基于地球物理信息构建全球重力异常模型方法的探讨

平均重力异常是地球重力场的基本数据,在垂线偏差、高程异常、扰动重力等的计算中都要用到平均重力异常。本文在全球高程、地壳密度、海深等地球物理信息的基础上,依据均衡理论和逆威宁-曼尼兹公式两种推估重力异常的方法,在理论上对构建全球重力异常模型进行了探讨。     

利用Surfer8.0软件对重力异常数据格网化方法的研究

一、前言 平均重力异常是地球重力场的基本数据，用途十分广泛。在垂线偏差、高程异常、扰动重力等的计算中都要用到平均重力异常数据。高分辨率的平均重力异常数据是求解高精度、高分辨率的垂线偏差、高程异常、扰动重力数据的基本保障。但是，对于一些地形比较复杂、重力实测点稀疏的地区，需要对实测的数据进行一定的处理以满足高分辨率重力异常数据的要求。     

重力数据库的结构和应用

<正> 一、前言重力数据是研究大地水准面和地球外部重力场的基本数据,也是地球物理和地质研究工作的重要数据之一。这些工作对重力数据的要求,在数量上往往是众多的;在区域上,一般需要成片,有时甚至是全国或全世界的重力资料;在内容上,不仅需要已观测的单点重力值,也要经过比较复杂的数字加工的数据,如各种归化后的重力异常,未测重力地区的推估重力异常等等;在数据的格式上,既要求有点值,也要求有各种不同格网密度的平均重力数据,甚至各种类型的等值线图等等。若将数据库技术应用于重力数据中,就能很方便地提供上述各类重力数     

海底地形高次项对海面重力信息影响分析

为了尽可能利用海面重力数据所含地形相关信息,提升依据重力数据反演海底地形结果质量,选择南中国海为试验海区,详细研讨了频率域不同阶次海底地形正演恢复海面重力异常和重力异常垂直梯度在不同海底地形环境下的影响。数值分析试验结果表明,一次项海底地形正演结果对重力信息贡献起主要作用,随着海底地形阶次的增加,相应阶次海底地形正演海面重力信息的幅度不断减弱;海底地形起伏剧烈且起伏幅度较大海区,高阶次海面重力异常和重力异常垂直梯度变化明显,而地形平坦海区正演的海面重力信息变化微弱;重力异常垂直梯度相比重力异常对海底地形高频部分更加敏感,在试验海区依据海面重力数据反演海底地形过程中,若输入数据源为重力异常,建议顾及至二次项海底地形,若输入数据源为重力异常垂直梯度,建议顾及至三次项或者四次项海底地形,从而尽可能利用海面重力数据所包含信息。     

地球外部扰动引力场确定的数据空间分布结构

在对各类平均重力异常的谱特征分析的基础上，通过对积分区外高频谱误差的估计，给出了在一定精度指标下各类平均重力异常数据积分区的分布；提出了一种反映局部重力场特征的重力异常阶方差模型。讨论了平均重力异常的重点力布设。本文研究的主题虽然是空中扰动引力确定的数据结构问题，但对于地面上的高程异常和垂线偏差确定具有相类似的参考作用。     

垂线偏差-大地水准面与逆范宁-梅尼兹公式的应用——联合多种卫星测高数据求解全球海平面与海洋重力异常

卫星测高开辟了地球科学研究的新纪元。平均海面高(MSSH)和海洋重力异常是卫星测高在大地测量和地球物理应用领域的重要成果。平均海面高对于建立全球潮汐模型、海平面变化研究以及海洋测深等方面有重要意义。关于海洋重力异常的应用,Sandweel与Smith(1997)已进行了说明。根据卫星测高数据计算垂线偏差(DOV)是恢复重力异常的一个新途径。对利用改进的卫星测高数据进一步提高全球平均海面高和重力异     

用T/P测高数据反演海域重力异常

以反解 Stokes公式为数学模型 ,应用由 T/ P测高数据计算的大地水准面高反演了海域平均重力异常 ,并与船测平均重力异常和 OSU91A位模型计算的平均重力异常进行了比对分析 ,得出了一些有益的结论。     

