球近似艾黎-海斯卡宁均衡模型分析

针对传统的均衡重力异常方式基于平面近似,积分范围较小、计算公式的适用性受限、表征的信息量有限的问题,该文在球坐标下分析艾黎-海斯卡宁(Airy-Hesikanen)均衡模型。以计算点向径为半径,将地形分为布格球壳和粗糙地形两部分,计算其地形影响和均衡改正。在实验区,选用补偿深度21km、密度差0.678g/cm3的模型参数,采用该文公式和传统公式计算均衡重力异常,并比较分析其计算值。结果表明,以球近似Airy-Hesikanen均衡模型计算均衡重力异常值,在小积分范围以及平坦地区,与传统公式计算值的精度相当;但随着积分半径增加,球近似Airy-Hesikanen均衡模型计算值精度不断提高、变化更平缓,说明球近似AiryHesikanen均衡模型代替平面近似Airy-Hesikanen均衡模型应用于重力问题研究更为符合地球实际情况。     

用变换维宁-曼乃兹函数来进行垂线偏差计算

本文给出了变换维宁-曼乃兹函数来进行垂线偏差计算的一般性公式。这种方法即在考虑点附近一个不太大的区域内应用地面重力资料进行数值积分计算，而在该区域之外的整个地球上则采用重力异常的球谐函数的级数公式来计算。这样就能一方面减少了繁重的积分计算工作量，另一方面又改善了级数的收敛性和减少计算误差。本文还给出了五种不同的计算方案。每一方案中导出了相应的公式，系数值和误差估计。并在最后作了比较。     

外空扰动重力计算中的截断误差

给出了由地面重力数据计算外空扰动重力矢量的公式,并根据Wong and Gore截断理论给出了外区重力异常对计算点影响的公式.根据外空扰动重力与地面数据分辨率及其覆盖范围之间的关系,将重力异常分成不同频段、不同分辨率,分别计算了截断误差.利用全球重力位模型,计算出不同频段的截断误差,并给出了各频段相应的积分半径.对于模拟和检验航空矢量重力数据有一定的参考价值.     

外空扰动重力计算中的截断误差

给出了由地面重力数据计算外空扰动重力矢量的公式，并根据Wong and Gore截断理论给出了外区重力异常对计算点影响的公式。根据外空扰动重力与地面数据分辨率及其覆盖范围之间的关系，将重力异常分成不同频段、不同分辨率，分别计算了截断误差。利用全球重力位模型，计算出不同频段的截断误差，并给出了各频段相应的积分半径。对于模拟和检验航空矢量重力数据有一定的参考价值。     

局部重力地形改正积分半径的确定

在局部重力地形改正中,积分半径取值多大才算合适直接影响到数据准备工作量和实际计算工作量的大小.研究了重力地形改正与数字地形模型DTM数据先验信息之间的关系;给出了确定局部地形改正积分半径的方法--方差法.数值试验结果表明,采用方差法确定重力地形改正积分半径是合理的.     

用重力异常逐级余差计算重力大地水准面

本文将计算重力大地水准面的频域方法推广至空域，提出了一种新的用重力数据和重力模型位系数联合确定大地水准面的方法。利用重力异常的逐级余差实施积分，使得通常的Ｓｔｏｋｅｓ积分方法具有明确的频域分析含义，可按精度要求确定出使用重力异常余差的块形大小及积分半径ψｏ。     

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。     

应用模的方法研究似大地水准面高程公式垂线偏差公式和天文-重力水准公式

本文采用了模的方法研究了司托克斯（Stokes）公式、威宁·曼尼斯（Vening Mei-nesz）公式、М．С．莫洛琴斯基（Молоденский）公式（1949,1960）,和与之相应的天文-重力水准公式。文中采取了模№ 1和模№ 2。模№ 1已为E．Φ．叶列麦叶夫（Еремеев）,И．М．季隆（Тирон）所使用过;模№ 2是作者为进一步研究М．С．莫洛琴斯基公式（1949）而设计的。文中研究了下面两个问题。1．同一模中各个公式精度的比较。2．地面倾斜角α改变对各个公式精度影响的比较。通过对计算结果作上面两点的分析,得到了下面的结论：1）在平原和高原地区司托克斯公式、威宁·曼尼斯公式给出最好的结果。2）在山区М．С．莫洛琴斯基公式（1960）第一近似公式的精度受地形起伏变化的影响最小,误差也最小。3）山区、高原地区天文-重力水准公式的研究结果同结论1）和2）。     

