海空重力测量技术体系构建与研究若干进展(二):数据归算与误差分析处理技术

分析评述了作者所在研究团队在海空重力测量技术体系建设领域取得的一些有理论意义和实用价值的研究成果,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。其目的之一是向读者成体系地推荐我们多年积累的研究成果,目的之二是想借此机会通过回顾和梳理研究团队的发展轨迹和科学感悟,在新的起点上定位未来的发展方向、发展目标和发展思路。分三个部分进行介绍,本文为第二部分,主要涉及海空重力测量数据归算与误差分析处理两个领域的研究成果。     

海洋重力场特征统计模型计算与分析

海洋重力场特征参数在地球重力场逼近计算和海上测量优化设计中具有重要的应用价值。基于卫星测高重力在海域具有覆盖范围广且分布均匀的独特优势,提出了利用最新卫星测高重力数据集开展海洋重力场特征统计模型计算和分析的研究方案,给出了代表误差和协方差函数模型参数的计算公式,定义并研究了海洋广义布格重力异常的变化特征,提出了等精度和非等精度拟合经验协方差函数的计算模型。利用中国近海及西太平洋海区超过50万个5'×5'方块的1'×1'网格卫星测高重力异常数据,首次计算得到一组有代表性的中国周边海域重力场特征统计模型参数,较好地揭示了海洋重力场有别于陆地重力场的变化特征,利用海面船测重力数据对计算结果进行了可靠性检核,提出了相应的模型参数修正方案和使用建议。     

多型航空重力仪同机测试及其数据分析

介绍了运8飞机加装4型5套航空重力仪开展同机测试的整体情况,对5套重力仪所获取的重复线和测网成果数据进行了对比分析。试验结果表明,俄罗斯GT-1A航空重力仪具有最佳的综合性能技术指标,平差前测量精度为±2.45mGal;美国TAGS航空重力仪为其次,平差前测量精度为±3.9mGal;SII型船载海空重力仪可改造升级为航空重力仪,并具有与TAGS同等的综合性能技术指标;国内自主研发的SGA-WZ01捷联航空重力仪具有最佳的重复线测量精度,测网精度接近于GT-1A航空重力仪水平,平差前测量精度为±2.96mGal,另一款自主研制的GDP-1重力仪首次成功实现了航空重力测量功能,平差前测量精度为±4.52mGal。     

利用多代卫星测高数据反演海洋重力场

为了解决多代卫星测高数据之间的不协调性问题,本文基于误差验后补偿理论,提出将传统的交叉点平差整体解法简化为两步处理法,即首先使用条件平差法对交叉点观测方程进行平差计算,然后沿测高轨迹进行海面高滤波和推估。在此基础上,本文利用多代卫星测高数据联合平差获得的结果,进一步反演了中国海及其邻域地区的重力异常,并将计算结果同海面船测数据作了比对,实际算例已经证明了新方法的有效性。     

GNSS接收机性能自测试方法及试验

针对自主开展GNSS接收机差分有效作用距离、动态性能、垂向定位精度等指标测试难度大,普通用户缺乏有效手段的技术现状,提出了一套GNSS接收机静态和动态批量测试方法,并利用10台GNSS接收机进行了长短基线、动基线和模拟RTK测量试验,试验结果表明,本方案既可以评估不同基线长度下接收机静态和动态性能,还可以对垂向精度进行评估,能够解决无GNSS检定场下的接收机自主评估难题。     

重力场辅助水下导航对惯导仪器的要求

水下重力测量的准确性是决定重力场辅助水下导航可行性的一个重要指标。从厄特弗斯改正公式出发,详细分析了纬度、航向、航速精度对厄特弗斯改正的影响方式和影响大小,并以当前海洋船测重力精度作为厄特弗斯改正的误差限定,分析了满足该条件下水下载体的航向、航速需要达到的精度指标,提出了利用惯性系统进行水下重力测量误差修正时对导航硬件的要求。     

影响重力场匹配导航效果的要素分析

从重力场匹配导航的改进 TERCOM 算法入手,针对采样长度、采样间隔以及重力测量误差对匹配结果的影响进行了系统的分析,并在此基础上设计了客观有效的准实时仿真试验,结果表明:(1)采样长度对匹配结果有重要的影响,匹配长度过短或过长都不利于匹配到最佳格网位置,当采样长度与重力基准图的分辨率比值在 10 ~ 20 之间时,能够获得较好的匹配效果;(2)在采样长度一定的情况下,适当增加采样间隔可以在一定程度上提高匹配的整体精度;但采样间隔增加到一定程度后,继续增加采样间隔将引起匹配效果急剧恶化;(3)重力测量白噪声误差对匹配结果影响相对较大,但 5mGal 以内的重力测量白噪声对都能够进行有效匹配;而在重力测量误差受高斯白噪声和系统性误差同时作用的情况下,过大的系统性误差将不能得到有效匹配。     

基于Bjerhammar边值理论的似大地水准面计算模型改化及分析检验

针对源自现代Bjerhammar边值理论的似大地水准面计算模型适用性问题,重点围绕地面重力异常向下延拓和似大地水准面计算两个解算阶段,分别提出了3种实用化的积分模型改化方法,同时设计了三阶段改化模型实验检验方案,使用超高阶位模型EGM2008作为数值模拟标准场,对两个解算阶段不同改化模型的计算效果进行了数值精度检核,并开展了数据观测噪声影响评估检验,得出了一些有参考和实际应用价值的研究结论。在一定条件下,使用改化Bjerhammar方法计算似大地水准面可获得1～2 cm的内符合度。     

功率谱密度函数的构建及在重力场元计算中的应用

应用输入输出法逼近局部重力场的关键在于构建有效反映局部重力场特征的功率谱密度函数模型、利用"间接法",基于Moritz协方差模型、Tscherning/Rapp协方差模型和Moritz两分量模型分别构建对应的功率谱密度函数模型,并采用非线性最小二乘法在EGM2008模型的基础上拟合了模型系数。拟合结果表明:在2倍相关长度的相关距离内,Moritz两分量模型求得的理论协方差值与经验协方差值的符合度最好。设计了以EGM2008模型重力异常为基础数据,计算大地水准面高的仿真实验。结果表明:三种模型中,Moritz两分量模型的计算结果精度最高,同传统Stokes方法的计算结果精度相当,与拟合的理论协方差曲线图所反映的结果一致。     

海域流动点外部扰动引力无奇异计算模型

针对海域重力场变化特征和远程飞行器机动发射保障应用需求,本文分析研究了地球外部空间扰动引力三类传统计算模型的技术特点及其适用性,指出了采用表层法作为海域流动点扰动引力计算模型的合理性及需要解决的关键问题,分析论证了空中扰动引力计算对地面观测数据的分辨率和精度要求,提出通过引入局部积分域恒等式变换、局域泰勒级数展开和非网格点内插方法,消除表层法计算模型积分奇异性固有缺陷的研究思路,进而推出了适合于海域流动点应用的扰动引力无奇异计算模型,较好地满足了全海域和全高度段对局部扰动重力场快速赋值的实际需求.以超高阶全球位模型EGM2008作为标准场,通过数值计算验证了无奇异计算模型的可行性和有效性,在重力场变化比较剧烈的海沟区,该模型的计算精度优于2×10^-5m·s^-2.