基于ico_HEALPix网格的超高阶地球重力场建模方法

本文针对传统地理网格数据剖分的重力场模型构建在高纬度区域出现数据冗余的问题,将分层等积等纬度像素化(HEALPix)网格结构引入地球重力场解算中,提出了利用二十面体HEALPix(ico_HEALPix)网格的超高阶地球重力场建模方法,实现了全球3600阶次球谐位系数的高效构建,同时针对ico_HEALPix网格在球谐分析过程中法矩阵不是严格块对角化结构的问题,设计了迭代算法,有效提高模型构建的精度。试验表明,ico_HEALPix网格数据在数据量小于地理网格500万的前提下,通过迭代方法构建的全球地球重力场模型精度可达到优于地理网格的效果,球谐位系数误差阶RMS提升1~2个数量级,还解决了地理网格南北极点畸变和数据冗余的问题,提高了网格的数据利用率。

DQM2022系列超高阶地球重力场模型构建及其精度评估

本文基于椭球谐分析,提出了超高阶地球重力场模型构建的局部积分改进迭代法和全球积分改进迭代法,解决了传统的局部积分改进法存在的局限性,有效提高了改进模型在中国地区的适用精度。选择EGM2008、EIGEN-6C4地球重力场模型作为初始模型,利用中国及周边地区最新的5′×5′实测格网平均重力异常数据,构建了DQM2022系列超高阶地球重力场模型,其完全阶次均为2190。采用地面实测重力异常、GNSS/水准、天文大地垂线偏差等数据对改进模型进行精度评估。结果显示:①相对于初始模型,改进模型表示中国地区重力场的精度显著提高,重力异常精度提高了2.4~2.8 mGal,高程异常精度提高了1.0~2.4 cm,垂线偏差精度提高了0.07″~0.15″;②在表示中国地区重力场时,基于EIGEN-6C4初始模型构建的改进模型精度最高,高程异常精度约为10.6 cm,垂线偏差精度约为2.1″。

基于Bursa模型的地球重力场模型2008高程异常误差算法

针对地球重力场模型2008(EGM2008)根据点位经纬度求得的高程异常精度较差,且测区内校正用已知点难以就近获得的问题,提出一种以Bursa模型求解EGM2008高程异常误差的算法;基于Bursa模型可进行严密高程转换的特点,利用测区外已知点求解的转换参数对测量点进行EGM2008高程异常误差值解算;以验算实例和不同区域工程实例对比的方式对该算法进行验算,结果表明:所提算法解算的高程异常误差值可作为EGM2008高程异常误差的修正值,利用远距离已知点校正高程异常可得到图根级精度的高程成果,且能适应不同地形、地势的工程测量要求。

确定地球重力场的六边形网格剖分方法研究

随着地球重力场观测数据的不断丰富、数值计算能力不断提升,重力场解算精度也在进一步提高,传统地理网格剖分下的重力场理论弊端日益凸显,包括相同分辨率不同纬度处的网格大小面积不等、数据观测量的浪费及冗余、积分计算的离散化误差较大、球谐分析中存在较强的频谱泄漏和混频效应、两极点计算中的奇异问题等。为解决以上局限性,实现重力场更高精度、更高效的数据融合与数据处理,论文首次提出利用球面六边形(蜂窝状)离散格网剖分解决上述由于格网分布方式引起的重力场解算相关的难题,主要围绕基于六边形网格的地球重力场球谐综合与分析、地形效应快速计算、数值积分以及工程应用等方面开展了相关研究。

顾及地球重力场模型的高程转换方法

高程异常值计算过程中,几何内插方法对已知点数量要求高且在山区精度较低,结合地球重力场数据可有效提高高程转换精度,为验证不同地球重力场模型与不同几何函数结合的算法精度,以四川名山地区的已知数据为例,采用2种选点方案、3种重力场模型和3种几何内插模型分别组合,以“移去—恢复”法分别进行GNSS高程转换,得到EIGEN6C4地球重力场模型与二次曲面函数相结合的最佳拟合模型,并以广西钦州石瓯山水库为例将此拟合模型应用于无人机摄影测量的高程计算中。结果表明,相比无人机处理软件Pix4Dmapper直接得到的高程异常和通过二次曲面函数计算获得的高程异常,该拟合模型的精度和可靠性更高。

