卫星重力梯度数据确定地球重力场的Slepian局部谱分析方法

在引入Slepian局部谱分析方法的基础上,详细分析Slepian函数的数学特性,采用Grünbaum算子提高Slepian方法求解的稳定性和效率,推导卫星重力梯度数据确定地球重力场的Slepian方法表达式。通过仿真分析,就Slepian方法在卫星重力梯度数据确定地球重力位模型中的应用和前景进行分析和讨论。研究表明,Slepian函数在整个球面和球带上具有双正交性,其频谱能量分布特性与卫星轨道的测量特点具有很好的一致性。Slepian低次项系数精度受到极空白影响很小,较之球谐系数低次项明显改善。Slepian方法对大地水准面空间分布恢复精度的直接贡献不明显。     

应用Slepian局部谱方法解算中国大陆重力场球谐模型

根据经典的球谐函数方法,为满足正交化要求,观测数据需要覆盖整个球面,而对于地表局部测量数据,则无法应用球谐方法解算重力场模型。针对此问题,采用Slepian局部谱分析方法解算中国大陆范围内的实测重力场变化数据,并以GOCE卫星球谐函数解作为已知模型,评估由于实际陆地重力测点的非均匀分布对球谐函数解的误差影响。通过计算多个阶次中国大陆局部范围的Slepian基函数分布;采用GOCE卫星获得重力场模型的前72阶球谐系数作为已知结果,评价实际测点非均匀分布的解算有效性,并针对中国大陆地区采用Slepian基函数进行解算,通过模型对比选择最优截段项数;针对2005—2008年中国大陆地区流动重力测量获得的重力场变化信号进行解算,获得了72阶重力场变化模型。     

Slepian函数在月球局部重力场分析中的适用性分析

在分析Slepian函数数学性质的基础上,选取月球北极球冠区域为研究范围,结合CEGM02模型,研究Slepian函数在解算月球局部重力场和局部功率谱优缺点和适用范围。同时利用CEGM02、SGM150j、LP150Q、GRAIL660模型,分析不同模型的月球局部重力场-地形导纳及相关性。结果表明Slepian函数的局部正交特性在表达月球局部重力场方面有明显优势;由Slepian模型计算得到的局部重力场功率谱可信可靠带宽较大,但球冠边缘异常信号对谱分析结果高频部分带来较大不确定性;利用Slepian加窗的局部谱分析方法可以分析局部区域能量与全球的关系,但其谱分析结果可信可靠频段较窄,低阶段误差较大。4个重力场模型局部重力-地形导纳中低阶部分接近,高阶部分随阶次增大差距明显,可靠性降低。     

重力梯度张量的球谐分析

深入研究了利用卫星重力梯度数据确定地球重力场模型的球谐分析方法，导出了由重力梯度张量的球函数展开系数确定扰动位球谐系数的实用解算模型。模拟试算结果验证了本文算法的有效性和实用性。     

卫星重力梯度数据解算位系数的最小二乘配置法

卫星重力梯度测量在恢复地球重力场的研究中已经得到了广泛应用。本文通过空间扰动位协方差函数特性,得出卫星重力梯度数据与引力位系数的相关协方差函数。利用最小二乘配置法,最终推导出由重力梯度数据直接解算引力位系数的函数表达式,并简要分析其实用性。     

联合高低卫-卫跟踪和卫星重力梯度数据恢复地球重力场的谱组合法

GOCE采用的高低卫-卫跟踪和卫星重力梯度测量技术在恢复重力场方面各有所长并互为补充,如何有效利用这两类观测数据最优确定地球重力场是GOCE重力场反演的关键问题。本文研究了联合高低卫-卫跟踪和卫星重力梯度数据恢复地球重力场的最小二乘谱组合法,基于球谐分析方法推导并建立了卫星轨道面扰动位T和径向重力梯度Tzz、以及扰动位T和重力梯度分量组合{Tzz-Txx-Tyy}的谱组合计算模型与误差估计公式。数值模拟结果表明,谱组合计算模型可以有效顾及各类数据的精度和频谱特性进行最优联合求解。采用61天GOCE实测数据反演的两个180阶次地球重力场模型WHU_GOCE_SC01S（扰动位和径向重力梯度数据求解）和WHU_GOCE_SC02S（扰动位和重力梯度分量组合数据求解）,结果显示后者精度优于前者,并且它们的整体精度优于GOCE时域解,而与GOCE空域解的精度接近,验证了谱组合法的可行性与有效性。     

