“物理大地测量学”课程思政的探索与实践

“物理大地测量学”是测绘类专业的一门核心基础课程,针对该课程内容开展课程思政教学与实践对于培养德才兼备的测绘类专业人才具有重要意义。以武汉大学测绘学院测绘类专业为例,分析了“物理大地测量学”开展课程思政的必要性,从科学精神、创新精神、家国情怀、大国工匠精神和团队协作精神等层面梳理了该课程内容的思政元素融入点,重点对课程思政教学中的具体实践路径和一些需要注意的问题进行了探讨与案例分析,可为测绘类专业课程思政建设和教学实践提供参考。

利用GOCE和GRACE卫星观测数据确定静态重力场模型

高精度静态卫星重力场模型在全球海洋环流研究、全球/区域数字高程基准面确定等领域有重要应用,本文研究仅利用GOCE卫星和联合GRACE卫星观测数据确定高精度高阶次静态重力场模型.利用GOCE卫星全周期高精度引力梯度分量(V_(xx)、V_(yy)、V_(zz)和V_(xz))观测值基于直接最小二乘法构建300阶次的SGG(Satellite Gravity Gradiometry)法方程,并利用卫星跟踪卫星观测值基于点域加速度法构建130阶SST(Satellite-to-Satellite Tracking)法方程,然后利用方差分量估计联合SGG和SST法方程确定300阶次纯GOCE卫星重力场模型GOSG02S.利用全周期GRACE观测数据由动力学方法解算了180阶次的SWPU-GRACE2021S模型,并将其对应法方程与GOCE卫星法方程联合解算了GRACE和GOCE的联合模型WHU-SWPU-GOGR2022S.分别基于XGM2019模型和GPS水准数据对本文解算的三个模型GOSG02S、SWPU-GRACE2021S和WHU-SWPU-GOGR2022S在频域和空域进行了精度分析,结果表明,GOSG02S和WHU-SWPU-GOGR2022S模型与GO_CONS_GCF_2_DIR_R6、GO_CONS_GCF_2_TIM_R6、GO_CONS_GCF_2_SPW_R5、GOCO06s和Tongji-GMMG2021S等使用了GOCE卫星全周期数据的模型精度相当,精度差异基本都在毫米量级;SWPU-GRACE2021S模型在160阶次之前与国际主流GRACE卫星重力场模型ITSG-Grace2018s和Tongji-Grace02s精度相当.

Tikhonov正则化方法在GOCE重力场求解中的模拟研究

给出四类可用于重力场解算的正则化矩阵(零次、一次、二次和Kaula),以及用于确定正则化参数的L曲线法和GCV方法的数学模型。基于SA方法,利用模拟数据分析讨论了零次、一次以及Kaula正则化矩阵应用于GOCE全球重力场模型确定的有效性,并由Kaula正则化矩阵分析L曲线法和GCV方法确定正则化参数的可行性。数值结果表明三类正则化矩阵获得的最优解(以大地水准面MSE最小为准则确定)的精度水平相近,关键在于相应正则化参数的确定,数值结果同时说明了GCV方法和L曲线法可用于确定正则化参数,且前者较后者具有更好的稳定性。

基于空域最小二乘法求解GOCE卫星重力场的模拟研究

论述最小二乘过程中有色噪声的处理方法,提出使用自回归模型对GOCE梯度观测值中的有色噪声进行时域滤波,数值模拟结果验证该方法的有效性。利用数值模拟验证直接求逆方法和PCCG法求解大型法方程的有效性,后者的效率远远高于前者。联合加入噪声(有色噪声和白噪声)的卫星重力梯度张量径向分量观测值Vzz和SST观测值,分别使用空域最小二乘法和半解析法恢复180阶全球重力场模型,前者求解重力场模型的大地水准面和重力异常在180阶次的精度分别为3.01 cm和0.75 mGal(1 mGal=10-5 m/s2),优于半解析法求解模型的精度。

