引力梯度不变量与相关边界条件

本文研究了以引力梯度的不变量作为基本数据来进行地球引力场恢复的方法. 该方法的特点是, 处理的数据只与卫星定位数据和引力梯度观测数据相关, 而与卫星的姿态无关. 首先从不变量出发对扰动位作了线性化展开, 得到了一般的线性化模型, 即: 卫星轨道上边界条件的一般形式; 其次在球近似下推导了该线性化模型的表达式, 并给出了相应的球谐级数解算方法; 然后进一步顾及了J₂项的影响, 改进了球近似模型, 得到了顾及J₂项情况下关于扰动位的边界条件, 并给出了相应的解法; 利用EGM96引力场模型对建立的边界条件的理论精度进行了验证和引力场恢复试验, 结果表明: 球近似模型的平均精度达到了10^-7, 恢复模型的阶次能达到200阶, 而顾及J₂项模型的平均精度则达到了10^-8, 恢复的阶次则可以达到280阶; 最后从理论上证明了使用不变量作为基本数据不会使数据组合的误差放大, 而且针对GOCE计划的情况论述了不变量的计算方法.     

GOCE引力梯度的频谱分析及滤波

GOCE卫星提供的梯度数据含有非常大的低频误差,如何处理这种误差是GOCE数据处理中最为关键的工作之一.本文根据GOCE卫星的运行情况,首先分析了梯度数据的频率特性,推导了频率与阶次的对应关系;并在此之上,介绍了针对低频误差的滤波方法,即移去恢复和向前向后滤波方法,前者可解决滤波中的低频信号损失问题,后者则主要解决了滤波中的相位漂移问题.最终结果表明:引力梯度的时间频谱与球谐展开中的阶次虽不是一一对应的,但各阶所对应的最大截止频率与阶次却有一定的显式表达.同时也表明,本文所采用的滤波方法是有效的,达到了消除低频误差但保留观测频段信号的目的.     

GOCE引力梯度的频谱分析及滤波

GOCE卫星提供的梯度数据含有非常大的低频误差,如何处理这种误差是GOCE数据处理中最为关键的工作之一.本文根据GOCE卫星的运行情况,首先分析了梯度数据的频率特性,推导了频率与阶次的对应关系;并在此之上,介绍了针对低频误差的滤波方法,即移去恢复和向前向后滤波方法,前者可解决滤波中的低频信号损失问题,后者则主要解决了滤波中的相位漂移问题.最终结果表明:引力梯度的时间频谱与球谐展开中的阶次虽不是一一对应的,但各阶所对应的最大截止频率与阶次却有一定的显式表达.同时也表明,本文所采用的滤波方法是有效的,达到了消除低频误差但保留观测频段信号的目的.     

磁偶极子梯度张量的几何不变量及其应用

磁梯度张量系统姿态的变化将影响梯度场测量和数据解释的精度,使得具有坐标变换不变性特点的张量不变量成为磁梯度张量数据解释的研究热点.本文在对磁偶极子产生的磁梯度张量进行特征值分析的基础上得到了:测量点与磁偶极子位置形成的位置矢量、磁偶极子磁矩矢量与绝对值最小的特征值对应的特征向量垂直;位置矢量和磁矩矢量与最大及最小特征值对应的特征向量共面,且两矢量间的夹角可由磁梯度张量矩阵的特征值表示.最后,将本文所得磁偶极子梯度张量的几何不变量用于磁性目标的跟踪中,取得了较好的实时跟踪效果.     

基于非全张量卫星重力梯度数据的张量不变量法

在非全张量卫星重力梯度观测数据的处理过程中,由于卫星姿态角误差、梯度观测数据误差和非全张量观测等原因,重力梯度值从卫星重力梯度仪系转换到地固系后,精度损失严重.本文研究了张量不变量法以解决上述问题.首先在重力梯度张量不变量线性化的基础上,建立了基于卫星轨道面的不变量观测模型,完整地推导了两类重力梯度张量不变量的球近似和顾及地球扁率影响的球面边值问题的求解公式.针对GOCE卫星任务非全张量观测数据类型,分析了张量不变量的计算误差;结果表明,重力梯度观测误差在不变量的计算中并没有被放大.最后运用广义轮胎调和分析方法进行了模拟试验,数值试验证明,在卫星姿态误差较大时,处理张量不变量比处理张量分量更具优势,并且张量不变量法能有效地解决非全张量观测的问题.     

