基于数字高程模型的月球精细重力场建模研究进展

月球重力场精细建模是构建月球高程基准、开展月球内部结构探测及科学研究的基础性工作.单纯基于航天器轨道数据构建的月球重力场模型空间分辨率有限,难以满足精细重力场研究的需求.高分辨率地形模型的获取为月球精细重力场建模研究提供了新的机遇.本文从月球全球重力场模型及评估方法、高分辨率精细重力场建模的理论技术和研究成果方面介绍当前月球精细重力场建模的现状和进展.在此基础上,本文从数据更新、高频重力场建模的误差改正问题、计算效率以及球谐分析的级数发散问题等方面系统总结了基于精细数字高程模型(DEM)的月球重力场建模中存在的关键理论问题和技术挑战,并探讨了下一步亟需开展的研究工作,为月球和其他类地行星的重力场研究提供参考.

基于扩散模型的流场超分辨率重建方法

低分辨率的流场数据具有较少的信息量,不能充分捕捉流场中的细节演化过程.尤其对于湍流的随机脉动特征和小尺度涡旋细节特征更加难以获取,这限制了对流场演化机理进行深入研究.为了解决这一局限性,并从低分辨率流场中重建高分辨率数据,文章提出一种流场超分辨率重建的生成扩散模型FlowDiffusionNet.该模型以低分辨率流场数据输入作为约束条件,采用去噪分数匹配方法,来实现高分辨率流场数据的复现.FlowDiffusionNet在结构设计上充分考虑了流场数据的低频信息与高频空间特征,采用基于扩散过程的建模方法,用于重建高分辨率流场数据的残差.该模型结构便于实现迁移学习,可在不同程度的退化流场上应用.将该方法在多种经典流场数据集上进行测试,并与双三次插值(bicubic)、超分辨率生成对抗网络(SRGAN)、超分辨率卷积神经网络(SRCNN)等方法进行比较.结果表明,该方法在各种流场上的重建性能达到最佳水平,特别是对于包含小尺度涡结构的4倍下采样流场数据,客观评价指标SSIM达到0.999.

应用LP165P模型分析月球重力场特征及其对绕月卫星轨道的影响

通过现有的最新月球重力场模型LP165P和GLGM2模型对月球重力场的特征进行了分析,计算了相应重力场的阶方差,给出了两种模型在月球外部空间不同高度上的重力异常分布图,分析比较了截断至不同阶次的月球重力场模型在不同高度上所反映的月球重力场的特征和差异.此外,利用GSFC NASA USA的GEODYNⅡ轨道分析软件模拟计算了不同高度处卫星的轨道变化,得出了在进行一定高度的轨道计算时,可以对重力场模型进行适当截断的结论.

月球探测及月球重力场的确定

针对近年月球探测渐成热点和我国即将发射“嫦娥卫星”的状况,本文首先归纳了月球各项几何与物理特性以及月球探测的经济、科学和战略意义.然后,讨论了月球重力场在探月中的作用,并对国外月球重力场研究的发展历程、主要方法及面临的困难进行了综述.最后,结合我国“嫦娥工程”,对我国月球重力场探测的可行性,从航天运载能力、轨道跟踪手段、重力场恢复技术以及方法创新等方面进行了分析,以期为我国自主确定月球重力场模型提供参考依据.

利用谱分析法估计GRACE Follow-On地球重力场的空间分辨率

利用轨道扰动引力谱和大地水准面累计误差谱分析的方法估计未来GRACE(gravity recovery and climateexperiment)Follow-On卫星反演地球重力场的空间分辨率。基于GRACE Follow-On卫星的轨道特性,计算其在高空所受到的径向扰动引力,并根据谱特性及星载加速度计的测量噪声水平分析该卫星能反演重力场的阶数。利用EGM96重力场模型分别计算200 km和250 km轨道高度处的扰动引力谱。分析其特性表明:在两个轨道高度处分别能反演281阶和242阶的地球重力场模型。给出大地水准面累计误差谱模型,并计算200 km和250 km轨道高度处大地水准面累计误差谱。分析其谱特性表明:在两个轨道高度处分别能反演至286阶和228阶的地球重力场模型。