GOCE卫星重力梯度测量误差分析及其模拟研究

论述GOCE卫星重力梯度测量误差的来源及其特性,提出采用AR模型基于先验的误差PSD模拟卫星重力梯度仪有色噪声时间序列,给出AR模型构造平稳随机过程的基本原理和数学模型。根据两类解析形式的重力梯度仪观测噪声PSD分别模拟相应的有色噪声时间序列,模拟的噪声时间序列对应的PSD与解析形式PSD比较的结果验证了AR模型用于模拟GOCE卫星重力梯度测量有色噪声的可行性和有效性。

利用参考重力场模型基于能量法确定GRACE加速度计校准参数

利用多个参考重力场模型分别对GRACE一个月的实测加速度计观测数据进行检校。数值计算结果的比较分析表明了利用参考重力场模型确定加速度计校准参数是有效的。

GOCE卫星重力探测任务

通过分析利用卫星观测技术恢复地球重力场的现状与不足,论述了实施GOCE任务———地球重力场和稳态海洋环流实验的必要性;并阐述了GOCE任务的发展历史及现状、基本特点、组成部分、重力梯度测量原理、数据处理过程、误差特性,以及该任务在固体地球物理学、大地测量学、海洋学、冰河学等地球物理相关科学领域中的应用。

利用先验重力场模型对GOCE卫星重力梯度观测值进行校准分析

GOCE卫星任务搭载了高灵敏度的重力梯度仪,其观测值用于恢复高精度高分辨率的地球重力场。本文利用EIGEN-5C、EGM2008、GOTIM3、GGM03S高精度全球重力场模型,确定了GOCE引力梯度张量的对角分量观测值(Vxx、Vyy、Vzz)的校准参数,分析了比例因子的稳定性,并讨论了相同模型不同阶次、同阶次不同模型以及是否估计漂移参数对比例因子、偏差参数及校准观测值的影响。研究表明比例因子的稳定性在10-4的量级,利用250阶的EIGEN-5C模型和EGM2008模型校准得到观测值的差异小于10-4 E,远远小于观测误差,以1d为周期估计校准参数时,是否估计漂移对校准结果的影响达到0.4E。同时,校准前后观测值差异的频谱说明校准过程主要影响Vxx、Vyy、Vzz观测值的低频部分,即来自先验重力场模型的中低(<150)阶次,考虑到GOCE引力梯度的观测频带,校准后的观测值可用于恢复中高频的重力场信号。

一种新型重力测量卫星系统确定全球重力场的性能分析

本文设计了一种高-低卫星跟踪卫星、低-低卫星跟踪卫星和卫星重力梯度测量相结合的新型重力测量卫星系统,其可在一定程度上发挥卫星重力梯度和低低卫星跟踪卫星两种测量模式各自的优势.基于重力卫星系统指标设计的半解析法,深入分析了不同重力测量卫星系统配置和不同观测量及其不同白噪声水平情况下,新型卫星重力测量模式反演重力场模型的能力.数值模拟分析结果表明:在观测值精度和星间距离相同的条件下,轨道高度是影响重力场反演精度的关键因素;随着星间距离的增大,高频重力场信号反演精度会先提高后降低,轨道高度在200~350km之间时,星间距离在150~180km之间时反演精度最优;星间距离变率和卫星重力梯度两类观测值仅在某些精度配置时可达到优势互补,如果某一类观测值精度很高,则另一类观测值在联合解算时贡献非常小或者没有贡献.在300km轨道高度,若以GRACE和GOCE任务的设计指标1μm·s-1/(Hz)^(1/2)和5mE/(Hz)^(1/2)来配置新型重力测量卫星系统中星间距离变率和引力梯度观测值的精度,联合两类观测值解算200阶次模型大地水准面的精度比独立解算分别提高1.2倍和2.8倍.如果以实现100km空间分辨率1~2cm精度大地水准面为科学目标,考虑卫星在轨寿命,建议轨道高度选择300km,星间距离变率和卫星重力梯度的精度分别为0.1μm·s-1/(Hz)^(1/2)和1mE/(Hz)^(1/2).本文的研究成果可为中国研制自主的重力测量卫星系统提供参考依据.

