利用CHAMP卫星几何法轨道恢复地球重力场模型

介绍了利用CHAMP几何法轨道恢复地球重力场模型的基本原理和算法,提出了基于牛顿数值微分公式并辅助移去-恢复方法计算卫星速度的算法.利用现有重力场模型标定CHAMP加速度计数据的差分算法,采用Technical University of Munich（TUM）提供的CHAMP几何法轨道,计算出了三组50×50地球重力场模型.与GRIM5_C1、EIGEN_1S和EIGEN_2模型的比较表明,无论位系数差值阶方差或大地水准面差值,恢复出的模型与EIGEN_2模型都最接近.利用北极实测重力数据对上述模型进行了检验,结果显示,本文得到的三组模型均优于GRIM5_C1模型,且与EIGEN_1S、EIGEN_2模型精度相当.     

基于改进的能量守恒方法恢复CHAMP重力场模型

利用CHAMP卫星轨道和加速度计数据推求地球重力场模型的一种有效方法是能量守恒方法.本文基于能量守恒方程,推导了整体求解尺度、偏差、积分常量和位系数的计算公式,提出了整体求解位系数、积分常量、尺度和偏差参数的重力场恢复方法-改进的能量法.该方法摆脱了目前使用能量法时,必须预先通过其它外部手段标定加速度计数据以及积分常量通过近似计算获取的现状.基于德国慕尼黑技术大学(TUM)提供的约300天的CHAMP卫星几何法轨道和GFZ提供的加速度计数据,计算出了60×60阶地球重力场模型XISM-CHAMP1S,并与EIGEN-CG03C、EIGEN-CHAMP03S、EIGEN2、ENIGN1S、EGM96模型进行了比较.结果表明:XISM-CHAMP1S模型精度明显优于相同阶次EGM96、EIGEN1S和EIGEN2,与同阶次的EIGEN-CHAMP03S模型精度最为接近.     

基于配置法的局部重力场延拓模型构建与应用分析

在大地坐标系下利用Forsberg局部扰动位协方差模型（即DPM模型）导出了实用的局部重力异常协方差模型（即GAC模型）和局部扰动重力协方差模型（即GDC模型）,两种模型形式完全一致.针对GAC模型,提出了两种模型参数的拟合方法,即按照泊松积分向上延拓获得的不同高度数据进行拟合以及按照测量区域的平面实测数据进行拟合,通过某地区的实测数据检验得出两种参数拟合方法得到的参数值相差不大,这种差别在向上和向下延拓过程中的影响可以忽略.依据本文的算例,GAC模型作为配置法的协方差模型用于延拓时,其向上延拓的精度在1.8×10－5 m·s-2左右,向下延拓的精度在5×10－5 m·s-2左右,完全满足局部重力场在中等山区的延拓要求.通过对不同高度下GAC模型用于延拓效果的对比,可以得出基于GAC模型的延拓精度随着高度的增加而衰减,在满足测量精度要求下其最大向下延拓高度约为7 km.总体而言,本文推导的GAC模型能够很好地利用地形数据,较好地满足了航空重力测量在局部重力场的延拓要求.     

两种识别结构模态参数时域法的对比研究

模态参数是有效评估结构安全状况的关键参数,在结构抗震加固和健康诊断领域得到广泛应用。与频域法相比较,时域法直接利用实测的振动信号识别模态参数,不需要进行频域变换,减少数据处理带来的误差,并且可以实现大型结构的在线识别,真实地反应结构的现状。以同济大学12层钢筋混凝土标准框架振动台模型试验完整数据为对象,在详细介绍ITD法和复指数法2种时域法理论的基础上,通过编程选取结构不同测点的振动加速度时程数据,识别了小震和强震工况下12层钢筋混凝土框架模型振动台试验模型的模态频率和阻尼比,并结合移动谱识别结构模态参数的时变特性。结果表明:ITD法和复指数法可有效地识别结构的模态参数,自振频率的识别精度较高,而阻尼比的离散度较大;小震工况频率变化值不大,而强震工况频率值较初始时刻有明显的下降,这与试验现象是吻合的,进一步说明移动谱与这2种时域法相结合可以反应结构在塑性阶段的参数时变特性。     