高分辨率区域重力场模型DQM2000

基于局部积分谱权综合法 ,选择国外重力场模型OSU91A和EGM96作为基础模型 ,利用中国地域2 0′× 2 0′、1 5′× 1 5′、1 0′× 1 0′和 5′× 5′平均重力异常 ,解算了一组高分辨率地球重力场系列模型DQM2 0 0 0 ,即DQM2 0 0 0A、DQM2 0 0 0B、DQM2 0 0 0C和DQM2 0 0 0D ,其完整阶次分别为 5 40、72 0、1 0 80和 2 1 60 ,采用内部符合和外部检核的方法以评价新模型的精度。

点质模型求定月球重力场及其特征分析

利用Lunar-Prospector扩展任务的视线加速度数据,根据点质模型恢复了月球近区的重力场,将其与LP165月球重力场模型进行了比较和分析,并利用恢复的重力场联合月球地形数据对Mas-con进行分析,总结了月球重力场的主要特征及其研究方向发展趋势,将重力场恢复技术与我国的探月计划-"嫦娥"工程结合起来,为建立高精度的月球重力场和地形模型提供了一种有效而实用的方法。

月球探测器LP精密定轨及月球重力场模型解算

对美国1998年发射的月球探测器LP任务阶段共19个月的双程测距测速轨道跟踪数据进行了精密定轨,对定轨结果通过轨道残差及重复弧段差异进行了精度评价。利用LP正常任务阶段三个月的轨道跟踪数据进行了月球重力场模型解算,通过重力场功率谱、轨道残差和月球自由空气重力异常对解算模型进行了精度评价。结果表明精密定轨及月球重力场模型解算合理。对进一步融合嫦娥一号轨道跟踪数据和LP数据解算自主的高精度月球重力场模型具有参考意义。

川滇地区陆地流动重力测网场源分辨能力评估

陆地重力测量是研究地球内部物质运移和质量变化的重要手段,场源分辨能力是评估流动重力测网监测效能和由场及源应用研究的关键指标。本文以构造运动和地震活动活跃的川滇地区为例,在设定场源异常体参数下,通过Tesseroid网格模型建立不同分辨率的重力异常扰动模型检测板,并基于川滇地区陆地流动重力测网测点分布,对比反距离加权法、Krigng插值法和最小二乘配置法对模型异常检测场的恢复效果。在此基础上,基于不同分辨率的模型检测板和模型抗噪分析结果,研究川滇地区陆地流动重力测网的空间分辨率和场源反演分辨能力,进而评估该地区重力测网的场源分辨能力,并对该地区2014至2017年测网实测数据开展应用研究。结果表明,最小二乘配置法对川滇地区重力场恢复效果最佳,川滇地区陆地流动重力测网大部分地区的空间分辨率优于0.75°×0.75°,部分地区可达0.25°×0.25°;在Ⅰ级活动地块边界带为0.50°×0.50°,在Ⅱ级活动地块边界带优于0.75°×0.75°;进一步根据活动地块边界和重力测点分布,对川滇地区分区开展陆地流动测网场源分辨能力评估。

点质量模型与最小二乘配置在多源重力数据融合中的应用

探讨基于最小二乘配置以及点质量进行多源重力数据融合的理论和方法,并对澳大利亚某区域的航空和地面重力测量数据进行融合实验。结果表明:多分辨率最小二乘配置的数据融合精度为±3.6×10-5ms-2,明显优于最小二乘总体配置的精度;包含空中数据的四层点质量模型的融合精度为±4.6×10-5ms-2,高于仅用地面点建立的三层点质量模型的精度;最小二乘配置存在的病态问题在点质量模型中可以得到有效解决。

