扰动重力场精密确定与逼近效果分析

介绍了局部重力场逼近的点质量方法;详细论述了组合点质量模型的构制方法;利用实测重力异常数据建立了某区域组合点质量模型;分析了各层点质量的散射误差、逼近效果、随高度的变化特征.结果表明,组合点质量模型能以较高精度逼近外部扰动重力场.     

重力三层点质量模型的构造与分析

点质量模型理论是研究区域重力场的一个非常重要的方法,本文简要介绍了点质量模型逼近区域重力场的原理,计算分析了构造点质量模型过程中系数矩阵元素的特性。以32~34N和103~105E为计算中心区域,利用EGM2008的720阶次的位系数计算出的重力异常作为观测数据,在36阶次位系数模型的基础上,构造了四层点质量组分频段从低到高来逼近该区域重力场。数值试验的结果表明：三层点质量模型效果较好,点质量模型计算的扰动重力在径向上的截断误差优于2 .     

顾及频谱特性组合点质量模型的建立

介绍了建立组合点质量模型的理论与方法;推导了顾及频谱特性的组合点质量模型及其解算原理,从理论上讨论了建立更严密外部重力场模型的可行性.     

顾及频谱特性组合点质量模型的建立

介绍了建立组合点质量模型的理论与方法；推导了顾及频谱特性的组合点质量模型及其解算原理，从理论上讨论了建立更严密外部重力场模型的可行性。     

整体大地测量的虚拟点质量模型

本文根据局部重力场逼近的虚拟质点方法,导出整体大地测量的虚拟点质量模型,给出了地面大地测量及GPS水准观测在这一模型下的观测方程,并讨论了有关问题。     

GRACE和GOCE卫星重力场模型的谱组合研究

首先,介绍了基于不同卫星重力场模型的位系数误差方差谱组合、误差阶方差谱组合模型的算法;其次,根据位系数误差方差定权和位系数误差阶方差定权两种谱组合方法编写计算程序;最后,采用GRACE和GOCE模型进行谱组合计算,并对谱组合计算模型进行内、外符合精度分析与验证,谱组合得到的重力场模型精度和可靠性优于单一重力场模型,验证了谱组合方法的有效性.     

采用点质量模型方法反演中国大陆及周边地区陆地水储量变化

研究了反演区域陆地水储量变化的点质量模型方法,采用Tikhonov正则化方法解决了反演过程中参数估计病态问题。利用GRACE（gravity recovery and climate experiment）时变重力场模型数据,用点质量模型方法反演了中国大陆及其周边地区陆地水储量变化,将点质量模型反演结果与球谐系数法反演结果、GLDAS（global land data assimilation）水文模型数据进行了验证分析,并选取了4个特征点计算了陆地水储量变化时间序列。实验结果表明,由于点质量模型方法将研究区域内不同网格质量变化对地球重力场的影响分离开来,所得区域陆地水储量变化局部信号更明显,并且点质量模型方法反演结果与GLDAS水文模型数据相关性更强。     

GRACE时变重力场的滤波理论及质量变化分析

正由于GRACE(gravity recovery and climate experiment)时变重力场模型直接解算质量变化时存在较大的误差,需要对其进行相应的滤波处理,提高质量变化的反演精度。本文总结了GRACE监测全球与区域质量变化的研究进展,分析了最新时变重力场模型的精度及其滤波方法;提出了基于重力位系数协方差阵的时变重力场滤波方法;分析了南极冰盖的质量变化、亚马孙流域陆地水质量和海平面变化。本文的研究成果及创新点主要包括以下几个方面:     

航空重力测网交叉点的非遍历逼近方法

航空重力测网交叉点上的重力差值是客观评价测线测量质量的重要依据,也是调整测线之间重力场水平差异的重要途径。随着测网大型化和不规则化,测网交叉点精准、快速搜索变得至关重要。现有方法均采用缩小交叉点范围后进行逐一遍历,无法保证快速、准确搜索到所有的交叉点。本文提出的非遍历逼近方法,是通过快速逼近和微调逼近的组合进行迭代式逼近,避开逐一遍历直接快速逼近交叉点。试验表明,该方法搜索不仅适用于测点连续、均匀的常规测网,也适用于不规则、非常规测网,搜索速度较现有方法提升3～4个数量级,也远优于加拿大著名商业地球物理软件Oasis Montaj。     

局部重力场的点质量模型

本文论述了以地面离散的测量数据通过建立点质量模型的方法求解物理大地测量边值问题的基本原理。比较和分析了该方法与积分方法以及最小二乘配置方法的联系，根据试验数据探讨点质量模型的密度、深度的选择及其表征扰动重力场的特点，提出了一种适于计算的模型构成方法。通过实际试算说明了在点质量模型基础上计算重力场中有关量的效果是好的。其优点是可选择少量的参数，公式简单，但需要求解较大阶数的方程组和确定模型的最优结构。     

