计算子午线弧长与底点纬度的常微分方程数值解法

计算子午线弧长与底点纬度本质上是解算标准的一阶常微分方程。为了研究利用常微分方程数值解法进行子午线弧长与底点纬度计算的可行性与可靠性,选取大地纬度自0°起以步长1″依次增大至90°,共计324 001个样本数据,分别基于求解常微分方程的Euler算法、改进的Euler算法以及二阶、三阶、四阶Runge-Kutta算法对其进行了数值计算。并与传统算法结果进行比较,从数值算法结果的精度、运算速度、自洽程度等方面对数值算法质量进行评价。计算结果表明:利用常微分方程数值解法求解子午线弧长与底点纬度的方法,能够得到与传统算法精度一致的结果;且数值算法运算速度大约是传统算法的2倍,其中四阶Runge-Kutta算法的精度与自洽程度最高。这表明,常微分方程数值解法比传统算法更适用于子午线弧长和底点纬度的大数据计算。     

子午线弧长的计算方法及精度分析

计算子午线弧长除了采用经典的级数展开算法之外,还可通过数值积分与常微分方程数值解法进行求解。为评价各种算法的精度,本文选取大地纬度自0°-90°、间隔距离为1°、1'、1″的3组样本数据,分别基于传统算法、数值积分算法和常微分方程数值算法3大类11种算法计算得到各组样本所对应的子午线弧长结果,并从算法精度和运算速度两个方面对各种数值算法进行了分析与评价。实例表明三阶、四阶Runge-Kutta算法不仅精度高,而且运算效率是其他算法的2倍多,研究结果为计算子午线弧长的提供了有效的算法模型。     

计算子午线弧长的常微分方程数值法

根据计算子午线弧长的微分表达式,导出弧长正反算的标准常微分方程表达式,运用经典的四阶龙格-库塔法,用Matlab软件实现该算法。结果表明,运用常微分方程数值法求解子午线弧长,正反算理论一致、简单易行、精度可靠。     

依不同纬度变量的子午线弧长正反解公式的级数展开

推导了以归化纬度、地心纬度解算子午线弧长的展开公式,同时又根据拉格朗日反演定理,得到了由子午线弧长反解归化纬度、地心纬度的直接公式。该组公式与子午线弧长正反解公式的大地纬度表达在结构形式上保持一致,进一步揭示了子午线弧长同3种纬度变量之间的内在联系。分析表明,基于归化纬度的子午线弧长解算与大地主题解算方法具有理论上的统一性,正反解精度均高于传统基于大地纬度的展开。     

计算子午线弧长的数值积分法

应用数值积分原理,提出一种子午线弧长正反算的计算方法。该方法计算原理简单,计算稳定性好,便于计算机编程实现,可以达到给定的计算精度。     

椭球子午线弧长计算的新方法

根据子午线弧长的计算原理,推导出一个新的子午线弧长计算实用公式。采用新公式计算由赤道到纬度φ的子午线弧长时,在计算效果及计算精度分析方面比传统公式更加直观、准确。     

不同椭球下较高精度的高斯正反算程序实现

对于高斯正反算来说,首先要计算子午线弧长和底点纬度,从根本上讲,子午线弧长和底点纬度的精度决定着高斯正反算结果的精度。文章参考了一些文献和书籍,借助其成果,实现了不同椭球的较高精度的高斯正反算解算程序。     

高精度任意元素椭球面子午线长度的正反算

依据高精度子午线长度正算公式,给出了子午线弧长反算公式基于迭代算法程序语言的具体实现,计算出了常用4种椭球的高精度系数值,然后进行了正反算的验证。     

切比雪夫多项式逼近在大地测量计算中的应用

本文根据切比雪夫多项式的定义和基本性质,导出求多项式函数最佳逼近的代数式,并运用这一结果解决了一些大地测量常用计算公式的最佳逼近问题。在同一电子计算机上利用这些数值逼近公式,其计算速度,以子午线孤长正反算为例可比相应的同精度的经典方法提高五倍至数十倍。     

