计算Legendre函数导数的非奇异方法

引力场关于经度和纬度方向的梯度在两极附近会产生奇异性现象,这将会给诸如重力场和静态洋流探索(GOCE,Gravity field and stesdy-state Oceam Circulation Explorer)数据处理等引力场的研究工作带来诸多不便和困难。这里首先分析了该奇异性产生的原因,即目前采用的球坐标系自身在两极处是奇异的;然后利用Legendre函数的性质推导了一组不含任何奇异性的计算引力场梯度的计算公式;最后与常用的迭代方法进行了实例计算比较,结果表明所导出的公式不仅计算精度大大提高,而且计算用时也不会增加。     

引力场梯度张量的非奇异公式推导

传统的引力场梯度计算公式在两极附近存在奇异性,需要换用其他的非奇异计算公式。从奇异性产生的原因入手,并结合勒让德函数的有关性质,推导了一组新的计算公式。实际计算验证了该公式的正确性和有效性。     

Theory and Methods of the Earth＇s Gravity Field Model Recovery from GOCE Data

研究GOCE卫星测量恢复地球重力场模型的理论与方法。论文的主要工作和创新点有： （1）建立扰动重力梯度张量各分量没有奇异性的详细计算模型,解决重力梯度张量Txx分量在两极地区计算的奇异性难题。     

极地空白对GOCE引力场恢复的影响

结合引力梯度不变量算法,采用球谐分析方法讨论极区空白对引力场恢复的影响。首先推导空白区对位系数恢复的影响公式,然后通过模拟计算分析空白区的影响量级和特点。结果表明,由于正交性遭到破坏,各阶之间会相互影响,特别是对低次的影响比较显著;采用"移去恢复法"可削弱极地空白带来的精度损失,但不同的先验模型会使得最终的解有差异;但在远离两极的区域,大地水准面的精度主要受观测值的精度所控制。     

一种改进的计算中央区扰动引力梯度对角线分量方法

针对利用Stokes公式计算邻近地面点扰动引力梯度时,径向分量的计算出现奇异性,积分中央区对水平分量的忽略导致扰动引力梯度对角线三分量之和不满足拉普拉斯方程的现象,引入了双二次多项式插值和变量替换技术,推导了扰动引力梯度对角线三分量在中央区的改进计算方法.分别利用仿真数据和真实数据开展了计算验证工作,并将计算结果与泰勒...     

极地空白对GOCE引力场恢复的影响研究

由于倾角大约为96.7°,GOCE卫星的观测值在地球两极附近分别有球冠半径约为6.7°的空白区域。本文结合引力梯度不变量算法,采用球谐分析方法讨论了极区空白对引力场恢复的影响。文中首先推导了空白区对位系数恢复的影响公式,然后通过模拟计算分析了空白区的影响量级和特点。结果表明: 由于正交性遭到破坏,各阶之间会相互影响,特别是对低次的影响比较显著;采用“移去恢复法”可有效解决极地空白带来的精度损失问题,但不同的先验模型会使得最终的解有差异;然而,尽管极区有空白且模型的整体精度将受参考模型的影响,在非极区GOCE仍可提供厘米级的大地水准面。     

利用改进的Hotine积分确定地球外部重力场

为解决Hotine积分计算低空扰动引力径向分量时的奇异性问题,本文从Hotine积分公式入手,分析了产生奇异性的原因及其影响;并在此基础上根据分区原理推导出Hotine积分的无奇异公式,本文算法将内区视为扰动重力值相等的微小平面,直接进行数学积分以消除奇异性,最后从理论上阐述了本文算法的优势。数值试验结果表明,相较于传统方法,改进后的Hotine积分在整个积分区域内连续,地表附近扰动引力径向分量的计算结果奇异性消除,而且高度越低,精度越好。此外,经过改化,Hotine积分核函数变为边界面上扰动重力差分形式,这减弱了远区地面数据对计算结果的影响,改进后的Hotine积分对地面数据的需求量相比于传统算法降低了近20倍,而且高度越低,对积分半径的要求越低。本文算法适用于低空外部重力场计算,而且效能较高。     