月球重力场模型GL0660B特征分析及其对绕月卫星轨道的影响

月球重力场可用来研究月球演化过程和内部结构,是影响绕月卫星精密定轨的重要因素。基于GRAIL任务数据解算的GL0660B重力场模型,极大提高了月球重力场空间频谱信号的强度和范围。本文首先通过计算相应重力场的阶方差和地形相关性分析,对GL0660B模型进行了精度分析;其次,利用GL0660B模型和其他几个月球重力场模型进行比较,对月球重力场的特征进行了分析;然后通过绘制GL0660B模型和LP150Q模型在月球外部不同高度处的重力异常图,分析比较了月球重力场模型在不同高度上所反映的月球重力场的特征和差异;最后,利用GEODYN软件模拟计算了不同高度卫星的轨道变化。可以看出绕月卫星离心率随时间的变化,以及周期性变化趋势,而且不同高度卫星轨道处质量瘤的摄动影响不同,远月点、近月点和偏心率的变化也存在差异。

基于多级空间上下文LR-CRFs模型的高分辨率影像分类

充分表达和利用目标空间上下文及语义信息是提高高空间分辨率影像分类精度的关键技术,而条件随机场(CRFs)在目标空间上下文建模以及分类预测方面有其独特优势。但是,基于单一尺度分析的CRFs模型存在不能反映目标多层次空间结构及语义关系的问题,因此针对城区高分辨率影像土地利用/覆盖分类问题,在面向对象分类框架下,提出了一种多级空间上下文LRCRFs模型。该模型定义如下:首先,将影像进行对象层、目标层及场景层的分层表达及分层特征提取,并进行"对象-目标-场景"的逐层关联;其次,采用逻辑回归(LR)分类器定义CRFs模型的关联势函数,利用分层特征加权的Potts函数定义交互势函数;采用最大-积消息传递算法对该模型进行近似推理。利用IKONOS多光谱影像及大比例尺真彩色航空影像进行试验的结果表明:多级空间上下文LR-CRFs模型分类精度高于单一尺度的基于像素层或对象层分割的LR-CRFs模型,其精度平均分别提高了4.63%和2.22%;该方法在一定意义上也缓解了面向对象分类方法中分类结果对分割尺度的依赖程度。

利用卫星重力梯度数据恢复月球重力场模拟研究

月球重力场是目前大地测量学研究的热点问题。GOCE卫星的发射成功，为利用卫星重力梯度技术测定月球重力场提供了可能。本文回顾了月球重力场的恢复方法，研究了基于卫星重力梯度数据的月球重力场恢复，并在顾及有色噪声前提下，系统分析了不同噪声水平下以及不同梯度分量组合下的月球重力场恢复精度和可靠性。计算结果表明：100mE噪声水平下，联合Vxx、Vyy和Vzz恢复出的150阶次月球重力场模型不能满足当前月球重力场的精度要求，其全月球大地水准面误差均方误差（RMS）约30m，重力异常误差RMS约12mgal。10mE噪声水平下，仅利用Vzz获得的重力场模型精度要大大好于100mE噪声下三分量联合反演结果。若联合Vxx、Vyy和Vzz三分量，则月球重力场模型精度得到了进一步的提高，全月球范围内，其大地水准面误差RMS在0．1m左右，而重力异常RMS优于0．5mgal。

基于跟踪观测技术恢复月球重力场模型的分辨率条件

月球重力场的恢复依赖于对绕球探测器的跟踪观测，可恢复重力场模型的最高阶次与观测数据分布的密集程度之间满足一定的关系。本文以极圆轨探测器为对象，研究了恢复至不同模型最高阶次沿纬线方向（星下点轨迹间距）和沿经度方向（采样间隔）的最低分辨率条件，并结合“嫦娥一号”实际情况进行了相关讨论。

