重力场基准图的最优匹配尺度研究

地球重力场具有多尺度特性,本文以重力匹配辅助惯性导航的需求为研究背景,围绕重力场基准图开展重力场的最优尺度分析研究,并引入小波分析方法建立重力场基准图数据的多尺度表达模型,选择适合重力匹配的最优尺度,用粗糙度特征选取重力场可匹配区域,然后通过ICCP和TERCOM算法在可匹配区域内进行重力匹配实验,检验理论计算得到的最优尺度是否适合于匹配定位,从定量的角度证实了最优尺度选择结论的正确性。     

重力场基准图的多尺度分析研究

在重力匹配辅助惯性导航中,重力基准图的多尺度分析研究对提取重力场可匹配特征区域、提高重力匹配算法的可靠性都具有重要意义.运用小波理论,对匹配用重力场基准图进行多尺度重力场模型及多尺度边缘提取分析.实验表明,该分析方法对重力场图效果显著,具有实用价值.     

重力异常辅助惯性导航中匹配区提取方法

由于重力场中的重力异常数据是以格网的形式表示的,它与地形的DEM在数据结构上有一定的相似性.因此可借鉴一些数字地形分析的方法,提取重力场的特征区域(匹配区)用于辅助惯性导航.首先,对重力场进行特征提取,通过对特征的比较分析选取其中的某些因子作为重力场特征因子;然后,利用等值线方法对重力场特征数据进行区域分割,提取栅格特征数据区域的矢量边缘,并对这些矢量表示的区域进行聚类处理;最后,利用凸壳算法提取这些区域的凸壳范围线,获得重力异常变化比较显著的区域(匹配区).从而为重力匹配辅助导航提供了必要的参考数据.     

基于局部地球重力场模型的水下目标被动定位

提出了一种基于局部地球重力场模型的水下被动定位新模式.这种方法无需使用常用的匹配算法,因而也就摆脱了匹配算法的诸多限制.以分辨率为2′×2′的某区域重力异常数据为背景场进行仿真,仿真结果表明,局部重力场模型的平均误差小于0.133 1 mGal,潜器的平均经纬方向定位误差分别小于0.777 0 nmile和1.244 4 nmile.     

基于“浅层海水”质量法确定海洋内部层面重力值

经典物理大地测量学利用斯托克斯方法和莫洛金斯基方法解算大地测量边值问题并给出地球外部重力场表达,若忽略1~2 m量级的动力学海面地形,静止的平均海面可认为是大地水准面,后者是与平均海平面最为接近的重力等位面。经典理论无法求解海洋内部,即地球内部重力场问题,为解决这一局限,基于地表浅层法引入“浅层海水”的概念,“浅层海水”上下界面由平均海面高模型DTU21确定,利用牛顿积分和球谐展开算法确定了最优球谐分析迭代次数,分析了“浅层海水”厚度与积分区域半径大小的关系,确定了“浅层海水”厚度为100 m、500 m和1 000 m时的最优积分区域半径为1°,厚度4 000 m时为1.5°;评估了“浅层海水”质量法移去-恢复海洋表面重力值的精度,“浅层海水”厚度100 m、500 m、1 000 m和4 000 m的均方根误差分别为0.13 mGal、0.61 mGal、1.21 mGal和3.93 mGal,验证了该方法的可靠性。基于此理论,计算了不同厚度“浅层海水”下表面的层面重力值,得到了100 m、500 m、1 000 m和4 000 m深度处层面重力值与“浅层海水”上表面重力值差的均方根,分别为22.11 mGal、110.50 mGal、220.87 mGal和877.31 mGal。     

空域最小二乘法用于重力卫星误差分析

重力测量卫星性能不仅与轨道参数、载荷误差、数据分辨率等因素密切相关,也与反演算法有关。传统的分析方法如动力学法、短弧法等用于误差分析,不可避免将算法误差引入分析结果,使得分析结论确定性不足。为解决这一问题,提出了空域最小二乘分析法,用空域格网重力扰动数据替代重力卫星载荷数据反演地球重力场,有效避免了算法误差对于分析结果的影响。分析结果表明,重力卫星在500 km轨道高度、一次数据覆盖条件下,测量重力场最高阶数约为240阶,载荷误差为1×10-10 m·s-2·Hz-1/2水平时,测量重力场最高阶数为136阶,其累积重力异常误差为2.7 mGal,累积大地水准面误差为14 cm。要达到最优测量能力,轨道倾角通常不小于89°。为减小地球引力高频信号对于地球重力场低阶位系数估计值的影响,估计位系数最高阶数需大于240阶。     

基于球谐函数的重力异常和垂线偏差误差匹配关系

重力异常和垂线偏差是测高卫星非常重要的产品。二者的精度指标对于未来的测高卫星方案设计至关重要。本文利用球谐函数来对重力异常和垂线偏差的精度指标进行讨论,首先从理论上推导了重力异常和垂线偏差误差的近似匹配关系,然后通过6个超高阶重力场模型验证了有关结论的正确性。数值试验表明:垂线偏差误差和重力异常误差满足近似的比例关系,即若垂线偏差各方位向等精度测量,且假定精度均为1μrad,则所对应的重力异常精度约为1.4mGal;反之,若重力异常的精度为1mGal,则所对应的垂线偏差的精度约为0.7μrad。     

重力场可匹配区域选择研究

本文根据重力匹配辅助惯性导航需求,开展了重力场基准图的特征分析研究,提出了衡量可匹配性的特征指标体系,根据该指标体系建立了一个多通道的综合指标分布图,并引入了水平集理论,采用一种基于Mumford-Shah模型的全局化水平集的图像分割方法对重力场可匹配区域进行分割。通过重力匹配实验验证,结果表明,分割出的可匹配区域能达到提高匹配概率的作用。     

改进TERCOM算法用于重力场辅助惯性导航

匹配算法对于重力辅助惯性导航系统的定位精度和效率有巨大影响。其中,TERCOM匹配算法由于原理简单、可靠性高而被广泛应用,但其只是通过刚性变换来纠正位置误差。针对TERCOM算法存在的此种问题,提出了带有旋转和尺度变换功能的改进TERCOM算法,旋转的角度和尺度变换的相关参数依据惯导的误差状况进行确定。实验结果表明,改进型TERCOM算法在相同的条件下匹配结果的精度要明显好于传统TERCOM算法,表明了改进TERCOM的优越性和可行性。     

基于重力场产品的水下匹配导航发展现状及影响因素分析

因高精度、无源性的特点,水下匹配导航技术已成为水下运载体导航的主要发展方向之一。分析水下匹配导航存在的问题,详细介绍了基于重力场产品的匹配导航发展现状,并对制约该技术定位精度的因素进行了分析。通过对比中国南海和太平洋研究区的重力异常、水深以及重力梯度特征参数,验证了重力辅助匹配导航技术更适合在重力特征变化明显的区域使用;当重力场产品格网大小为l时,匹配导航的最高精度为■。