最小二乘法求解三类卫星重力梯度边值问题的研究

研究了最小二乘法求解3类卫星重力梯度边值问题的理论和方法,给出了3类梯度观测值{Γzz}、{Γxz、Γyz}和{Γxx-Γyy,2Γxy}对应边值问题解的核函数严密表达式。模拟试算结果表明,最小二乘法求解的卫星重力梯度积分公式用于恢复地球重力场是有效而严密的。

ENVISAT测高数据波形重跟踪分析研究

对卫星测高技术中的波形重跟踪技术及其算法进行了详细分析讨论,同时分析了波形重跟踪中最小二 乘解初值及权的确定,根据ENVISAT的SGDR波形数据,利用波形重跟踪技术研究了开阔海域上的距离改正情 况(一般距离改正为20～30cm)。结果表明,重跟踪改正后的精度,18Hz距离优于1Hz距离。

西北太平洋岩石圈有效弹性厚度及其构造意义

本文引入滑动窗口导纳技术（MWAT）,计算西北太平洋岩石圈有效弹性厚度（Te）.首先,基于SIO V15.1海底地形模型,模拟研究了MWAT法计算Te的精度,表明当Te〈5km时,误差在±1km以内,当Te≥5km时,相对误差在10%以内.分别采用GEBCO、SIO V15.1和BAT_VGG海底地形模型,构建了西北太平洋Te,通过对获得的洋壳密度参数和实测导纳与模型导纳之差的均方根进行分析,结果表明,BAT_VGG模型更适用于Te计算.西北太平洋Te均值为13.2km,标准差为6.9km,以板块冷却模型为参考,主要分布在150℃～450℃等温线深度范围内.白垩纪和侏罗纪时期岩石圈Te分布在150℃～300℃等温线深度范围内,且未随海山加载时岩石圈年龄增大而增大,说明海山加载时岩石圈年龄不是影响其强度的唯一因素.南太平洋超级海隆活动,以及研究区域广泛存在的断裂带构造,都曾对本区域岩石圈演化产生过重要影响,可能是本地区岩石圈Te较小的构造原因.

激光高度计卫星ICESAT在地学研究中的应用

介绍了世界首颗激光高度计卫星ICESat及其惟一有效的载荷———地学激光测高系统(GLAS)以及它的科学研究目的和工作原理,论述了ICESat在地学研究中的应用。

利用卫星测高资料监测长江中下游湖泊水位变化

利用Envisat 1卫星的GDRs数据,根据适当的数据编辑准则,进行了必要的地球物理改正之后,研究分析了长江中下游鄱阳湖、洞庭湖、太湖、巢湖的水位变化及其与气候环境的关系,为长江流域水位变化与气候变化的长期性研究提供了一种有效的手段和方法。

OpenMP并行计算在卫星重力数据处理中的应用

对新一代卫星重力数据处理中的计算密集型任务进行分析,总结出需要采用并行计算技术提高效率的几个关键任务。对不同的并行手段进行比较,采用OpenMP并行方法,并通过算例验证并行设计方法的有效性。结果表明,并行计算能显著提高卫星重力任务的数据处理效率。

