速计算难题。通过试验,在显卡型号为Tesla V100的计算机上进行4°×6°范围,积分半径40'和分辨率1'的局部地形改正计算仅需1.5 s;分辨率10″的局部地形改正计算仅需14.6 min;进行分辨率3″的地形改正计算耗时45.7 h,而传统串行算法则难以完成计算。在保证微伽级以上计算精度的条件下,计算加速比最高达到850倍以上,有效缩短了计算耗时,提高了计算效率。本文还依据上述并行算法对全国范围地形改正量进行计算。结果表明,我国地形改正量普遍低于80 mGal（1 Gal=10^-2 m/s²）,平均值1.83 mGal,最大值达到196 mGal。     

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。     

单站区域电离层TEC建模及精度分析

为了分析单站区域电离层总电子含量(total electron content,TEC)模型的适用范围和精度,基于2～15阶次球谐函数,分别建立了欧洲区域16个单站区域电离层TEC模型,生成了区域格网TEC,并与欧洲定轨中心(Center for Orbit Determination in Europe,CODE)、...     

水文气象因素对中国北疆流动重力变化的影响

水文气象因素引起的重力变化是影响地震重力变化成果解释的重要因素。以中国北疆地区为研究区域,借助全球陆地数据同化系统（global land data assimilation systems,GLDAS）全球水文模型数据、大气模型数据,计算2016-01—2017-12时段内水文气象因素对研究区域的重力影响。计算结果表明,陆地水影响的年变化为1.3 μGal,两期陆地水影响空间分布的差异低于1 μGal;大气影响的年变化为8 μGal,两期大气影响空间分布的差异达到6 μGal。利用2016-04、2016-08和2017-06三期流动重力测量数据,对比扣除水文气象因素前后的重力变化,可以看出,在中国北疆流动重力数据处理中,大尺度水文因素可以不予考虑,气象因素应予考虑。同时,为更好分析流动重力变化,建议流动重力测量过程中同时开展测点附近的土壤湿度、大气气压等观测。     

木星探测器Juno精密定轨分析及低阶引力场解算

随着中国深空测控技术的进步和深空探测计划的推进,木星探测计划已经进入日程,木星探测器的精密定轨和木星的引力场的解算是木星探测中的重要研究内容。首先给出了木星探测器的坐标系统和动力学模型,并利用已公布的朱诺号木星探测器精密星历数据进行验证,动力学拟合结果与参考星历的位置偏差在10 m量级,速度偏差小于6 mm/s;然后利用深空多普勒测量模型处理已经发布的朱诺号无线电测量数据进行精密定轨,结果与参考星历的差距在数百米量级;最后利用仿真数据验证引力场系数解算的可靠性,并利用朱诺号探测器4个近木点附近的实测数据解算引力场系数,得到了截至8阶的带谐项系数。     

利用多源数据构建PWV混合模型

高精度和高时空分辨率的大气可降水量(precipitable water vapor, PWV)信息对于极端天气研究具有重要作用。传统的单一水汽探测技术获取的PWV因其系统设计的局限性存在精度差、时空分辨率低等缺陷。针对该问题,提出了一种基于多源数据的混合模型——全球温度气压湿度(global pressure and temperature 2 wet, GPT2w) +球谐函数（spherical harmonic function,SHF）+多项式拟合（polynomial fitting,PF),简称GSP模型。该模型通过GPT2w计算PWV的初始值,利用SHF拟合PWV的偏差序列,利用PF对模型偏差进行校正,并引入Bartlett检验确定GSP模型中多源数据的最优权值。选取2014年中国云南省26个全球导航卫星系统(global navigation satellite system, GNSS)测站和37个欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasting, ECMWF)气候再分析数据集(ECMWF reanalysis-interim, ERA-Interim)格网点(1°×1°)的数据为例,建立GSP模型并进行验证,发现GSP模型较传统PF模型的精度提升率为15%~18%。以ECMWF第5代气候再分析数据集(ECMWF reanalysis v5, ERA5)提供的PWV格网数据(0.25°×0.25°)为参考,GSP模型的平均均方根误差和偏差分别为1.64 mm、－0.25 mm。上述结果表明GSP模型具有较高的精度,对于极端天气预警具有重要作用。     

天问一号拓展任务对火星低阶重力场解算的潜在贡献分析

天问一号是中国首次独立开展的行星际探测任务,实现了对火星的环绕、着陆、巡视探测。天问一号正常科学任务阶段环绕以极轨设计为主,与历史火星任务类似,对当前火星重力场模型精度改进有限,因此其拓展任务轨道选取至关重要。通过对极轨圆轨道和近赤道大偏心率轨道进行仿真模拟,分析两种典型轨道构型对现有火星重力场模型改进的可能性,基于不同误差考量仿真解算了对应6个重力场模型。借助重力场功率谱分析,发现在测量噪声为0.1 mm/s的情况下,不论采用极轨还是近赤道轨道,一个月的跟踪数据均可较好地反演出42阶次的火星重力场模型;考虑综合误差影响之后,发现两种轨道对于重力场解算精度类似,其中实施近赤道大偏心率轨道对35阶次以上约束略强。