重力梯度张量的球谐分析

深入研究了利用卫星重力梯度数据确定地球重量力场模型的球谐分析方法，导出了由重力梯度张量的球函数展开系数确定扰动位球谐系数的实用解算模型。模拟试算结果验证了本算法的有效性和实用性。     

重力梯度的空间传播特性

基于球谐函数谱分析理论，导出了重力梯度张量住全球平均意义下的功率谱表达式，从理论上研究和揭示了重力梯度的空间传播特性。利用重力异常阶方差模型和EGM96重力位模型，研究了苇力梯度张量和扰动重力梯度张量随高度的衰减特性，据此分析了卫星重力梯度测量所能恢复重力场的最高阶数，并讨论了对卫星重力梯度仪和卫星定轨的精度要求。     

天文潮汐对卫星重力梯度观测数据的影响分析

测定地球重力场,确定高分辨率的静态地球重力场模型,是大地测量学的主要任务之一.重力场的影响主要分为潮汐部分和非潮汐部分,天文潮汐在潮汐部分中属于直接引力效应,对重力场的影响是不可忽略的.本文以一个月的星历数据为基础,分析了天文潮汐对GOCE卫星重力梯度观测数据的影响,并统计了最大值和最小值;研究了天文潮汐对地球上单点重力梯度数据的影响特征;计算了各行星对卫星重力梯度数据影响量级.研究结果表明:天文潮汐对卫星重力梯度数据的影响量级处于0.1mE,比GOCE卫星设计精度低一个量级,但是它具有周期性,属于有色噪声,因此在卫星重力梯度数据预处理中需要扣除;天文潮汐对卫星重力梯度数据各分量的影响不同,其中对角线分量Vxx,Vyy和Vzz要比其他分量略大;月球和太阳对卫星重力梯度数据的影响最大,在所有星体中占据主导地位.     

GRACE时变重力数据的后处理方法研究进展

重力场是反映地球介质密度变化和在各种环境(固体地球潮汐、内部热流、固体和液体之间质量的交换、表面负荷和地震构造运动等)下动力学特征的最基本和最直接的物理量。GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment)卫星作为探测全球重力场的工具已经为科研工作者提供了超过10a的全球时变重力场数据。由于GRACE数据存在固有误差,GRACE数据产品需要进行后处理对局部重力场进行研究。回顾整理了GRACE数据后处理中的处理方法,包括高斯滤波法及非各向同性滤波法,位系数去相关法,主成分分析法,小波分解法,Slepian方法,以及顾及先验信息的改进算法等,并对GRACE后处理算法的后续改进和发展进行了展望。     

利用卫星引力梯度确定地球重力场的张量不变方法研究

应用张量不变理论对利用卫星重力梯度数据确定地球重力场的方法进行了研究,对张量不变观测方程的线性化处理、非全张量观测值的数据处理策略以及采用白噪声特性下的梯度观测值恢复地球重力场的精度等进行了数值分析.结果表明,张量不变解实现了不同观测值的联合求解,基于先验重力场模型的线性化方法在实现张量不变观测模型线性化处理的同时,提...     