基于时空域混合法利用Kaula正则化精确和快速解算GOCE地球重力场

为了研究卫星重力梯度技术对中高频地球重力场反演精度的影响,本文基于时空域混合法,利用Kaula正则化反演了250阶GOCE地球重力场.模拟结果表明:第一,时空域混合法是精确和快速求解高阶地球重力场的有效方法;第二,Kaula正则化是降低正规阵病态性的重要方法;第三,基于改进的预处理共轭梯度迭代法可快速求解大型线性方程组...     

基于卫-卫跟踪观测技术利用能量守恒法恢复地球重力场的数值模拟研究

根据卫－卫跟踪观测技术的测量原理,基于能量守恒法建立了一种新的双星相互跟踪和三星相互跟踪的卫星观测方程. 通过数值模拟,采用预处理共轭梯度法恢复120阶地球重力场. 模拟结果表明：第一,双星相互跟踪恢复地球重力场的精度和美国喷气动力实验室公布的EIGEN GRACE02S的结果相符合;第二,三星相互跟踪恢复地球重力场的精度较双星提高约2倍.     

最大熵时域逆散射层析成像的研究

用最大熵求解二维时域逆散射问题的层析成像算法反演井间、ＶＳＰ和ＳＲＰ中的二维介质波速分布。首先给出时域散射场与介质扰动的关系式,然后,应用最大熵剑桥算法从所有满足时域散射数据的模型中挑选图像熵最大的模型作为反演结果,并给出了该算法的实现步骤。数值试验的结果表明,本文算法用于反演含噪声,不完全的时域波场数据时,十分有效。     

基于半解析法有效和快速估计GRACE全球重力场的精度

首先基于半解析法建立了新的GRACE卫星K波段测量系统星间测速、GPS接收机轨道位置和加速度计非保守力误差联合影响累计大地水准面的误差模型;其次,基于各关键载荷精度指标的匹配关系,论证了误差模型的可靠性;最后,基于美国喷气动力实验室（JPL）公布的2006年的GRACE Level 1B实测误差数据,有效和快速地估计了120阶全球重力场的精度,在120阶处累计大地水准面的精度为18.368 cm,其结果和德国地学研究中心（GFZ）公布的EIGEN-GRACE02S全球重力场模型符合较好. 本文的研究为将来国际卫星重力测量计划（如GRACE Follow-On, 360阶）中高阶全球重力场模型精度的有效和快速估计提供了理论基础和计算保证.     

探地雷达时域多分辨法(MRTD)三维正演模拟

应用小波伽略金方法,对Maxwell方程进行离散化,导出了DB2-MRTD算法的探地雷达3D差分公式、数值稳定性条件.在此基础上,开发了探地雷达MRTD(multi-resolution time domain)法正演模拟程序,该程序极大地提高了运算速度,改善了三维探地雷达正演方法,并利用该自制程序,对三角形金属体模型进行了正演模拟,得到了其相应的正演合成三维剖视图及切片图,通过对这些模拟结果进行分析,可以加深对三维雷达反射特征的认识,提高探地雷达探测的可靠性、准确度,同时也说明时域多分辨率法在探地雷达三维正演模拟中的有效性.     

等效源法三维随机点位场数据处理和转换

为了实现曲面随机点位场数据的曲面延拓和转换,以磁异常位场数据为例,采用一组磁偶极子作为等效源,置于观测面下方的一个曲面上,把观测磁异常作为这组磁偶极子所产生磁异常的边界条件,通过求解线性方程组的方法反演磁偶极子磁矩的大小,再根据反演结果正演所要计算的磁异常数据,实现了曲面随机点磁异常位场数据的向上延拓、向下延拓、求导以及化极处理.在数据量较大时,为了提高反演计算的速度,把磁异常数据和磁偶极子分成若干小块,再利用各块磁异常数据分别反演该块数据下方磁偶极子的磁矩,并通过迭代计算来逐步取得更准确的反演结果.模型试验表明,磁异常位场数据向上延拓的均方根误差小于±2nT,向下延拓和化极也可以取得较高的精度,所提出的分块处理方法提高了延拓和转换的速度,实际资料处理给出了曲面随机点航磁异常数据向下延拓和化极的一个例子.     