区域与全球高程基准差异的确定

全球高程基准统一是继全球大地测量坐标系及其参考基准统一之后,大地测量学科面临和亟待解决的一个重要问题,也是全球空间信息共享与交换的基础。本文针对区域高程基准与全球高程基准间基准差异确定的理论、方法及实际问题开展研究。利用物理大地测量高程系统的经典理论方法,给出了高程基准差异的定义,并推导了计算基准差异的严密公式,该公式可将高程基准差异确定的现有3种方法统一起来。在此基础上,分析顾及了不同椭球参数对于计算基准差异的影响及量级,同时,高程异常差法还需考虑全球高程基准重力位与模型计算大地水准面位值不一致引起的零阶项改正。利用青岛原点附近152个GPS水准点数据,分别选择GRS80、WGS-84、CGCS2000参考椭球以及EGM2008、EIGEN-6C4、SGG-UGM-1模型,采用位差法和高程异常差法,确定了我国1985高程基准与全球高程基准的差异。其中,EIGEN-6C4模型计算的我国高程基准与WGS-84参考椭球正常重力位U0定义的全球高程基准之间的差异约为-23.1cm。也就是说,我国高程基准低于采用WGS-84参考椭球正常重力位U0定义的全球高程基准,当选取基于平均海面确定的Gauss-Listing大地水准面作为全球高程基准时,我国1985高程基准高于全球基准约21.0cm。从计算结果还可看出,当前重力场模型在青岛周边不同GPS/水准点的精度差别依然较大,这会导致选择不同数据对确定我国85国家高程基准与全球基准之间的差异影响较大,因此,若要实现厘米级精度区域高程基准与全球高程基准的统一,全球重力场模型的精度和可靠性还需要进一步提高。

GRACE/GOCE扩展重力场模型确定我国1985高程基准重力位的精度分析

高精度高程基准重力位的确定往往依赖于高精度全球重力场模型,其对全球和区域高程基准的高精度统一非常关键,GRACE、GOCE卫星重力计划极大地提高了全球重力场模型中长波的精度.本文首先对GRACE/GOCE卫星重力场模型的内符合和外符合精度进行讨论分析,结果说明卫星重力模型的截断误差影响可达到分米级水平,在确定高程基准重力位时该影响不可忽略.利用EGM2008模型扩展GRACE/GOCE卫星重力场模型至2190阶,可有效减弱卫星重力模型的截断误差影响,但不同模型扩展时的最优拼接阶次不同,其中DIR-1、DIR-5模型对应的最优拼接阶次分别为180阶和220阶,以GPS水准数据检验,扩展模型在中国区域的精度均优于18cm.最后,基于最优拼接阶次获得的扩展重力场模型对我国1985高程基准重力位进行了估计,DIR-5和TIM-5模型对应数值分别为62636853.47m^2·s^-2和62636853.49m^2·s^-2,精度均为1.51m^2·s^-2;发现在中国区域模型大地水准面与GPS/水准数据的差值存在微弱的系统性倾斜,东西向倾斜约为9cm,南北向倾斜约为1.4cm,考虑倾斜改正后基于DIR-5和TIM-5模型估计我国1985高程基准重力位的精度提高了0.16m^2·s^-2.

卫星重力资料分析的同解法研究及其仿真

对同解法的基本思想和流程进行归纳,研制相应的软件系统。利用模拟的GPS和星间测距数据进行同时确定重力场模型和卫星精密轨道的仿真模拟,验证本文设计思路的可行性和软件系统的可靠性。

星载加速度计的动力法校准

通过模拟轨道,利用动力法对星载加速度计校准进行了研究。用不同参考重力场模型获得的校准参数分别重新积分卫星轨道,与模拟轨道的差异最大可达m级。结果表明,参考重力场模型误差对加速度计校准的影响不可忽略,在校准加速度计的同时应解算重力场模型,以削弱模型误差的影响。

低轨道卫星重复周期的设计方法及其对重力场反演的影响

研究低轨卫星重复周期的设计原理,给出相应的计算公式。基于此对不同轨道高度卫星的重复周期进行数值仿真,并利用动力学方法分析不同重复周期轨道星下点轨迹的空间采样对重力场反演精度的影响。结果表明,卫星的重复周期与其轨道高度的变化并不成线性关系,并且在顾及重力场时间分辨率的情况下,长重复周期能够提高卫星地面轨迹的空间采样,为重力场解算提供较好的条件。