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。     

关于Hotine积分的若干注记

本文通过对Hotine积分和Stokes积分进行比较,指出Hotine积分是一种更有利于确定高精度大地水准面的方法,同时还导出了计算Hotine积分中截断系数的递推公式以及高阶截断误差的近似估计公式。     

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。     

综合半参数核估计与正则化方法的航空重力向下延拓模型分析

在航空重力向下延拓过程中,将重力数据中的系统误差和离散化造成的模型误差用非参数分量表达。在无外部数据的情况下,建立基于半参数核估计方法的重力向下延拓模型,为了改善泊松积分离散后的设计矩阵的病态影响,引入正则化方法,提出了综合半参数核估计和正则化方法的逆泊松积分延拓方法。基于EGM2008(earth gravity model 2008)模型计算了某地空中重力异常,采用线性项和周期项系统误差进行仿真实验,以及美国某地实测重力异常数据,验证了本文方法在改善病态性和分离系统误差方面的有效性。结果表明,本文方法在无外部数据时,能有效地分离系统误差并具有较高的精度。     

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...     

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。     

用Hotine积分确定海洋大地水准面

Hotine积分能综合应用重力和卫星测高资料确定高精度海洋重力大地水准面。本文应用一种与传统方法不同的处理Hotine积分的技术，使得计算公式得到明显简化，并就加速远区域级数收敛问题作了探讨。计算表明，用改进后的公式计算的海洋大地水准面的精度优于1米，它和Seasat卫星测高大地水准面间存在约0.2米的系统差。     

给定内插重力异常精度时对重力数据的要求

基于最小二乘配置误差估计公式,建立了重力异常格网数据的分辨率和精度与重力异常内插值精度的关系,提出了在给定插值精度时反推已知格网数据的分辨率和精度的方法。以EGM2008重力场模型为例,在不同分辨率和精度条件下进行重力异常插值实验。实验结果与本文方法的计算结果基本一致,表明该方法具有一定的可行性。     

区域重力大地水准面确定的相对精度估计

以频域解析方法,研究由地面重力数据、全球住模型确定区域重力大地水准面的相对精度估计.首先由Stokes公式的数值积分推导地面重力数据与球谐系敬的精度关系;再由"移去-恢复"方法的空域截断逼近模式和协方差函数的球谐表达,分别推导内区地面重力数据之误差、外区全球位模型之误差与区域重力大地水准面之相对精度的解析关系;为便于计算,提出将内区地面重力数据和外区全球位模型的频域截断误差合并,再按频段重新划分为两部分:①全球范围--地面重力数据对应频率以上的截断;②外区范围--介于全球位模型最高频率与地面重力数据对应频率之间的截断,以经验阶方差模型分别估计之.模拟计算显示了地面重力数据之精度、分辨率、积分半径和全球位模型之精度、分辨率与区域重力大地水准面之相时精度的具体对应关系.本文研究同样适用于区域重力似大地水准面的确定.     

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。     

地球局部重力场对近地卫星轨道的影响

本文重点探讨了近地卫星的受力情况,从理论上分析了司托克斯积分公式的一些特性,给出了高空扰动引力的误差量级及适当的近区域积分半径;最后,利用数值积分方法,对几种情况的卫星轨道计算进行了比较分析。     

确定外部扰动重力场的改进直接积分方法

针对Stokes-Pizzetti积分用于外部扰动重力场计算中从空中趋近地面时存在着不连续和积分奇异的问题,对该式进行了改进。改进式引入地面计算点处的重力异常,得到一个从地面到空中统一适用的公式,并且中和了在地面计算点处的奇异性。类似地,改进了的Stokes公式在用于大地水准面计算时积分的奇异性同样起到了改善作用。