基于EGM2008重力场球谐模型的水平重力扰动计算方法

垂线偏差数据对于提高惯性导航精度具有重要意义,阐述了使用重力场球谐模型计算水平重力扰动的方法,使用EGM2008重力场球谐模型计算水平重力扰动,并将其与美国国家地理空间情报局提供的全球2.5′×2.5′垂线偏差网格数据进行对比,验证了所述水平重力扰动计算方法的正确性。将水平重力扰动计算结果用于航空、车载惯性导航数据离线处理,结果表明EGM2008模型计算的水平重力扰动可用于补偿惯性导航;将水平重力扰动计算结果用于长航时船载惯性导航数据离线处理,结果表明惯性导航精度最大提升1.5 n mile,平均提升0.8 n mile。

全球磁场球谐模型NGDC720在局部海域的精度分析

全球磁场模型NGDC720是当前分辨率最高的地磁球谐模型之一,对该模型在海域进行精度评估是拓展地磁导航应用的必要前提。本文在顾及NGDC720球谐模型频谱特性的基础上,基于区域船载磁力测量信息对该模型进行精度评估,结果表明:船载磁异常与全球磁场球谐模型NGDC720计算的模型磁异常在整体趋势上是一致的,在该海域的评估精度约为100nT;二者直接比较的标准差为71nT,平滑后二者比较的标准差为42nT,全球磁场球谐模型NGDC720仅能表达中长波磁力信息,该模型不足以表达海域磁力高频信息,但在海洋磁异常应用中可将其作为模型参考场。

基于球谐模型与多传感器融合的高精度重力扰动补偿方法

随着对高精度长航时惯导系统性能要求的提升,重力扰动已成为惯导系统的主要误差源,能否对其进行有效补偿是提升导航精度的关键因素。传统基于球谐模型的补偿方法无法反映地球重力场的细节信息,对中短波重力扰动分量补偿效果不佳;传统状态估计法中马尔科夫状态模型对长波重力扰动分量描述精度较差,因此对长波分量的补偿效果不佳。以上方法均无法对波段较宽的实际重力扰动进行精确补偿,针对这一问题,本文设计了一种综合利用球谐模型与多传感器信息融合的高精度重力扰动补偿方法。该方法一方面利用低阶球谐模型对长波重力扰动分量计算精度较高的特点,对长波分量进行补偿;另一方面利用捷联惯导/激光多普勒测速/气压高度计构成完全自主的组合导航系统,将残余的中短波重力扰动分量建立为高精度的马尔科夫模型,从而实现对中短波分量的状态估计与补偿。仿真结果表明,所提出的重力扰动补偿方法可有效改善重力扰动估计效果,进而实现高精度的重力扰动补偿,具有较高的导航精度。

多源重力数据球冠谐模型抗差融合法

提出了一种基于球冠谐模型的抗差岭估计数据融合算法,并通过数值计算对算法的有效性进行验证。结果表明融合后的球冠谐模型不仅能够抵抗系数阵的病态性,而且能够有效地消除观测粗差的影响。最后就观测噪声大小对融合结果的影响进行了探讨。

简化球谐近似模型的图形处理器加速求解

作为辐射传输方程的高阶近似,简化球谐近似模型成为近年光学分子成像研究的重点,但计算效率低限制了它的广泛应用,为此提出一种基于图形处理器的并行加速策略,采用NVIDIA公司推出的统一计算设备架构,对求解过程中耗时最多的两个模块——有限元刚度矩阵的生成和线性方程组的求解进行基于图形处理器的并行加速;根据统一计算设备架构的特点,进行计算任务的分配、存储器的合理使用以及数据的预处理三方面的优化;仿体及数字鼠仿真实验对比刚度矩阵生成时间以及平均迭代时间,以评价所提出方法的加速效果。实验结果表明,该方法可使求解速度提高30倍左右,展示了该方法在光学分子成像中的优势及潜力。

