顾及地形效应的重力向下延拓模型分析与检验

向下延拓是航空重力测量数据实际应用中必不可少的技术环节。向下延拓属于不适定反问题,其解算过程具有较大的不确定性,故该问题一直是大地测量领域国内外学者的研究热点。本文深入分析研究了当前国内外最具代表性的3种向下延拓计算模型的技术特点和适用条件,提出了应用超高阶位模型、局部地形改正和移去—恢复技术顾及地形效应,以及位场延拓结果球面化曲面的工程化方法,重点探讨了计算模型的稳定性及数据观测误差对延拓计算结果的影响。通过理论分析、数值仿真和实测数据计算等手段,定量评估了不同向下延拓模型的解算精度及其可靠性。其主要结论是:传统逆Poisson积分模型解严重受制于输入数据观测噪声的干扰,在现有作业条件下,该模型至多只能用于1km以下高度的延拓解算;频谱截断积分和位模型加地改两种延拓新模型具有良好的计算稳定性,完全适用于2′分辨率和5km飞行高度条件下的航空重力测量数据向下延拓解算,其延拓计算精度可达2×10~(-5) m/s~2,可满足各方面实际应用需求。     

重力异常向上延拓严密改化模型及向下延拓应用

重力异常向上延拓全球积分模型在航空重力测量数据质量评估和向下延拓迭代计算等领域具有广泛的应用。为了消除积分核函数奇异性影响,需要对该模型进行基于积分恒等式的移去-恢复转换及全球积分域的分区改化处理。在此过程中,传统改化处理方法往往忽略了全球积分过渡到局域积分引起的积分恒等式偏差影响,从而导致不必要的计算模型误差,最终影响向上延拓计算结果的可靠性,甚至影响向下延拓迭代解算结果的稳定性。针对此问题,本文开展了重力异常向上延拓积分模型改化及向下延拓应用分析研究,依据实测数据保障条件和积分恒等式适用条件要求,导出了重力异常向上延拓积分模型的分步改化公式,提出了补偿传统改化模型缺陷的修正公式,并将最终的严密改化模型应用于重力异常向下延拓迭代解算。使用超高阶地球位模型EGM2008作为标准位场开展数值计算检验,分别对重力异常向上延拓分步改化模型的计算精度及在向下延拓迭代解算中的应用效果进行了检核评估,验证了采用严密改化模型的必要性和有效性。     

航空重力向下延拓的误差影响分析

本文从分析航空重力向下延拓过程中偶然误差和系统误差的变化特性入手,进而提出处理办法。首先,利用试验说明移去恢复法局限性,同时表明需处理系统误差和偶然误差的必要性。然后,采用理论推演和数值模拟计算分别估计了系统误差和偶然误差影响,试验结果发现:系统误差影响和偶然误差影响均与数据格网间隔、向下延拓高度呈线性关系,当格网化间隔较小和延拓高度较高时系统误差影响和偶然误差影响较大。最后,提出使用半参数模型和正则化算法的两步法估计系统误差和减弱偶然误差影响,试验结果说明两步法处理向下延拓各类误差影响优于仅用半参数模型或正则化算法的结果,在试验数据的偶然误差标准差为2×10~(-5) m/s~2、恒值系统误差3×10~(-5) m/s~2和变值系统误差标准差约1.3×10~(-5) m/s~2时,以及向下延拓高度6.3 km和格网间隔6′的条件下,两步法向下延拓结果的精度可达2.3×10~(-5) m/s~2。     

高山地区地形对重力测量的影响分析

针对高山地区地形改正研究的不足,文章以青藏高原为实例,利用快速傅里叶变换详细讨论了高山地区地形改正中质量柱模型与质量线模型对重力测量的影响。研究结果表明:青藏高原地区,地形对重力测量的影响达到毫伽量级;采用快速傅里叶变换计算地形改正时,其最佳计算阶数应为二阶;高山地区,采用质量柱模型与质量线模型进行地形改正的差异为0.1mGal量级。     

重力异常向下延拓的虚拟压缩恢复法与Bjerhammar虚拟球法的比较

边值问题一直以来都是物理大地测量中的重点和难点问题。随着卫星重力测量和航空重力测量应用的日益广泛,研究重力数据精密稳健的向下延拓方法在重力场研究中越来越重要。本文分别对基于等效虚拟法的虚拟胝缩恢复法（虚拟向下延拓法）和Bjerhammar虚拟球泫进行了简单介绍,并采用模拟数据对两种方法的延拓结果进行了对比。     