弧度测量子午线弧长随纬度的变化规律问题

由于地球是弹滞体,根据牛顿理论,由于地球的自转作用,地球应该呈扁椭球状。18世纪,法国科学院派遣了两支测量队分赴拉普兰和秘鲁对地球的子午线弧长进行了实测,最终证实了地球是扁椭球。本文分别讨论了子午弧长随地心、大地、归化纬度的变化规律,数值计算结果表明:以大地纬度和归化纬度而论.1°子午线弧长随着纬度的增大而逐渐变长;但以地心纬度而论,1°子午线弧长随着纬度的增大而逐渐变短。     

电离层CT数据采集和图像重建

介绍低纬电离层CT实验所使用的数据自动采集系统并提出一种电离层CT算法。在数据采集过程中引入了GPS标准时间；重建算法的特点是利用差分多普勒频率数据避免了相位积分常数的计算，提高了对较弱的电离层扰动和不规则结构的检测能力。数值模拟反演结果表明了该算法对电离层CT重建的有效性，并给出有关实测数据的重建结果。     

近区地形直接与间接影响的棱柱模型算法

基于Helmert第二压缩法进行边值解算时需要计算地形压缩对重力的直接影响和对（似）大地水准面的间接影响。计算近区直接、间接影响的传统积分算法仍是二重积分形式。该算法以网格中心点处的积分核作为网格积分核的平均值的计算模式在一定程度上引入了近似误差。另外,直接、间接影响的传统积分算法在中央区存在奇异性,需单独计算中央网格地形影响,因而增加了计算的复杂性。为此,本文推导了近区地形直接、间接影响的棱柱模型公式,一方面提高了地形影响的计算精度;另一方面中央区不存在奇异性,从而简化了计算过程。为避免棱柱模型存在的平面近似误差,可使用顾及地球曲率的棱柱模型算法计算地形影响。最后通过试验得出结论,在（似）大地水准面精度要求较高的应用中,应尽量使用顾及地球曲率的棱柱模型算法计算地形影响。     

Equations of the Mayr Projection

In this study, the pseudo-cylindrical projection of Franz Mayr is examined in detail. The computation of one of Mayr's projection equations depends on the solution of an elliptical integral. It is this characteristic of the projection that most likely contributes to it being the neglected one among the group of the pseudo-cylindrical projections available today. Franz Mayr used the Legendre tables for the elliptical functions E and F and gave the plane coordinates within one-degree latitude intervals on the 90° meridian. The research reported here derives analytical expressions instead of using the elliptical integral and the interpolation between the table values. Four different solutions have been introduced for mapping applications. The distortion quantities are also presented and discussed.     

An Alternative Orbit Integration Algorithm for GPS-Based Precise LEO Autonomous Navigation

Single-epoch point positioning with the global positioning system (GPS) is as accurate in low orbit as it is on the ground: typically a three-dimensional rms accuracy of 20 to 30 m as the selective availability turns to zero. This is achieved at any observation epoch without orbit dynamic information. With sophisticated models and filtering techniques onboard the spacecraft, the orbit accuracy of a Low Earth Orbiter (LEO) can be improved to a few meters using the civilian broadcast GPS signals. To achieve this accuracy autonomously in real time, an efficient onboard computing processor is required to carry out the sophisticated orbit integration and filtering process. In this paper, a new orbit integrator is presented that computes the nominal orbit states (the position and velocity) and the state transition equations with numerical methods of integral equation, instead of differential equation usually used for orbit computation. The algorithm is simple, and can be easily embedded in an onboard processor. The numerical results demonstrate that the proposed method of the integral equation provides precise orbit predictions over several orbits. The sequential filter based on the above integrator allows the use of simple orbit state equations to efficiently correct dynamical model errors with precise GPS measurements or improve the orbits using GPS navigaion solutions from the 3D rms accuracy of 26 m to 3.7 m within a few hours of tracking. ? 2001 John Wiley & Sons, Inc.     

基于AF-PSO求解缓和曲线非线性方程组

在线路测设工程中,根据缓和曲线内外侧地面点的实测坐标,推导出曲线非线性方程,解算出对应的曲线长具有一定的实际意义。针对传统牛顿迭代解法计算量大,对形式复杂方程不适用等问题,提出一种基于人工鱼群和粒子群的协同优化算法,该算法综合利用人工鱼群算法的良好全局收敛性和粒子群算法的局部快速收敛性、易实现性等优点,发挥两者的优越性。实例表明,人工鱼群和粒子群协同优化算法可以很好地应用到缓和曲线非线性方程组的求解中,且收敛速度快,求解精度高。     

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。