广义球谐函数定积分计算方法的改进

运用球谐函数定积分的基本递推公式,推导了在重力场球谐综合与球谐分析中出现的广义球谐函数定积分的计算公式;给出了其适用于超高阶次的改良型递推公式.数值试验表明,该改良公式具有较高的计算精度和计算速度,解决了超高阶次广义球谐函数定积分计算的溢出问题,拓展了这类定积分的计算公式.他们的数值实现为利用位模型计算高分辨率扰动重力场元格网平均值、重力场球谐综合分析等奠定了基础.     

广义球谐函数定积分计算方法的改进

运用球谐函数定积分的基本递推公式，推导了在重力场球谐综合与球谐分析中出现的广义球谐函数定积分的计算公式；给出了其适用于超高阶次的改良型递推公式。数值试验表明，该改良公式具有较高的计算精度和计算速度，解决了超高阶次广义球谐函数定积分计算的溢出问题，拓展了这类定积分的计算公式。他们的数值实现为利用位模型计算高分辨率扰动重力场元格网平均值、重力场球谐综合分析等奠定了基础。     

利用Clenshaw求和计算大地水准面差距

引入非正规化的球谐函数,使用Clenshaw求和法不需要计算单个球谐函数值而直接计算级数和。将Clenshaw求和算法和标准向前列递推算法在计算时间上进行比较,并对两种方法计算的稳定性进行了数值分析,给出了数值模拟结果。通过数值计算得出了Clenshaw求和计算全球大地水准面差距的适用范围,为实现高精度大地水准面的计算提供借鉴。     

一类球谐函数与三角函数乘积积分的计算

本文根据球谐函数的跨次递推公式和三角函数的性质,详细推导了在重力梯度调和分析中出现的一类球谐函数积分的跨次递推公式和递推初始值的计算公式。数值试验表明,球谐函数跨次递推算法具有快速、稳定的优点。该类积分的跨次递推实现,为卫星重力梯度调和分析奠定了算法基础。     

非心摄动引力的快速计算方法研究

给出了球谐函数不含阶次 (n,m)调制的递推公式 ,推导出非心引力矢量、引力张量的快速计算格式 ,给出了相应的算法。该算法优于传统正常化递推求和算法 ,减少了运算次数 ,使计算速度提高了 5倍。对低轨卫星预报、卫星重力测量反演、动力法定轨等的响应时间都具有重要贡献。     

球谐函数级数式的改化形式

首先将级数式中缔合勒让德函数的计算转化为一般勒让德函数的导数计算，并给出相应的递推公式；其次将球谐函数级数式转化为仅含带谐项的级数式，并给出相应系数的计算公式。经实例计算，用机时间节省约90％。这对于应用部门快速计算重力场的有关数据将十分有利。     

球谐函数变换快速计算扰动引力

在球谐函数变换基础上,利用新极下轨道的特殊性,在新坐标下引入Clenshaw求和计算轨道扰动引力。从理论上对比分析了传统方法、球谐函数变换方法和改进方法的计算速度和存储模型需要的物理空间。模拟试验分别采用3种方法计算了一段轨道的扰动引力,试验结果表明,改进的球谐函数变换方法比传统球谐函数变换方法计算速度可提高100倍,数据存储量仅占传统方法的3%。     

球冠谐分析中非整阶Legendre函数的性质及其计算

局部重力场的谱方法是当前重力学的研究方向,该方法的核心问题是如何构造合适的谱函数以及如何对谱函数实施快速、有效的计算。当所研究的区域近似一个球冠时,迂冠谐函数是该区域对应的谱函数,它由非整阶勒让德（Ｌｅｇｅｎｄｒｅ）函数和三角函数组成,显然非整阶勒让德函数的构造和计算是研究球冠谐函数的关键。本文研究了非高小阶勒让德函数的性质和实用计算方法,包括如何对非整阶勒让德函数实施规格化处理。     

边界数据稀疏地区似大地水准面模型的建立

研究了斯托克斯移去恢复法和框架约束球谐函数展开模型,分析了数据稀疏、质量不高地区的计算情况,实现了框架约束球谐函数模型精度优于常规斯托克斯移去恢复法。     

外空扰动引力计算方法的内在联系

利用算子运算的方法,对求定外空扰动引力的Bjerhammar方法、虚拟点质量方法以及虚拟单层密度方法进行了系统地归纳;利用Possion核的再生特性及球谐函数的正交性质,给出了它们之间的换算关系;最后从两个方面分析了实用计算中各种方法的优劣.     

全张量重力梯度数据的谱表示方法

在文献「１」的基础上,进一步研究全张量重力梯度数据的全局和局部分量的广义球谐谱表示和轨道根数据表示,并给出了广义球谐函数与球谐函数这间的关系,从理论上得到了全张量重力梯度数据的描述方法和由全张量重力梯度网格数据恢复全球重力位谱系数的基本公式,本文对全张量重力梯度数据的谱表示和谱分析所做的工作,对由重力梯度张量的部分分量恢复全球重力位普系数有一定的参考价值。     

外空扰动引力计算方法的内在联系

利用算子运算的方法，对求定外空扰动引力的Bjerhammar方法、虚拟点质量方法以及虚拟单层密度方法进行了系统地归纳；利用Possion核的再生特性及球谐函数的正交性质，给出了它们之间的换算关系；最后从两个方面分析了实用计算中各种方法的优劣。     