利用动力学方法解算GRACE时变重力场研究

本文利用动力学方法建立GRACE (Gravity Recovery And Climate Experiment) K波段距离变率 (KBRR)观测、轨道观测与重力场系数的观测方程, 通过GRACE Level 1B观测数据,成功解算出全球月时变重力场模型——IGG时变重力场模型,并将2008—2009年的解算结果与GRACE三大数据处理机构美国德克萨斯大学空间中心CSR (Center for Space Research)、美国宇航局喷气推进实验室JPL(Jet Propulsion Laboratory)和德国地学研究中心GFZ (GeoForschungs Zentrum) 发布的最新全球时变重力场模型进行详细对比分析.结果表明:IGG结果在全球质量异常、中国及周边地区质量异常的趋势变化、全球质量异常均方差、2~60每阶位系数差值以及亚马逊流域和撒哈拉沙漠等典型区域平均质量异常等方面与CSR、JPL和GFZ解算的RL05结果较为一致.其中,IGG解算结果在2~20阶与CSR、GFZ和JPL最新解算结果基本一致,20~40阶IGG解算结果与GFZ、JPL单位最新解算结果较为接近,大于40阶IGG结果介于CSR与GFZ、JPL之间;亚马逊流域平均质量异常周年振幅IGG、CSR、GFZ和JPL获取到的结果分别为17.6±1.1 cm、18.9±1.2 cm、17.8±0.9 cm和18.9±1.0 cm等效水柱高.利用撒哈拉沙漠地区的平均质量异常做反演精度评定,IGG、CSR、GFZ和JPL的时变重力场获取到的平均质量异常均方差分别为1.1 cm、0.9 cm、0.8 cm和1.2 cm,表明IGG解算结果与CSR、GFZ和JPL最新发布的RL05结果在同一精度水平.     

Highly-reduced dynamic orbits and their use for global gravity field recovery: A simulation study for GOCE

The so-called highly reduced-dynamic (HRD) orbit determination strategy and its use for the determination of the Earth’s gravitational field are analyzed. We discuss the functional model for the generation of HRD orbits, which are a compromise of the two extreme cases of dynamic and purely geometrically determined kinematic orbits. For gravity field recovery the energy integral approach is applied, which is based on the law of energy conservation in a closed system. The potential of HRD orbits for gravity field determination is studied in the frame of a simulated test environment based on a realistic GOCE orbit configuration. The results are analyzed, assessed, and compared with the respective reference solutions based on a kinematic orbit scenario. The main advantage of HRD orbits is the fact that they contain orbit velocity information, thus avoiding numerical differentiation on the orbit positions. The error characteristics are usually much smoother, and the computation of gravity field solutions is more efficient, because less densely sampled orbit information is sufficient. On the other hand, the main drawback of HRD orbits is that they contain external gravity field information, and thus yield the danger to obtain gravity field results which are biased towards this prior information.     

顾及非线性改正的动力学方法反演GRACE时变重力场模型

本文利用解的叠加原理求解了轨道扰动微分方程组,构建了扰动位系数与轨道和星间距变率的观测方程,并分别引入非线性改正项.通过惯性坐标系与运动坐标系的转换求解状态转移方程组,分析了观测方程的低频误差特征,导出了目前常用的消除剩余星间距变率低频误差的五参数或七参数经验公式.此外,根据非惯性力模型误差是分段标定的特点,提出利用三次样条函数来处理低频误差,通过模拟计算表明三次样条函数处理低频误差略优于七参数.最后,处理实际的GRAEC Level-1b数据,解算了2006年1月至2009年12月期间的月时变重力场模型UCAS_Grace01,通过在不同区域进行比较可以得出本文计算的时变重力场模型与国际官方机构精度基本是一致的结论.