海空重力测量及应用技术研究若干进展

总结分析评述了海军重力研究团队在海空重力测量及应用技术研究领域取得的一些有理论意义和实用价值的研究成果,主要涵盖需求论证与顶层设计、观测数据归算与精度评估、测量误差分析处理与分离补偿、地表观测重力向上延拓、航空观测重力向下延拓、海域重力数据模型构建、地球外部重力场逼近和大地水准面精化等8个研究方向,重点从各项关键技术的研究背景、研究思路、难点突破、成果应用前景等几个方面进行了分析和总结,回答了该研究领域涉及理论方法和工程应用的一系列科学问题,为该领域未来发展提供借鉴和参考。     

点质量融合模型的海空重力数据延拓分析

针对无高质量的数据对传统的虚拟点质量模型对重力数据改正时,易受系统误差影响及解算不稳定的问题,该文将海空重力数据中的系统误差用非参数分量表达,对点质量模型进行改进,建立了虚拟点质量的半参数模型,引入核估计方法,利用偏残差估计方法,进行三步拟合估计,得到了系统误差和点质量参数的估计值。在分离系统误差的基础上,引入正则化方法改善病态,将建立的模型与正则化方法相结合,建立了综合半参数核估计和正则化方法的点质量融合模型,可在无外部重力时估计系统误差,同时完成多源数据融合。基于EGM2008位模型产生海空重力异常数据,采用线性项和周期项系统误差进行仿真实验,结果表明改进后的点质量模型能够有效利用外部数据,在改善病态和分离系统误差方面提升精度效果明显。并以北卡罗来纳实测海空重力异常数据验证该文方法的有效性,结果表明在无外部数据时,该文方法能有效地分离系统误差,并且精度与引入外部数据改正后的正则化方法相当。     

海洋重力异常数据的EGM2008模型插补方法

针对加权平均模型中反映信号区域性变化特征的权系数不易确定的问题,提出了利用EGM2008模型计算的重力异常数据表示重力场的趋势性变化以改进传统的加权平均法。基本步骤是利用实测海洋重力异常数据,借助EGM2008全球重力位模型,在移去-恢复技术框架下内插出残差重力异常数据,进而得到内插点的海洋空间重力异常。海区实测数据分析结果表明,本文所述方法计算的内插值,无论是分布情况还是与实测值差值的大小,都明显优于传统的加权平均法。     

空中重力异常代表误差在空域和频域的比较分析

在空域,利用严密的向上延拓公式将地面重力数据上延至空中不同高度,而后与相应的地面重力数据比较从而得到不同高度的代表误差.在频域,构建了新的代表误差模型,计算了不同高度、不同分辨率下的代表误差.实际算例表明,在空域,对于地形平坦区域,在1 km高度以下,5'空中重力数据直接代表地面重力数据的误差小于1×10-5 m/s2.对于地形复杂区域;当空中测量高度大于1 km时,空中重力数据的代表误差大于3.3×10-5 m/s2,因此必须考虑向下延拓的问题.在频域,当高度小于7 km时,代表误差与高度及分辨率之间不再是简单的线性关系;当高度大于7 km时,代表误差随着分辨率的减小而减小,随着高度的增加而     

联合使用位模型和地形信息的陆区航空重力向下延拓方法

为了规避传统逆Poisson积分向下延拓解算过程的不适定性问题,借鉴导航定位中的"差分"概念,利用超高阶位模型直接计算海域航空重力测量向下延拓改正数的方法。本文在此基础上提出联合使用重力位模型和地形高数据,计算陆部航空重力向下延拓总改正数的改进方案,以飞行高度面与地面对应点的位模型差分信息表征总改正数的中长波分量,以相对应的局部地形改正差分修正量表征总改正数的中高频成分,从而实现航空重力数据点对点向地面的全频段延拓。在地形变化不同区域,联合使用EGM2008位模型、地面实测重力和高分辨率高程数据进行了实际数值计算和精度评估,验证了该方法的有效性。     