一种基于系数择优的低阶球谐电离层延迟改正模型

针对单频接收机的电离层延迟改正问题,提出了一种基于系数择优的低阶球谐电离层延迟改正模型.按照电离层延迟改正模型参数择优问题的描述,明确参数优化的目标和约束条件,根据参数选择可编码的特点,提出了利用遗传算法进行参数择优的方法及步骤.以欧洲定轨中心(CODE)提供的电离层数据作为参考标准,对参数择优模型、低阶球谐模型和Klobuchar模型模拟的区域电离层VTEC精度进行了比较分析.结果表明,较之相同系数个数的低阶球谐模型,参数择优模型精度平均改进了1~2TECU,而且比Klobuchar模型及低阶球谐模型能更好地反映电离层的周日变化及纬度变化特征.

基于调和分析法的全球地形球谐系数模型构建

针对当前全球地形球谐系数模型构建表达精度不高、计算效率较低等问题,研究推导了Gauss-Legendre积分法、矩形离散积分法求解球谐系数公式,提出了联合FFT技术和基于OpenMP多核并行技术的计算优化策略,实现了全球2160阶地形球谐系数模型的高效构建。利用模型Earth2012对两种方法进行了对比分析,结果表明:Gauss-Legendre积分法能以20 m量级的标准差还原地形高程信息,较矩形离散积分法精度更高,且高纬度地区地形表达效果更优,但两种方法描绘地形变化剧烈区域能力均显不足。研究成果可为提升球谐系数模型构建效率、丰富高阶地形球谐模型构建方法选择、完善地形球谐系数模型评价体系提供借鉴与参考。

超高阶全球地形球谐系数模型的构建方法与实现

针对10800阶地形球谐系数模型构建的计算精度、计算稳定性及超大规模运算量等问题,本文首先通过比较分析矩形离散积分方法、Gauss-Legendre积分方法和Driscoll/Healy积分方法,验证了Driscoll/Healy积分方法具有更高的计算精度。然后,给出了改进的Belikov公式,将完全正常化缔和勒让德函数在全球范围内以优于10^(-12)精度高效、稳定递推至10800阶;提出了联合FFT和基于OpenMP的多核并行方法求解超高阶球谐系数的优化策略,显著提高了球谐系数模型构建的计算效率。最后,利用Earth2014_TBI与全球海底地形模型STO_IEU2020格网数据建立了全球10800阶地形球谐系数模型sph.10800_IEU,总体精度与Earth2014_TBI2014.shc相当,在试验海域的相对精度略优于模型Earth2014_TBI2014.shc。

基于地球重力场模型的重力匹配数据随机线性化方法

针对惯性/重力/重力梯度组合导航EKF算法中,随机线性化方法不考虑重力场固有属性以及验前随机变量的不确定因素,从而导致真实验后均值和协方差携带较大误差,滤波性能损失甚至发散问题,依据重力、重力梯度本身物理特性,提出基于地球重力场球谐模型的随机线性化方法。进而,为保证滤波实时性,建立了适用于并行计算的地球重力场模型线性化矩阵运算公式,并通过GPU并行方案提高了模型线性化过程的计算效率。某海域仿真实验结果表明:利用重力场球谐模型线性化方法进行EKF滤波匹配,相较于九点拟合法和双二次曲面拟合法的导航定位精度均提高了37.5%以上,可以有效削弱线性化误差,避免滤波发散,提高系统导航定位精度,且线性化耗时优于0.02 s,满足匹配导航实时性需求。

几款全球海底地形模型比较分析

近几十年,随着卫星测高技术和相关数据精密处理技术发展,依托卫星测高技术业已成为快速获取全球海底地形数据的可靠手段,国内外相关组织机构已发布了一系列全球海底地形模型。整理评述了多款全球海底地形的基本情况,以及相互间的内在联系,包括DBDB系列模型、ETOPO系列模型、Sandwell系列模型、GEBCO系列模型、SRTM+系列模型、EARTH地形球谐系数模型、BAT_VGG模型、BAT_WHU2020模型、STO_IEU2020模型等。通过对全球海底地形模型的认识和梳理,以期为下一步全球海底地形模型高效、低成本构建提供方法参考。