利用最小二乘拟合法进行多站地磁日变基值归算

多站日变改正技术是解决远海区大范围磁力测量地磁日变改正的关键技术,然而多站日变改正中,为了减小磁场水平差异的影响,分站日变基值必须向主站归算.基于地磁日变化的时空特点,尝试将最小二乘拟合法引入到多站日变基值归算中,并采用多站同步观测数据对方法的有效性进行了验证.结论表明:当主站和分站日变性质相似时,最小二乘拟合法可以取得良好的效果,且对同步观测时段低.但是当日变性质差异较大时,则应当采用传统的同步比对法.     

弹道扰动引力无奇异性计算模型的建立

利用地球重力场模型来计算飞行器轨道扰动引力,当飞行器飞越两极及其附近地区时,由于Legendre函数的一阶导数以及分母上所含余纬的正弦函数,将导致扰动引力的计算出现无穷大.本文推导了Legendre函数一阶导数以及球谐函数m (P)mn(cosθ)/sinθ无奇异性的计算公式,建立了飞行器轨道扰动引力各分量无奇异性的详细计算模型,并通过数值试验分析了扰动引力各分量在两极地区的变化趋势,从而彻底解决了利用地球重力场模型计算两极地区飞行器轨道扰动引力时存在的奇异性问题.     

GEM10B地球模型在中国及其邻域内的重力垂直梯度分布

本文根据GEM 10B地球模型引力位球函数的展开系数,利用Rapp给出的球函数递推公式,计算了该模型在中国及其邻域内的重力垂直梯度分布,并对所得结果进行了初步分析.     

一种卫星重力梯度数据的ARMA最优滤波模型构建方法

由于卫星重力梯度观测的有色噪声特性和海量观测特征,在利用直接法进行重力场模型的最小二乘求解时,观测值的协方差阵为超大型的非对角阵,这给数值求解带来了极大困难.本文提出了一种基于先验误差功率谱密度的最优ARMA滤波模型构建方法,结合法方程的分块求解策略,可实现对卫星重力梯度观测值的高效滤波处理.数值仿真结果表明,利用最优ARMA滤波器进行时域滤波后,法方程的态性得到了明显改善,重力梯度观测值中的有色噪声得到了有效的"白化"处理,大地水准面精度得到了显著提升.     

卫星重力梯度观测数据L1级构建方法

高精度重力梯度观测数据L1级构建的系统方法是推进我国自主重力卫星任务重要的基础数据处理技术.本文以GOCE卫星L1级数据预处理技术和关键载荷原始数据为参考,面向我国发展的梯度测量卫星的任务需要,系统研究并初步实现了卫星重力梯度观测数据L1级构建方法,主要包括加速度计电压数据转换、多星敏感器联合姿态数据的角速度重建、卫星重力梯度分量构建等技术内容.计算结果表明,加速度计超灵敏轴精度为10^-10~10^-11m·s^-2·Hz^-1/2,达到重力梯度仪设计精度要求;多星敏感器联合解算最佳姿态角速度w_y、w_z在10~100 mHz内精度约提升1个量级,其精度约达到10^-5 rad·s^-1·Hz^-1/2量级,能够有效抑制低精度角速度分量在坐标系转换中导致的噪声传播;基于维纳滤波方法恢复的角速度在5~100 mHz频段内的平方根功率谱密度提升了（5.21~6.56）×10^-11 rad·s^-1·Hz^-1/2,显示了基于高精度角速度解算重力梯度分量的必要性;构建重力梯度各分量计算值与全球重力场和海洋环流探测器（GOCE）官方公布的重力梯度分量精度相当,其梯度张量的迹在20~100 mHz频段范围内约为10 mE·Hz^-1/2,验证了本文构建方法的有效性.研究工作可为下一步我国推进实施民用重力梯度测量卫星任务提供自主的原始数据处理技术支撑与储备.

     

重力和重力梯度数据三维相关成像

本文提出了重力异常三维相关成像方法和重力梯度数据三维相关成像方法,并提出了基于异常分离的三维相关成像方法来提高成像分辨率.通过合成Y型岩脉模型和合成多个直立长方体组合模型的重力异常和重力梯度数据试验分析,验证了本文三维相关成像方法可显示出异常地质体的空间赋存状态和等效剩余质量分布,具有良好的纵向和横向分辨率.     