     

重力场向下延拓Milne法

重力场向下延拓能够突出局部和浅部的异常信息,分离叠加的异常特征.但是向下延拓通常具有过程不稳定、下延深度小、结果不准确等问题.针对向下延拓所存在的不足,本文利用重力场及其垂向一阶导数,基于辛普森（Simpson）求积公式,推导出重力场向下延拓米尔尼（Milne）公式.将本文向下延拓方法应用于模型数据,向下延拓模型结果及误差曲线表明,相对于向下延拓快速傅里叶变换（FFT）法和积分迭代法,向下延拓Milne法的深度更大,相对误差更小;相对模型值,向下延拓Milne法能够获得稳定且准确的结果.对加拿大乃查科（Nechako）盆地地区实测航空重力数据进行本文方法向下延拓验证,处理结果表明,相对于实测异常,本文方法向下延拓结果能够很好还原实测数据,并且在进一步向下延拓中反映原始异常的趋势,增强局部和细小异常信息.

     

顾及多方向观测值权比反演地球重力场的动力积分法

考虑到不同坐标系下各个方向观测值对反演地球重力场的频谱贡献不同,建立了顾及多方向观测值权比的动力积分法,并利用该方法反演了高精度的GOCE HL-SST卫星重力场模型.首先,分析了不同坐标系下各个方向观测值与地球重力场信息的响应关系,其中惯性系(IRF)下X、Z方向的观测值分别对扇谐系数、带谐系数最为敏感,Z方向的解算精度在全频段均略高于X、Y方向;地固系(EFRF)下各个方向的独立解算精度均与能量守恒法的解算精度相当;局部指北坐标系(LNOF)下X、Z和Y三个方向的解算精度依次递减,且Y方向在47阶附近有明显"驼峰"现象.其次,比较了不同坐标系下顾及三个方向观测值权比的加权解算模型,其中加权联合解算模型精度在20至70阶次均明显优于等权解算模型,在带谐项和共振阶次精度提升明显,且LNOF下的加权联合解算精度要优于IRF和EFRF.最后,比较了GOCE和CHAMP卫星的模型解算精度,采用本文计算方法,仅利用2个月GOCE轨道观测值解算的模型精度优于包含更长观测时段信息的AIUB-CHAMP01S和EIGEN-CHAMP03S模型,且略优于ASU-GOCE-2months模型.     

模拟分析低低跟踪模式重力卫星反演地球重力场的精度

本文利用卫星重力反演与模拟软件ANGELS系统(ANalyst of Gravity Estimation with Low-orbit Satellites)对低低跟踪模式的重力卫星的关键载荷精度指标进行了深入分析.模拟结果表明: (1) 对短弧长积分法而言,在低低跟踪模式的关键载荷精度指标中,重力场反演精度对星间距离变率精度最为敏感; (2) 通过对目前在轨运行GRACE的载荷指标进行分析,发现轨道数据的误差主要影响重力场的低阶部分(约小于25阶),较高阶次部分(约大于26阶)主要受星间距离变率的误差限制; (3) 如果下一代低低跟踪模式的重力卫星的目标之一是把重力异常反演精度较GRACE提高约10倍,则在保持轨道高度和GRACE相同的前提下,轨道、星间距离变率和星载加速度计等关键载荷指标需要达到的最低精度分别约为2 cm、10 nm·s-1和3.0×10-10 m·s-2; (4) 轨道精度和混频误差将是影响下一代低低跟踪模式重力卫星重力场恢复能力进一步提高的主要制约因素,距离变率精度和加速度计精度存在盈余.     

基于优选延拓的重力异常分离方法及其应用(英文)

本文在Pawlowski优选延拓思想的基础上,提出了在深源长波长信息和浅源短波长信息互不相关、延拓高度足够大的前提下,基于优选向上延拓算子的重力异常分离方法与步骤,通过分析理论模型重力异常分离算子的频率响应随不同延拓高度的变化规律,给出了估计最佳延拓高度的办法.利用本文方法对某铁矿区实际重力异常进行处理,有效地分离出了区域异常和局部异常,异常分离效果好.