两种地球重力场模型在GNSS高程拟合中的适用性分析

为比较XGM2019e与EGM2008两种地球重力场模型在GNSS高程拟合中的适用性,基于“移去-恢复”法,使用平面拟合、二次曲面拟合及多面函数拟合在两个不同地形条件区域开展GNSS高程拟合实验。实验数据表明,在两个区域中,基于XGM2019e模型计算出3种不同拟合方法的外符合精度依次为2.22,1.62,1.85 cm及1.56,3.32,1.17 cm,均高于使用EGM2008模型计算出的外符合精度,表明在实验区域内使用XGM2019e模型进行GNSS高程拟合的效果优于EGM2008模型,将XGM2019e模型与不同GNSS高程拟合方法进行组合,还可进一步提升GNSS高程拟合精度。

两种GRACE地球重力场精度评定方法的检验

基于改进的能量守恒法,分别利用先验地球重力场模型法(PEM)和最小二乘协方差阵法(LSM)评定了120阶GRACE地球重力场的精度,模拟结果表明:1)基于美国JPL公布的GRACE轨道参数和核心载荷精度指标,在120阶处分别采用PEM和LSM恢复地球引力位系数的精度为5.192×10-10和6.633×10-10;2)分别基于PEM和LSM恢复120阶地球引力位系数的模拟精度和德国GFZ公布的EIGEN-GRACE02S地球重力场模型的实测精度在各阶处符合较好,从而证明了基于PEM和LSM评定地球重力场恢复精度的有效性;3)通过基于PEM和LSM分别恢复地球引力位系数的模拟精度在各阶处的符合性,验证了基于能量守恒法结合预处理共轭梯度迭代法恢复120阶GRACE地球重力场算法的可靠性。

跟踪世界发展动态 致力地球重力场研究

比较系统、扼要地叙述了笔者所在单位 4 0余年来坚持跟踪世界发展动态 ,致力于地球重力场理论和方法的研究 ,并从教学和生产需要出发 。

用GRACE卫星跟踪数据反演地球重力场

利用141天GRACE卫星观测资料,包括K波段、星载加速度和卫星轨道数据,反演了80阶地球重力场模型IGGGRACE01S,该模型在半波长为500km的空间分辨率上,确定大地水准面的精度约为0.012m,中长波(<80阶)精度优于重力卫星发射以前研制的重力场模型.与EIGEN_GRACE02S、EIGEN_CHAMP03S和EGM96模型的位系数相比,该模型系数最接近于EIGEN_GRACE02S,与另两个模型差异较大.比较几种模型确定的全球重力异常和大地水准面起伏,结果发现IGGGRACE01S与EIGEN_GRACE02S模型的计算结果比较接近,与EGM96模型结果差异较大,差别较大地区主要在南极等地区.对于中国大陆,比较IGGGRACE01S模型(前72阶)计算的重力异常和NIMA重力异常数据(2.5°×2.5°网格),两者之间的标准偏差为4.8mGal.

GRACE卫星关键载荷实测数据的有效处理和地球重力场的精确解算

首先对美国喷气推进实验室(JPL)公布的2007-06-01～2007-12-31时间段内的GRACE Level 1B卫星GPS轨道位置和速度、K波段系统星间速度、加速度计非保守力以及恒星敏感器姿态实测数据对应进行了轨道拼接、粗差探测、线性内捅、重新标定、坐标转换、误差分析等有效处理;其次,基于改进的能量守恒法恢复了120阶GRACE地球重力场,在1 20阶处累计大地水准面精度为25.313 cm;最后,检验了本文地球重力场模型IGG-GRACE的可靠性,同时分析了IGG GRACE解算精度在低频部分略优于德国波兹坦地学研究中心(GFZ)公布的EIGEN-GRACE02S地球重力场模型,而在中高频部分略低的原因.

利用解析法有效快速估计将来GRACE Follow-On地球重力场的精度

本文首次利用解析法有效快速估计了将来GRACE(Gravity Recovely and Climate Experiment)Follow-On地球重力场的精度.第一,基于功率谱原理分别建立了新的GRACE Follow-On卫星激光干涉星间测量系统星间速度、GPS接收机轨道位置和轨道速度以及加速度计非保守力误差影响累计大地水准面的单独和联合解析误差模型.第二,利用提出的GRACE卫星关键载荷匹配精度指标和美国喷气推进实验室(JPL)公布的GRACE Level1B实测精度指标的一致性,以及估计的GRACE累计大地水准面精度和德国波兹坦地学研究中心(GFZ)公布的EIGEN-GRACE02S地球重力场模型实测精度的符合性,验证了本文建立的解析误差模型是可靠的.第三,论证了GRACE Follow-On卫星不同关键载荷匹配精度指标和轨道高度对地球重力场精度的影响.在360阶处,利用轨道高度250 km、星间距离50 km、星间速度误差1×10^(-9)m/s、轨道位置误差3×10^(-5)m、轨道速度误差3×10^(-8)m/s和非保守力误差3×10^(-13)m/s^2,基于联合解析误差模型估计累计大地水准面的精度为1.231×10^(-1)m.本文的研究不仅为当前GRACE和将来GRACE Follow-On地球重力场精度的有效快速确定提供了理论基础和计算保证,同时对国际将来GRAIL(Gravity Recovery and Interior Laboratory)月球卫星重力测量计划的成功实施具有重要的参考意义.