GOCE卫星测量恢复地球重力场模型的理论与方法

研究了GOCE卫星测量恢复地球重力场模型的理论与方法。论文的主要工作和创新点有： (1) 建立了扰动重力梯度张量各分量没有奇异性的详细计算模型,解决了重力梯度张量Txx分量在两极地区计算的奇异性难题。 (2) 系统研究了卫星重力梯度数据向下延拓的解析法、泊松积分迭代法和卫星重力梯度数据格网化的移动平均法、反距离加权法、普通克里金法,建立了相应的数学模型,导出了相应的计算公式,并采用“直接法”和“移去-恢复法”两种方案对其向下延拓和格网化效果进行了测试。 (3) 分析了能量守恒方程中各项误差对沿轨扰动位计算结果的影响,建立了利用GOCE模拟数据确定地球重力场的最小二乘直接法、调和分析法、最小二乘配置法的实用数学模型,并做了大量的模拟计算。 (4) 建立了利用扰动引力梯度张量各单分量和组合分量确定地球重力场的最小二乘直接法去奇异性计算模型;推导了利用扰动引力梯度张量单分量和组合分量解算地球重力场的调和分析法模型;进一步推导了扰动引力梯度张量各个分量之间的自协方差和互协方差函数及其与引力位系数之间协方差函数的具体计算公式。 (5) 推导了利用不同类型重力测量数据确定地球重力场的联合平差法数学模型,介绍并分析了模型中各类数据最优定权的参数协方差法和方差分量估计法。 (6) 论述了谱组合法的基本原理,给出了多种类型重力测量数据联合处理的谱权及谱组合的通用表达式,基于调和分析方法推导了SST+SGG、SST+SGG＋Δg和SST+SGG＋Δg+N恢复地球重力场模型的谱组合公式及对应谱权的具体形式。 (7) 推导了利用迭代法联合不同类型重力测量数据反演地球重力场模型的基本原理公式,并给出了其具体实现步骤。 (8) 分析并计算了重力卫星轨道高度、卫星星间距离和卫星轨道倾角的设计指标;讨论了双星轨道长半轴的一致性要求、双星姿态俯仰角的控制要求以及双星编队保持机动的时间间隔要求。 (9) 确定了KBR系统的星间距离、星间距离变化率和星间加速度的精度指标;设计了星载GPS系统的卫星轨道位置和速度以及加速度计测量的精度指标;计算了加速度计检验质量质心到卫星质心的调整距离精度指标;分析了恒星敏感器的姿态角测量精度和稳定度;计算了参考重力场模型对于累计大地水准面精度和积分卫星轨道的影响。 (10) 研制了一套利用卫星重力测量数据反演地球重力场模型的软件平台,可对卫星重力测量数据处理及其精度评估提供一些基本方法,并为我国卫星重力测量系统的总体战技指标和主要有效载荷技术指标的量化分析、论证提供理论和技术支持,为我国未来的卫星重力测量系统提供可能的积累和参考。     

联合GOCE轨道和梯度数据反演地球重力场模型

基于Fortran语言编写了一套恢复重力场模型的软件系统实现GOCE卫星。基于傅里叶展开式设计了一种重力梯度的滤波方法。分别对GOCE PKI轨道数据和引力梯度数据进行了反演计算,恢复了几个重力场模型。结果显示,GOCE轨道的反演能力约在120阶次以内;两极空白对梯度数据反演计算的影响大于轨道数据。联合2009-11-02~2010-01-10共70d的GOCE轨道数据和重力梯度数据恢复了一个200阶次的地球重力场模型SWJTU2013GO,通过内外符合精度评定,判定了该模型的整体精度略低于ICGEM公布的同类型模型GO_CONS_GCF_2_TIM_R3。     

利用引力梯度数据计算径向梯度的优化方法

根据重力梯度观测各分量的方差及协方差信息,提出了利用GOCE梯度数据计算径向重力梯度的优化方法。首先给出了径向重力梯度的计算方法,并深入分析了误差传播规律,通过建立相应的条件极值问题,给出了计算径向重力梯度最优组合因子的方法;通过模拟数据验证了本文所提出的优化因子的优越性。实际数据计算表明:相对于传统方法,采用优化组合因子可使反演所得引力位模型的累积大地水准面精度在250阶时提高约2 cm。由于径向重力梯度不仅可以用于地球引力场模型的求解,也可直接应用于地球物理问题的讨论,因此本文所提出的优化方法也可对部分地球动力学问题的讨论提供方便。