GNSS电离层延迟模型的数学统一与方法扩展

总结了当前广泛研究的利用GNSS观测数据建立电离层延迟模型的基本理论,并从数学上利用第一类算子方程统一现有的模型。着重分析了电离层VTEC的数学模拟和逼近方法,提出了建立模型的方法上的一系列扩展,从数学角度分析模型各种处理方式上的潜在问题,并给出了简单的单站模型计算实例,实证了理论的正确性。

IGRF国际地磁参考场模型的计算

在研究地磁场时,首先应该建立地磁场及其长期变化的分布模型,而用以描述地球地磁场和地球磁场长期变化的地磁场模型的国际地磁参考场(IGRF)是目前国际上通用的标准,国际地磁和高空大气物理学协会(IAGA)给出了每5年的IGRF和相应的球谐系数。使用球谐分析方法来表示地球的基本磁场和它长期变化的分布,通常称为地磁场的球谐模式。通过编写Java程序完成了地磁场的解算,然后用解算的地磁数据,画出地磁要素等值线图,且误差在合理范围内。因此通过此程序可以解算出任意点的地磁要素值并且绘制出其等值线图。

基于全球卫星导航系统观测网的全球总电子含量快速反演方法

将全球按照地理经纬度进行网格划分,每网格选取一个接收机,基于全球卫星导航系统(GNSS)观测网的全球定位系统(GPS)双频观测数据,在电离层薄层假设条件下,提出了一种基于球谐函数拟合的高时间分辨率总电子含量(TEC)快速反演方法.利用2006年四季中16个地磁平静日的GPS双频观测数据,针对15种不同的网格选站情况考察其TEC的反演效果与解算时间.结果表明,当网格选站间隔小于15°×30°(纬度×经度)时,数据拟合度约为2TECU,并都能较好地反演TEC.综合考虑穿刺点分布与解算时间,在10°×20°(纬度×经度)选站条件下,约在3min内即可反演出有效的TEC、卫星硬件偏差和接收机硬件偏差,从而提高了反演速度,10°×20°(纬度×经度)选站的快速反演TEC能够为全球电离层TEC现报提供一种有效方法.

全球电离层TEC的轮胎调和分析与预报

将轮胎调和分析引入电离层TEC的模型化过程中,建立了基于轮胎调和分析的电离层TEC球谐系数模型,并对该模型进行详细的验证和分析。结果表明,本文模型计算精度高,系数截断为15阶时,恢复误差全年统计不超过4%,且除南、北极区外球谐模型具有很好的适用性。然后对该模型系数的时间序列特性进行了函数估计:引入逐级余差建模方法,使用趋势函数、功率谱分析、ARMA模型对球谐系数的时间序列进行分析,找出了模型系数时间序列变化的规律,构建了预报模型,实现了基于模型系数的预报,并对预报系数的精度变化问题和系数本身短期预报的数据积累时间进行分析,最终通过TEC的预报,验证了模型的精度。

基于BDS/GPS和经验模型的区域电离层建模

基于北斗卫星导航系统(BDS)和全球定位系统(GPS)实测电离层穿刺点(IPP)数据,结合国际参考电离层(IRI)经验模型历史数据,提出一种对区域二维电离层总电子含量(TEC)进行高精度建模的方法.针对缺乏穿刺点的区域内短时间电离层建模时精度较低且各时段穿刺点空间分布不同的问题,该方法使用IRI模型在建模区域内均匀添加虚拟穿刺点数据,并根据与实测穿刺点的距离,使用构造的权重计算公式赋予其动态权重值,通过加权最小二乘法进行球谐模型参数解算.与欧洲定轨中心(CODE)发布的全球电离层图(GIM)进行数据比对发现,相对于只使用BDS/GPS实测穿刺点数据的建模方法,利用本文建模方法计算获得的垂直总电子含量(VTEC)值对缺乏实测穿刺点的区域精度有明显的提升.