GRACE星体和SuperSTAR加速度计的质心调整精度对地球重力场精度的影响

本文利用改进的能量守恒法开展了GRACE星体和星载加速度计检验质量的不同质心调整精度影响地球重力场精度的模拟研究论证.结果表明:第一,在120阶处,当质心调整精度设计为0 m,恢复累计大地水准面精度为17.616 cm;当质心调整精度分别设计为5×10^(-5)m、1×10^(-4)m和5×10^(-4)m时,恢复精度各自降低至18.106 cm、19.033 cm和27.329 cm.第二,以德国GFZ公布的EIGEN-GRACE02S地球重力场模型的实测累计大地水准面精度为标准,当质心调整精度设计为(5～10)×10^(-5)m时,其和K波段星间测量系统、GPS接收机、SuperSTAR加速度计、恒星敏感器等GRACE核心载荷的精度指标相匹配,对地球重力场恢复精度的影响较小.因此建议我国将来研制的首颗重力卫星的星体和星载加速度计检验质量的质心调整精度设计为(5～10)×10^(-5)m较优.

地球重力场模型研究进展和现状

首先回顾自1966年以来国内外基于传统重力测量技术建立的地球重力场模型。其次,介绍国际基于CHAMP实测数据建立的全球重力场模型。在重力场长波部分,EIGEN-CHAMP03S和EIGEN-3P模型符合较好;在中长波部分,EIGEN-1S、EIGEN-2、EIGEN-3P和EIGEN-CHAMP03S模型的符合性趋于一致。最后,介绍国内外已公布的GRACE卫星重力模型。由于GGM02S和WHIGG-GEGM01S模型采用的卫星观测值数量近似相等,因此二者精度符合较好;由于采用CHAMP、GRACE、卫星测高和地面重力的联合观测数据,EIGEN-CG01C、EIGEN-CG03C、EIGEN-GL04S1和EIGEN-5C模型精度均分别高于EIGEN-GRACE01S、EIGEN-GRACE02S、GGM01S、GGM02S、WHIGG-GEGM01S等GRACE-only模型。

基于卫-卫跟踪观测技术利用能量守恒法恢复地球重力场的数值模拟研究

根据卫-卫跟踪观测技术的测量原理,基于能量守恒法建立了一种新的双星相互跟踪和三星相互跟踪的卫星观测方程.通过数值模拟,采用预处理共轭梯度法恢复120阶地球重力场.模拟结果表明:第一,双星相互跟踪恢复地球重力场的精度和美国喷气动力实验室公布的EIGEN-GRACE02S的结果相符合;第二,三星相互跟踪恢复地球重力场的精度较双星提高约2倍.

基于时空域混合法利用Kaula正则化精确和快速解算GOCE地球重力场

为了研究卫星重力梯度技术对中高频地球重力场反演精度的影响,本文基于时空域混合法,利用Kaula正则化反演了250阶GOCE地球重力场.模拟结果表明:第一,时空域混合法是精确和快速求解高阶地球重力场的有效方法;第二,Kaula正则化是降低正规阵病态性的重要方法;第三,基于改进的预处理共轭梯度迭代法可快速求解大型线性方程组,计算速度较直接最小二乘法至少提高1000倍;第四,基于卫星轨道误差1 cm和卫星重力梯度误差3×10^(-12)/s^2,在250阶处反演累计大地水准面和重力异常的精度分别为9.295 cm和0.204 mGal.第五,论证了基于国际GRACE和GOCE卫星计划反演高精度和高空间分辨率地球重力场的互补性.