渤海湾航空重力及其在海域大地水准面精化中的应用

近海航空重力数据在陆海大地水准面统一中起着重要作用。近3年来,利用我国首套航空重力测量系统(CHAGS)完成了渤海湾地区近20万平方千米的5′×5′格网平均重力异常数据的获取。本文首先介绍了渤海湾地区航空重力测量的概况,给出航空重力测量数据的处理要点;然后,详细讨论了航空重力测量的精度评估方法,其中针对该区域的测线布设特点,提出了"重叠格网比较法"以评估格网平均重力异常的内符合精度。结果表明,对于5′的波长分辨率,交叉点重力异常不符值在抗差后的中误差约为1.5 mGal,重叠格网法获得的5′×5′格网平均重力异常的中误差约为1.6 mGal;5′×5′格网重力异常与卫星测高和船测重力的比较精度优于3.0mGal;由航空重力测量获得的1°×1°格网平均重力异常与GOCE卫星重力位模型的计算值相比较,其系统性差异小于0.5 mGal、中误差约为2.7 mGal。利用航空重力数据后,渤海湾区域大地水准面与16个GPS水准点的比较精度由EGM2008模型的约23 cm提高到约12 cm。     

重力场对飞行器制导的影响及海洋重力测线布设

重点围绕远程飞行器飞行轨道控制保障需求,开展了空中扰动引力计算和地面重力异常测量精度指标及海洋重力测量测线布设方案的分析与论证。首先通过解析和简化飞行器导航误差解表达式,定量估计了地球重力场对远程飞行器飞行轨迹的影响,并以一定量值的落点偏差为限定指标,研究论证了空中扰动引力的计算精度要求。在此基础上,通过对地面重力异常截断误差及数据传播误差的估计和分析,研究确定了地面/海面网格平均重力异常的观测分辨率和计算精度指标。以此为依据,提出了相对应的海洋重力测量测线布设方案,并通过数值计算验证了所提方案的合理性和有效性。     

高度计测距精度对沿轨迹重力异常反演的影响

应用求解沿轨迹重力异常的垂线偏差法以及求解空间分辨率的交叉谱分析法,建立了高度计测距精度与沿轨迹重力异常反演精度以及空间分辨率的关联性模型。首先依据卫星测高原理,给出了沿轨迹重力异常的误差传播公式,然后以此为基础通过推导交叉谱分析中一致性系数与信噪比的数学表达式,建立了高度计测距精度与空间分辨率的解析关系。数值仿真结果表明:雷达高度计测距精度与沿轨迹重力异常反演精度成正比关系,与空间分辨率成幂函数关系,即高度计测距精度提高m倍,沿轨迹重力异常反演精度提高m倍,全球海域平均空间分辨率提高m0.464 4倍。将数值仿真结果与相关文献中对实际测高数据的处理结果进行比较,验证了理论分析及模型的正确性。     

船载重力测量数据不同测区系统偏差纠正方法研究

分析了我国近海海域船载重力测量数据特征,并提出了消除不同测区之间重力测线上重力异常存在系统偏差的方案。提出了参考线的选择标准,利用参考测线上交叉点处的残差重力异常不符值,纠正其他测线重力异常的新思路。结果表明,对测线重力进行纠正后,不同测区的重力值不存在系统偏差,交叉点处不符值明显改善,测线上纠正后重力异常明显优于纠正前的重力异常。     

重力辅助惯性导航中重力归算的垂直梯度计算

重力辅助惯性导航技术是利用地球物理特征信息数据—重力来完成水下运动载体的辅助导航与定位。为了实现水下运动载体上重力传感器输出的实测重力信息与重力数据库中存储的重力信息之间的匹配,首先必须将这两类数据归算到一个平面。本文研究分析了重力归算中重力垂直梯度求解的各种方法;探讨了不同数值积分区域对扰动重力垂直梯度精度的影响;并通过计算分析,提出了可以直接以重力异常垂直梯度代替扰动重力垂直梯度来求取重力垂直梯度。     

Geoid and high resolution sea surface topography modelling in the mediterranean from gravimetry,altimetry and GOCE data: evaluation by simulation

The determination of local geoid models has traditionally been carried out on land and at sea using gravity anomaly and satellite altimetry data, while it will be aided by the data expected from satellite missions such as those from the Gravity field and steady-state ocean circulation explorer (GOCE). To assess the performance of heterogeneous data combination to local geoid determination, simulated data for the central Mediterranean Sea are analyzed. These data include marine and land gravity anomalies, altimetric sea surface heights, and GOCE observations processed with the space-wise approach. A spectral analysis of the aforementioned data shows their complementary character. GOCE data cover long wavelengths and account for the lack of such information from gravity anomalies. This is exploited for the estimation of local covariance function models, where it is seen that models computed with GOCE data and gravity anomaly empirical covariance functions perform better than models computed without GOCE data. The geoid is estimated by different data combinations and the results show that GOCE data improve the solutions for areas covered poorly with other data types, while also accounting for any long wavelength errors of the adopted reference model that exist even when the ground gravity data are dense. At sea, the altimetric data provide the dominant geoid information. However, the geoid accuracy is sensitive to orbit calibration errors and unmodeled sea surface topography (SST) effects. If such effects are present, the combination of GOCE and gravity anomaly data can improve the geoid accuracy. The present work also presents results from simulations for the recovery of the stationary SST, which show that the combination of geoid heights obtained from a spherical harmonic geopotential model derived from GOCE with satellite altimetry data can provide SST models with some centimeters of error. However, combining data from GOCE with gravity anomalies in a collocation approach can result in the estimation of a higher resolution geoid, more suitable for high resolution mean dynamic SST modeling. Such simulations can be performed toward the development and evaluation of SST recovery methods.     