美国中东部地震台阵波场的三分量波形梯度

波形梯度法是一种全新的台阵数据处理技术,该方法利用子台阵中的波形差异可以得到一些基本的地震波传播参数.本文首次将其应用于美国中东部地震台阵面波的三分量研究当中.首先通过垂向分量的面波进行波形梯度分析,得到垂直分量面波的相速度、传播方向、几何扩散和辐射花样.再通过垂向分量得到的传播方向进行坐标旋转,从而得到了径向分量以及切向分量的面波,再将其应用于波形梯度分析,分别得到径向分量以及切向分量面波的相速度、传播方向、几何扩散和辐射花样.利用2012年8月27日发生在中美洲西海岸地震事件的三分量地震数据的面波波形得到的结果显示,在相同周期,研究区域的三个分量面波的相速度分布横向差异显著.切向分量面波的相速度分布特征差异较大,可能是由于径向各向异性造成的.三个分量的传播方向变化都不大,且切向分量的传播方向变化大于垂直分量与径向分量,说明地震波的切线分量在传播过程中受到的影响更大,同时还可以看出传播方向的变化呈现出条带状的特征.几何扩散和辐射花样都是与地震波的振幅项有关的信息,三个分量的几何扩散特征基本一致.但是由于切向分量传播方向变化相对较大,可能导致了切向分量面波的辐射花样有所差异.

     

A review of the wave gradiometry method for seismic imaging

As dense seismic arrays at different scales are deployed, the techniques to make full use of array data with low computing cost become increasingly needed. The wave gradiometry method(WGM) is a new branch in seismic tomography, which utilizes the spatial gradients of the wavefield to determine the phase velocity, wave propagation direction, geometrical spreading, and radiation pattern. Seismic wave propagation parameters obtained using the WGM can be further applied to invert 3D velocity models,...     

Topographic and atmospheric effects on goce gradiometric data in a local north-oriented frame: A case study in Fennoscandia and Iran

Satellite gradiometry is an observation technique providing data that allow for evaluation of Stokes’ (geopotential) coefficients. This technique is capable of determining higher degrees/orders of the geopotential coefficients than can be achieved by traditional dynamic satellite geodesy. The satellite gradiometry data include topographic and atmospheric effects. By removing those effects, the satellite data becomes smoother and harmonic outside sea level and therefore more suitable for downward continuation to the Earth’s surface. For example, in this way one may determine a set of spherical harmonics of the gravity field that is harmonic in the exterior to sea level. This article deals with the above effects on the satellite gravity gradients in the local north-oriented frame. The conventional expressions of the gradients in this frame have a rather complicated form, depending on the first-and second-order derivatives of the associated Legendre functions, which contain singular factors when approaching the poles. On the contrary, we express the harmonic series of atmospheric and topographic effects as non-singular expressions. The theory is applied to the regions of Fennoscandia and Iran, where maps of such effects and their statistics are presented and discussed.     

重力梯度仪的发展及其应用

随着欧空局GOCE项目的进一步深入及相关技术报告的公布,人们对该卫星及其有效载荷有了更多的了解,尤其是倍受关注的核心器件重力梯度仪有了更多认识的机会,本文在跟踪当前欧空局研制中的星载重力梯度仪的测量原理、仪器设计的基础上进行了综合、分析和总结,以期对该领域的研究有更清晰、深入的了解,同时为国内进行该领域研究的机构提供可能的参考.     

扰动重力梯度张量单分量和组合分量最小二乘配置法模型的建立

建立了利用扰动重力梯度张量Tzz分量和Txx+Tyy、Tzz-Txx-Tyy组合分量确定地球重力场的调和分析法模型,进一步推导了扰动重力梯度张量对角线三分量的自协方差和互协方差函数的级数展开式,推导了单分量、组合分量与重力位系数之间协方差函数的实用计算公式,给出了利用单分量和组合分量解算地球重力场模型的最小二乘配置法基本原理公式.结果表明,最小二乘配置法具有一定的抗差能力,随着观测数据误差的不断增大,其恢复的重力场模型有效阶次不断降低,精度也不断下降;Tzz-Txx-Tyy组合分量解算重力场模型的精度最高,其次为Tzz分量,Txx+Tyy组合分量最差.     

基于离散余弦变换（DCT）的化磁极方法

针对提高磁异常化磁极的质量问题,提出基于离散余弦变换(DCT)的化磁极方法.以位场余弦变换谱分析为基础,从理论上推导了基于DCT的二度和三度体总场磁异常化磁极转换公式.在倾斜板状体模型实验中,化磁极误差小于0.001 nT,具有较高的精度;在单球体及多球体模型实验中,采用基于DCT的化磁极方法在5.倾斜磁化时就可以取得较好的化磁极结果,15°时化磁极的效果更加明显,其等值线的形态、幅值以及所反映的磁性体的水平位置都得到较好的恢复,这说明,采用本文方法进行化磁极时,可以取得较好的效果.     

Percolation theory as a tool for imitation of fracture process in rocks

The statistical models of earthquake focal processes covering topological, kinetic, energetic and scaling aspects of the phenomenon are considered on the basis of the percolation and reliability theories. It is shown that these models do not contradict the basic experimental data of physics of fracture and seismology. Some predictive signs are also considered.