数值模拟估算低低卫-卫跟踪观测技术反演地球重力场的空间分辨率

从两个方面模拟研究了低低卫-卫跟踪观测技术恢复地球重力场的空间分辨率.利用重力位系数作为扰动量,积分30天的轨道,研究重力位系数变化引起低低卫-卫跟踪星间距离和速率变化,结果表明,对于地球重力场模型EGM96的前12 0阶,99 8%和97%的位系数扰动引起星间距离和速率变化的均方差大于1×10 - 5m和1×10 - 7m s ,并且星间距离观测值对地球重力场的反应更为敏感.不考虑非保守力误差的影响,用随机误差为1×10 - 5m和1×10 - 6 m s的星间距离和速率变化作模拟观测量,恢复了78阶地球重力场位系数,结果表明,采用随机误差为1×10 - 5m的星间距离恢复地球重力场的精度明显高于1×10 - 6 m s的星间速率结果,但是如果考虑非保守力误差影响,则星间测速的优越性大大增强.

地球重力场空间探测:回顾与展望

地球重力场的科学数据在地球测绘学、冰川学、陆地水循环、固体地球物理、灾害监控及国防军事等领域具有重要应用价值.美、德合作研制的地球重力场反演与气候实验(gravity recovery and climate experiment,GRACE)卫星,有力地推动了地球重力场测量、反演和应用.为进一步提高重力卫星科学数据的时、空分辨率,扩展应用领域,中国及欧美等国都考虑发射升级的重力卫星,即后GRACE计划(GRACE-follow-on).该文将简单回顾重力卫星的发展历程,介绍重力卫星的数据采集技术和反演方法,亦着重阐述后GRACE计划的测量方法学、关键技术及预期结果.

联合高低卫-卫跟踪和卫星重力梯度数据恢复地球重力场的谱组合法

GOCE采用的高低卫-卫跟踪和卫星重力梯度测量技术在恢复重力场方面各有所长并互为补充,如何有效利用这两类观测数据最优确定地球重力场是GOCE重力场反演的关键问题。本文研究联合高低卫-卫跟踪和卫星重力梯度数据恢复地球重力场的最小二乘谱组合法,基于球谐分析方法推导并建立卫星轨道面扰动位T和径向重力梯度Tzz以及扰动位T和重力梯度分量组合{Tzz-Txx-Tyy}的谱组合计算模型与误差估计公式。数值模拟结果表明,谱组合计算模型可以有效顾及各类数据的精度和频谱特性进行最优联合求解。采用61dGOCE实测数据反演的两个180阶次地球重力场模型WHU_GOCE_SC01S(扰动位和径向重力梯度数据求解)和WHU_GOCE_SC02S(扰动位和重力梯度分量组合数据求解),结果显示后者精度优于前者,并且它们的整体精度优于GOCE时域解,而与GOCE空域解的精度接近,验证了谱组合法的可行性与有效性。

EGM96和EGM2008地球重力场模型计算弹道扰动引力的比较

给出了利用地球重力场模型计算扰动引力以及重力场模型截断误差的公式,计算了36阶、360阶、2 160阶地球重力场模型在径向和水平方向的截断误差,并对36阶、360阶的EGM96和EGM2008重力场模型计算的弹道扰动引力矢量进行了分析和比较。结果表明,采用重力场模型计算扰动引力时,模型阶数和弹道点的高度越低,模型截断误差越大;EGM96和EGM2008模型的一致性随着模型阶数的升高而逐渐降低。总体来看,EGM2008模型的精度要好于EGM96模型。

基于GRACE Follow-On卫星重力梯度法精确反演地球重力场

由于GRACE Follow-On双星系统等效于基线长为星间距离的一维水平重力梯度仪，因此本文基于GRACE Follow—On卫星重力梯度法开展了精确和快速反演下一代地球重力场的可行性论证研究．研究结果表明：第一，基于GRACE Follow-On卫星重力梯度法（GFO-SGGM），利用卫星轨道参数（轨道高度250km、星间距离50km、轨道倾角89°、轨道离心率0．001）、关键载荷测量精度（星间距离10^-6m、星间速度10^-7m·s^-1、星间加速度10^-10 m·s^-2、轨道位置10^-3m、轨道速度10^-6m·s^-1、非保守力10^-11 m·s^-2）、观测时间30天和采样间隔10s反演了120阶地球重力场，在120阶处累计大地水准面精度为9．331×10^-4m．第二，在120阶内，利用将来GRACE Follow—On双星反演地球重力场精度较现有GRACE双星平均提高61倍，因此GRACE Follow-On卫星重力梯度法是进一步提高地球重力场反演精度的优选方法．第三，下一代GRACE Follow—On计划较当前GRACE计划的优点如下：轨道高度更低（200-300km）、载荷精度更高（10^-7～10^-9m·s^-1）和星间距离更短（50--100km）．