地球卫星重力场模型及其应用研究进展

在简述地球重力场模型发展历程的基础上,对地球卫星重力场模型及其应用的研究进展进行综述。回顾了卫星重力测量技术的发展历程,并对CHAMP、GRACE、GOCE和GRACE-FO任务进行了详细介绍;阐述了目前主要的卫星重力反演方法及其改进现状;介绍了目前国际上主要机构反演的地球卫星重力模型,并分别对CHAMP-Only、GRACE-Only和GOCE-Only的系列模型进行对比分析;综述了地球卫星时变重力场模型的应用研究进展;对钱学森空间技术实验室天空海一体化导航与探测团队在地球卫星重力场模型及其应用的研究进展进行了概述;最后,对未来地球卫星重力场模型研究进行了展望,提出了研究建议。

月球重力场模型研究进展及展望

为满足我国探月工程对高精度月球重力场模型需求,介绍了月球重力场模型的研究进展及展望。综述了自人类开始探月以来所有和月球重力相关的探月卫星以及相关的月球重力场反演模型;依据探月跟踪模式将探月历程分为三个阶段,并对每个阶段跟踪模式的工作原理进行详细介绍并以示意图的形式呈现;针对当前比较常用重力场的反演方法进行了相关介绍;对各个探月阶段具有代表性的重力场模型进行介绍,主要包括:8×4重力场模型、Lun60D、LP165P、SGM100i和GL0420,并进行了精度对比,发现最新一代模型精度比之前提高了4个数量级;但是在细节处仍有待进一步优化。介绍了本团队在月球重力探索方向研究进展以及月球重力场模型在探究月球内部构造和卫星定轨方面的应用。结合现代技术以及目前重力场反演的不足,提出将来可以改进的方案:改进反演算法、应用重力梯度仪和获取月球表面真实重力数据。

基于密集连接的高分辨率遥感图像分类

高分辨率遥感图像分类是当前一个研究热点,基于深度卷积网络和全连接条件随机场的高分辨率遥感图像分类模型(Deeplab),因其高效精准的分类性能被广泛应用于该研究领域,但Deeplab模型存在空洞卷积核对高分辨率遥感图像的信息利用率不足、限制分类精度进一步提高的问题。本文提出一种基于密集连接的轻量级高分辨率遥感图像分类模型Dspp,采用密集卷积网络连接结构,将Deeplab的空洞卷积金字塔结构替换成密集连接结构,以提高信息利用率且增强模型的泛化能力,并与当前经典的FCN、FCN8S、Deeplab分类网络模型进行实验对比。结果表明,Dspp模型相较于FCN模型、FCN-8S模型和Deeplab模型的整体精度分别提高16.8、11.7和7.7个百分点,验证了本模型的有效性。

我国陆海新一代平均重力异常基本分辨率等问题的研究

研究了建立我国陆海新一代平均重力异常数字模型的两个问题:一是基本分辨率的确定问题;二是拟合推估中已知重力点的选取问题。经过在全国范围内的计算,表明本文中的结论是正确的。

利用卫星重力梯度数据确定地球重力场的单层位模型

本文提出了处理卫星重力梯度数据以确定高分辩力重力场模型的单层位法并对其中的独立估计法进行了误差分析，数字结果显示：当卫星高度为200km，卫星数据网格宽度为15′，卫星重力梯度数据的精度为2×10^(-3)E时，利用独立估计法可得到分辩力为1°×1°（100km）的全球重力场模型，其重力异常精度小于1（mgal）；若卫星高度降至160km，卫星重力梯度数据的精度达到3×10^(-4)E，则获得的重力场模型的分辩力可提高到0.5°×0.5°（50km），其重力异常精度仍小于1（mgal）。

外部引力位点质量模型分层深度的确定理论与方法

鉴于点质量模型方法在外部扰动重力场逼近方面的重要意义,对点质量深度的选择问题进行了深入研究。首先从基于扰动重力算子特征值理论出发,建立了点质量层深度的选取准则,然后又从点质量方程求解时系数矩阵的条件数角度出发,讨论了点质量深度的选取对不同分辨率点质量求解的具体影响,从而解决了点质量求解时深度设定的问题。