异构并行算法快速构建全球扰动重力梯度全张量图

扰动重力梯度是扰动重力位的二阶导数,相对于其他重力场元素能更多地反映变化的不规则地球产生的高频信息。在使用高阶次球谐系数模型获取大范围高分辨率的扰动重力梯度数据时,存在重复运算多、计算效率低下、耗时较长的问题。针对该问题,推导了简化计算公式,将中间变量提取出来作为全局参数和局部参数单独进行计算、存储,从而有效减少重复运算;并在简化公式的基础上,提出了扰动重力梯度张量快速异构并行算法,利用CUDA(compute unified device architecture)实现了梯度全张量在GPU端的并行计算。根据T_(xx)、T_(yy)、T_(zz)三个分量满足Laplace条件验证了算法可靠性,并与传统串行算法进行了计算效率对比,实验结果表明,相较于串行算法,所提算法可减少90%以上计算耗时,可将计算效率提高60倍以上。最后利用该算法基于2 190阶EIGEN-6C4模型快速构建了5′×5′分辨率的全球扰动重力梯度全张量图,计算结果显示了扰动重力梯度同地形、地球质量分布变化的相关性及其在全球范围内的数值特征。

全球/区域地形和重力异常间相干性分析

利用卫星测高重力场数据仅可恢复有限频段海底地形信息。为定量描述重力-地形间频谱特征,使用EGM2008/EIGEN-6C4全球重力场位系数模型和DTM2006/EARTH2012全球地形球谐系数模型,以及某3°×3°(12°N~15°N,112°E~115°E)真实海域海底地形数据和卫星测高重力异常数据,采用全球/区域地形-重力相干性分析方法,解算分析了全球/区域地形和重力异常表现强相干性频段参考范围。计算结果表明,全球范围地形-重力在120阶~1000阶左右表现强相干性,对应频段范围是25.45 km~210.61 km。同时,重力场元信噪比、非线性项海底地形和地壳均衡均会影响干扰区域地形-重力相干性结果。研究结果可为利用卫星测高重力数据恢复海底地形信息截止频段的确定提供参考与借鉴。

基于GPS探测汶川地震电离层TEC的异常

利用球谐模型和中国地壳运动观测网络及IGS（International GNSS Service）基准站的GPS观测数据,分别计算了中国区域及全球电离层电子总含量（Total Electron Content,TEC）,采用了不同的统计分析方法,对汶川震中上空及邻近区域的TEC进行检查.结果发现：震前后一个星期,孕震区上空连续出现电离层异常扰动,其异常形态具有共轭结构,且呈现向磁赤道漂移趋势.

中国及邻近地区地磁场垂直梯度的计算与研究

根据地磁场的球谐模型,推导出地磁场各个分量垂直梯度的球谐表达式.计算出中国及邻近地区高度为0km,50km和100km处的地磁场及其垂直梯度的网点值,编绘出地磁总强度、垂直强度、水平强度和磁偏角的垂直梯度等值线图.研究了地磁场垂直梯度在地面上以及随高度的变化规律.

基于Legendre函数的超高阶次地磁场建模方法

Legendre函数是超高阶地磁场模型球谐展开的重要组成部分,是解决高纬度地区数据溢出问题的关键。针对Legendre函数在超高阶地磁场建模中的解算问题,从Legendre函数的递推方法出发,优化了Legendre函数的解算过程,提高了效率和精度,解决了数据溢出问题,并给出了Legendre函数的递推过程、函数值和精度检验值。仿真结果表明,该方法提高了磁场模型数值稳定性及精度,为建立更高阶次的地磁场模型和地磁导航基准图的制备提供理论依据。通过将模型计算的各磁场要素与EMM2010模型相比较,验证了方法的有效性,并生成了全球的地磁图。