航空重力向上延拓的外部精度评估

分别采用基于梯度、基于泊松积分和基于快速傅里叶变换（FFT）的地面重力向上延拓方案,并提出交叉检验方法估计地面重力数据误差及其空中误差传播,对毛乌素测区GT-2A航空重力测量系统采集的空中测线数据进行外符合精度评价。对比结果表明：地面重力格网插值误差和代表性误差对空中点的影响达到0.66~0.92 mGal（1 Gal=1×10^-2 m/s²）,航空重力数据误差估计必须扣除这一影响;基于泊松积分和基于FFT的地面重力向上延拓方法能够客观评价航空重力观测值的外符合精度,二者表现相当;扣除地面重力误差影响后,在包含残余边界效应的情况下,毛乌素测区GT-2A航空重力空中测线重力扰动的外符合精度优于1.42 mGal。     

多类重力场模型的精度分析及联合确定GPS点正常高的方法

针对模型尺度参数ae对高程异常计算的影响进行数值分析;利用各模型位系数方差信息及区域高精度GPS/水准数据分析国际上新近公布的ITG-GRACE2010S、AIUB-GRACE03S、EIGEN-6C、GOCO02S、DIR_R3、TIM_R3、SPW_R2、gif48以及EGM2008多类重力场模型对应不同谱域的位系数精度;提出采用简单谱组合方法和加权谱组合方法来提高高程异常的计算精度.在试验区域,计算结果表明,各模型的中低阶(约135阶)位系数整体精度要优于EGM2008模型,gif48和EIGEN-6C模型的整体精度均优于同阶次的EGM2008模型,简单谱组合方法和加权谱组合方法均能提高区域模型高程异常精度.     

航空重力测量向下延拓破损点的搜寻与修复

航空重力测量数据向下解析延拓通常是一个病态方程的求解问题,从空中延拓到地面上的重力异常数据因受病态干扰质量不等。把其中质量较差的部分挑选出来,然后再进行有针对性的处理,这种做法的好处是尽量减少对于质量较好数据的破坏,以保持其原有的完好性。提出了两种破损点修复的方法:一是部分岭估计,可在不增加任何新观测的情况下实施;二是部分贝叶斯估计,利用已有的地面数据对破损点做有节制的修复。两种方法均具有较强的可操作性。     

航空重力测量向下延拓破损点的搜寻与修复

航空重力测量数据向下解析延拓通常是一个病态方程的求解问题,从空中延拓到地面上的重力异常数据因受病态干扰质量不等。把其中质量较差的部分挑选出来,然后再进行有针对性的处理,这种做法的好处是尽量减少对于质量较好数据的破坏,以保持其原有的完妤性。提出了两种破损点修复的方法：一是部分岭估计,可在不增加任何新观测的情况下实施;二是部分贝叶斯估计,利用已有的地面数据对破损点做有节制的修复。两种方法均具有较强的可操作性。     

基于广义补偿最小二乘法的航空重力向下延拓

航空重力向下延拓是病态问题,而广义补偿最小二乘法可以很好地克服病态性。研究了基于广义补偿最小二乘法的逆Poisson积分的航空重力向下延拓模型,并设计实验方案,将EGM2008地球位模型计算的重力异常作为仿真实验的数据,分别用最小二乘、Tikhonov正则化、广义补偿最小二乘3种方法求解,对其精度及仿真效果进行比较。结果表明,广义补偿最小二乘方法精度高,对仿真效果有显著提高。     

航空重力测量数据向下延拓基于信噪比的正则化方法的研究

本文研究了正则化方法在航空重力测量数据向下延拓问题中的应用。首先对这种不适定问题的线性模型,分析了设计阵的复共线性结构与其对参数估计危害之间的关系,利用参数LS估计的信噪比提取了各个参数是否受到复共线性严重危害的信息,从而在一定程度上揭示了设计阵复共线性结构的特征。然后提出了基于信噪比的正则化方法（SNR）,以信噪比为依据构造正则化矩阵,以极小化均方误差为目标选取正则化参数。本文构造正则化矩阵无需利用附加物理或先验信息,这对于在缺乏此类信息的情况下运用正则化方法提供了新的手段。最后进行了数值试验,结果表明,本文提出的新方法（SNR）比普通的正则化方法（OR）在滤噪和保真方面表现更佳。     

低低卫卫跟踪恢复地球重力场的误差分析

基于卫星轨道的动力学积分法,定量分析了SST-LL模式主要有效载荷测量误差对重力场恢复结果影响的特点及相互关系。结果表明,1μm/s的星间距离变化率误差与10-9m/s2的非保守力测量误差所引起的重力场误差基本相当,不同载荷的测量精度应相互匹配,单独提高某一载荷的精度对改善重力场并无多大意义。