基于 EIGEN6C2模型的 Kaula 规则精化

高精度重力场模型精化Kaula规则其要点是将Kaula规则乘上一个与位系数阶数项相关的二阶有理函数,并基于EIGEN6C2重力场模型解算有理函数模型的系数。精化后的Kaula规则与EIGEN6C2模型和EGM2008模型的逼近误差都只是原来Kaula规则的0.26%。因此,精化后的Kaula规则更能正确表示各阶引力位的实际能量,对于重力场模型的解算提供更加合理的约束。     

快速确定扰动引力的广域多项式逼近方法的模拟实验

飞行器在飞行过程中时刻受到地球重力场的作用,地球外部空间扰动引力会对飞行器的运行轨迹和姿态等方面产生影响,因此,研究地球重力场信息并实时快速的计算出飞行器运行处的扰动引力,对飞行器轨迹和姿态等方面的调节具有重要的作用。利用模拟数据,本文基于广域多项式逼近方法来快速逼近扰动引力,该法在单元边界点上满足插值条件,而又利用插值单元周围节点信息,实现拟合过程。试验表明,这一方法在高度方向的步长为30km的条件下可达到1mgal的计算精度。     

GRACE卫星时变重力场的小波多尺度分解——以2008年汶川Ms8.0大地震为例

根据UTCSR发布的GRACE卫星资料,计算了汶川及其周边地区的卫星时变重力场,并利用小波多尺度分析方法对卫星重力场进行分解,得到了反映不同深度的重力场细节和逼近。通过研究各个细节和逼近成分的重力场变化,结合区域构造运动的特点,对GRACE观测的时变重力场及汶川地震的动力机制进行了初步解释和讨论。结果表明,4阶细节和4阶逼近较好地揭示了汶川地区构造形变和深部物质流动引起的重力变化,而且这种震前重力变化特征满足地震孕育发生的条件。     

基于高斯样条函数的局部重力异常场解析重构

重力匹配辅助导航理论大都建立在离散场的基础上的,为了研究基于连续场重力匹配算法以克服传统匹配算法的局限,必须建立精度高且具有良好解析性质的局部重力异常场解析模型。利用斐波那契数列寻优方法对一维高斯样条函数插值进行最优化,在此基础上提出了基于斐波那契数列寻优的二维高斯样条函数逼近局部重力异常场方法。为了提高寻优算法运算速度,将二维准则函数解耦为X方向和Y方向两个独立的一维准则函数,分别采用斐波那契数列寻优方法对这两个准则函数进行寻优以获取X方向和Y方向最优参数,最终得到高精度逼近局部离散格网数据的局部重力异常场连续解析模型。仿真实验中采用五组不同的参数对变化范围为-51.185mGal~86.1819mGal的重力异常场进行逼近。从最后的仿真实验结果可以看出采用最优参数时逼近绝对误差均值达到0.00069,相对误差均值更达到10-6级,能较好的满足了匹配导航要求,其逼近精度较采用其它非最优参数时均有较大提高,由此验证了文中提出的重构算法有效性。     

卫星重力梯度向下延拓的谱方法

本文提出在平面近似下解算卫星重力梯度向下延拓问题的谱方法，并采用模拟数据进行了试算，结果表明该方法是有效的。这为利用卫星重力梯度数据精化局部重力场提供了可供参考的方法。     

月球重力场的确定及构建我国自主月球重力场模型的方案研究

对绕月卫星的运动规律以动力学方程的形式进行了描述，并讨论了绕月卫星定轨中动力法和几何法的适用性以及通过定轨观测获取月球重力场模型的计算方式和优化算法’在归纳月球重力场确定的技术流程的基础上。针对月球背面绕月卫星摄动无法观测的困难，分析了目前所能采取的各种处理办法及其特征。结合我国即将发射的“嫦娥卫星”装备有激光测高计这一特点，提出将月球表面地形与月球重力场之间的强相关性作为约束来确定我国自主重力场模型的设想。     

日本Mw9.0地震前GRACE卫星重力变化

利用GRACE重力卫星月重力场数据,通过去相关与高斯滤波等方法获取日本大地震震前震源区周缘年度、季度和年度差分重力变化,以及若干点位时间序列重力变化;分析结果表明:日本大地震前5年内在震源区周边出现了比较明显的卫星重力异常正负交替和迁移现象,至震前1－2年,震区周边形成了明显正负异常区,正重力异常区重力增加现象明显;点位重力时间序列分布指出了日本MW9.0级地震前存在与1976年唐山地震类似的重力变化现象。这些结果反映了日本大地震震前震源区周边地下物质运动、质量迁移和能量积累等问题,为研究该地震的孕育过程提供了证据。     

Moho面扰动重力梯度信息的提取

在运用重力和重力梯度资料反演Moho面时,关键步骤之一即是从原始测量信号精确提取只包含该层面单一密度信息的扰动(异常)值。本文主要工作有:1为减小GEMMA Moho团队的点质量模型计算误差而采用正演精度更高的空间域Tesseroid单元体和频谱域球谐分析与综合方法,并对这两种方法进行了结果对比;2如何合理利用地壳先验模型资料。本文中最后提供了基于GOCO03S模型可以用于后续Moho面反演的重力梯度主对角线分量的全球扰动值,并对所有试验数据进行了讨论和分析。