应用Slepian局部谱方法解算中国大陆重力场球谐模型

根据经典的球谐函数方法,为满足正交化要求,观测数据需要覆盖整个球面,而对于地表局部测量数据,则无法应用球谐方法解算重力场模型。针对此问题,采用Slepian局部谱分析方法解算中国大陆范围内的实测重力场变化数据,并以GOCE卫星球谐函数解作为已知模型,评估由于实际陆地重力测点的非均匀分布对球谐函数解的误差影响。通过计算多个阶次中国大陆局部范围的Slepian基函数分布;采用GOCE卫星获得重力场模型的前72阶球谐系数作为已知结果,评价实际测点非均匀分布的解算有效性,并针对中国大陆地区采用Slepian基函数进行解算,通过模型对比选择最优截段项数;针对2005—2008年中国大陆地区流动重力测量获得的重力场变化信号进行解算,获得了72阶重力场变化模型。     

基于球谐函数模型的电离层预报

据球谐函数模型系数的特点,采用ARMA(p,q)模型对球谐函数模型系数进行预报,由球谐函数模型计算电离层VTEC。提出了针对某一时刻球谐系数进行预报的方法,相比传统按照时刻顺序的预报,预报时间大大延长,预报精度也有所提高。试验结果表明,相比中高纬度地区,低纬度地区预报精度偏低,同时,一天中不同时刻预报结果有所差别,前半天的预报效果明显好于后半天。     

GAAF在星载GPS实时定轨中的应用研究

为确保高精度星载GPS实时定轨算法能够应用于较低轨道卫星,提出了用地球引力近似函数法(GAAF)代替传统球谐函数递推法来计算地球引力加速度,在不降低实时定轨精度的同时,大幅减小高阶次重力场模型的轨道积分计算负荷,以满足计算能力有限的星载处理器的在轨处理要求。分析了影响GAAF计算精度的两个因素:伪中心位置拟合多项式的次数选取和经纬度格网大小的最优确定。用CHAMP卫星的实测GPS数据模拟实时定轨试验,结果表明,采用二次及以上伪中心拟合多项式,格网纬度小于0.75°、经度小于1.5°的GAAF时,实时定轨的轨道精度要优于70×70阶次重力场模型直接参与实时定轨,且大幅降低实时定轨的计算负荷。     

基于K-means聚类分析的球冠谐函数拟合高程异常方法

利用球冠谐函数拟合高程异常曲面时,GPS/水准数据的分布和选取,对最后的拟合精度有较大影响。本文提出了一种基于K-Means聚类的球冠谐函数拟合方法,即利用K-Means聚类分析方法对高程异常数据点进行有效分类和选择,再结合球冠谐函数的逼近方法,提高了高程异常曲面的拟合精度。通过与实测高程异常数据进行比较,基于K-Means聚类分析的球冠谐函数拟合方法优于多项式拟合法、移动二次曲面拟合法、多面函数拟合法和球冠谐函数拟合法。     

引力和垂线偏差的非奇异公式

基于$\frac{{{{\bar{P}}}_{nm}}\left( \cos \theta \right)}{\sin \theta }\left( m>0 \right)$的非奇异递推公式,给出了基于球坐标的引力矢量和垂线偏差非奇异计算公式;针对极点λ可任意取值引起的地方指北坐标系方向的不确定性问题,证明了引力矢量在转换到地心直角坐标系后不随λ的变化而变化,即与λ的取值无关。最终的数值计算结果表明,直角坐标系下的非奇异计算公式与本文提出的球坐标下的非奇异计算公式所得计算结果绝对值差异小于10-16m/s2,证明了该非奇异公式的正确性。最后总结了所有引力位球函数一阶导、二阶导非奇异性计算的一般思路。     

中国区域VTEC模型Kriging算法研究

为了对区域电离层延迟进行实时模型化,利用中国区域GPS实测资料,基于球冠谐函数模型、低阶球谐函数模型、多项式模型和Kriging内插方法,构建了电离层延迟模型。重点讨论了电离层垂直总电子含量(vertical total electron content,VTEC)的空间变异性、相关性的统计计算和Kriging内插估计方法,实现了中国区域VTEC格网实时建模。验证结果表明,高纬度地区VTEC拟合精度优于低纬度地区,Kriging内插估计和多项式模型结果的拟合内符合精度明显优于球冠谐函数模型和低阶球谐函数模型。但多项式拟合的格网,其方差则存在明显的边际效应,拟合区域中央精度较高,区域边缘地带精度明显下降;Kriging算法估计的格网点VTEC方差更符合实际情况,穿刺点多的地方,格网点精度较高。     

第二类连带勒让德函数及其一阶、二阶导数的递推计算方法

推导出了地球重力场位模型椭球谐级数表达式中的第二类连带勒让德函数及其一阶、二阶导数的修正Jekeli递推计算方法,并与传统的Jekeli递推计算方法的结果进行比较。结果表明,在递推计算收敛精度相同的条件下,修正Jekeli递推计算比传统Jekeli递推计算需要的收敛项数减少一半,最大约为30项;随着阶次n、m的增大以及收敛项k的增加,修正Jekeli递推计算的第二类连带勒让德微分方程的精度一直保持在1×10-6左右;不同高度下,阶数n与高度h之间的关系与球近似下(R/r)n+1的阶数n与高度h之间的关系相似。     

质量负荷引起地表形变的格林函数和球谐函数方法对比研究

固体地球对地表质量负荷响应,一般采用格林函数或球谐函数方法来计算。两者在数学上是等价的,在实际计算中存在差异。应用地表流体质量负荷变化数据,定量分析了二者在计算地表位移时的精度。结果表明,同一负荷作用下对单点地表位移的计算,两者的精度在误差水平上是一致的,其计算效率也是一致的;但在计算全球1°规则网格站点时,球谐函数方法要比格林函数方法在计算效率上快近100倍。对地表流体质量变化而言,2°空间网格的分辨率一般可满足改正GPS位移数据的精度,且地表流体引起的站点垂直位移变化可解释超过50%的GPS观测方差。