对应各类重力场边值的调和性扰动场源解

从实际应用的需要出发，本文对现代物理大地测量学及地球物理学研究中日益关注的高和性扰动场源问题的求解模式进行了推演和分析。建立起在边界条件分别为扰动位、扰动重力、重力异常以及其中两类以上同时作为边界输入的情况下，对应的调和性扰动场源的球谐函数表达式及封闭解式。进而对调和性扰动场源在物理大地测量及地球物理中应用的有关问题进行了评注。     

不同椭球变换的物理方法

本文采用物理方法讨论不同椭球变换的问题，论证了重力位低阶球谐系数与大地坐标系转换参数的关系，说明几何法转换模型（即大地坐标微分公式）不过是取至二阶次的谐函微分公式，为了提高转换精度，应该采用较高阶次的物理法微分公式（即球面正交多项式）作为不同系统的转换模型。     

Relation between geoidal undulation, deflection of the vertical and vertical gravity gradient revisited

The vertical gradients of gravity anomaly and gravity disturbance can be related to horizontal first derivatives of deflection of the vertical or second derivatives of geoidal undulations. These are simplified relations of which different variations have found application in satellite altimetry with the implicit assumption that the neglected terms—using remove-restore—are sufficiently small. In this paper, the different simplified relations are rigorously connected and the neglected terms are made explicit. The main neglected terms are a curvilinear term that accounts for the difference between second derivatives in a Cartesian system and on a spherical surface, and a small circle term that stems from the difference between second derivatives on a great and small circle. The neglected terms were compared with the dynamic ocean topography (DOT) and the requirements on the GOCE gravity gradients. In addition, the signal root-mean-square (RMS) of the neglected terms and vertical gravity gradient were compared, and the effect of a remove-restore procedure was studied. These analyses show that both neglected terms have the same order of magnitude as the DOT gradient signal and may be above the GOCE requirements, and should be accounted for when combining altimetry derived and GOCE measured gradients. The signal RMS of both neglected terms is in general small when compared with the signal RMS of the vertical gravity gradient, but they may introduce gradient errors above the spherical approximation error. Remove-restore with gravity field models reduces the errors in the vertical gravity gradient, but it appears that errors above the spherical approximation error cannot be avoided at individual locations. When computing the vertical gradient of gravity anomaly from satellite altimeter data using deflections of the vertical, the small circle term is readily available and can be included. The direct computation of the vertical gradient of gravity disturbance from satellite altimeter data is more difficult than the computation of the vertical gradient of gravity anomaly because in the former case the curvilinear term is needed, which is not readily available.     

卫星重力梯度向下延拓的谱方法

本文提出在平面近似下解算卫星重力梯度向下延拓问题的谱方法，并采用模拟数据进行了试算，结果表明该方法是有效的。这为利用卫星重力梯度数据精化局部重力场提供了可供参考的方法。     

四维整体大地测量的有限单元法

本文以有限单元法为基础，将四维整体大地测量模型与固体力学方程求解构造应力场结合起来，在四维整体大地测量方程中加入了由地壳构造运动产生的地面点重力变化的观测方程，其中包含测点的位移参数，边界结点上待求以数利用有限单元法在四维整体大地测量平差过程中推估，采用统一的插值函数。     

卫星重力与地球重力场

卫星重力探测技术可获取全球均匀覆盖的地球重力场信号。以GRACE为代表的卫星跟踪卫星（satellite—to—satellite tracking,SST）计划为人类提供了前所未有丰富的中长波尺度的全球地球重力场信息。本文包含两部分研究内容：一是给出基于能量守恒原理的GRACESST重力观测方程,并采用此方法以实测GRACE观测数据求解得到120阶的GRACE地球重力场模型WHU—GM—05,并同国际上具有代表性的类似模型进行了分析比较;二是采用解析方法分析了SST观测系统中KBR、ACC、星载GPS等有效栽荷误差与获取地球重力场信号性能的响应,为我国SST设计和实施提供参考。