利用卫星重力梯度与地面数据确定地球重力场的分析

本文利用简捷的球谐分析方法讨论了重力场元在地面和空间的谱分布特征和向下延拓问题,分析了各类测量数据求定重力场的最高分辨率及精度。结果表明,在一个低轨道卫星上以适当的精度(优于10~(-2)E)的重力梯度测量可以获得空间分辨率为100公里、精度高于5mgal和10cm的重力场和大地水准面。     

多源卫星重力场模型精度与频谱分析

针对新一代卫星重力探测技术对地球重力场的频谱贡献问题,该文提出了一种基于GPS/水准数据获取多源卫星重力场模型频谱变化特征的方法。采用GPS/水准外符合检验,有效分析评估了多源卫星重力场模型在中国东、西部地区的精度水平。研究结果表明,以CHAMP、GRACE和GOCE卫星为代表的高-低卫星跟踪卫星、低-低卫星跟踪卫星和卫星重力梯度技术,对地球重力场的频谱贡献分别集中在600km以上的长波和中长波、300km以上的中波、200~350km之间的中短波部分。     

径向基函数在重力场建模及数据融合中的应用研究

地球重力场,作为地球空间全部质量的综合反映,对研究地球自然形状、反演岩石圈和软流圈的物质密度结构等具有十分重要的意义.地球重力场模型通常用球谐函数表达,但由于其全局紧支撑特性,任何一个系数的变化均会引起整个重力场的改变,不便于局部重力场模型的精化.因此,径向基函数,一种在空间域和频率域兼具良好局部化特性的对称函数,受到了越来越多的关注.径向基函数能够根据观测数据的空间分布、频谱特性和误差大小灵活的做出调整,并可以联合多种数据共同建模,在表示局部重力场方面展现出很大的优势.论文重点探索径向基函数在融合多源重力数据和构建高精度、高分辨率地球重力场模型方面的能力及应用.     

扰动重力梯度的球冠谐分析建模

从球冠谐理论出发,详细推导了球冠坐标系下扰动重力梯度的无奇异性计算公式。基于Tikhonov正则化方法,利用GOCE卫星实际观测数据解算局部重力场球冠谐模型。数值计算表明,基于扰动重力梯度的球冠谐分析建模方法能够有效地恢复局部重力场中的短波信号,与GO_CONS_GCF_2_DIR_R5模型的差异在±0.3×10~(-5) m/s~2水平。     

卫星姿态误差对GOCE重力梯度精度的影响评估

在地球重力场和海洋环流探测卫星GOCE(Gravity field and Ocean Circulation Explorer)的观测数据中,其主要的观测量重力梯度数据不仅与搭载的6个加速度计的测量值有关,而且还与卫星自身的自转角速度存在着二次函数关系.由于加速度计测量频段的限制,这样就导致了卫星姿态的低频误差混入到...     

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。     

卫星跟踪卫星技术确定地球重力场的加速度法研究

地球重力场是地球的基本物理场,表征着地球物质空间分布、运动和变化,一直是大地测量学科的核心科学任务之一。随着卫星重力测量技术的飞速发展,21世纪初国际卫星重力探测计划,CHAMP、GRACE和GOCE先后成功实施,提供了大量高低卫星跟踪卫星、低低卫星跟踪卫星以及卫星重力梯度观测数据,为研究地球重力场精细结构和构建高精度全球重力场模型提供精确的长波信息。其中,基于卫星跟踪卫星观测值恢复高精度中长波重力场被各国学者广泛而深入地研究。在此背景下,本文研究由卫星跟踪卫星技术利用加速度法确定地球重力场模型的理论与方法。     

卫星重力梯度数据的模拟研究

推导了运用地球重力场模型计算单点、格网点以及格网平均的扰动重力梯度复组合分量的公式;提出了广义球谐函数及其定积分的新算法,并利用EGM96地球重力场模型试算了全球地区卫星轨道面上的重力梯度分量的格网平均观测值;通过对角线分量满足Laplace方程的精度,验证了该算法的有效性和实用性。     

卫星重力梯度数据的模拟研究

推导了运用地球重力场模型计算单点、格网点以及格网平均的扰动重力梯度复组合分量的公式;提出了广义球谐函数及其定积分的新算法,并利用EGM96地球重力场模型试算了全球地区卫星轨道面上的重力梯度分量的格网平均观测值;通过对角线分量满足Laplace方程的精度,验证了该算法的有效性和实用性。