地球重力场

摘要： 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。

摘要： 一直以来,地球在我们心目中的形象是非常美丽的。自从GRACE地球重力场卫星为地球母亲拍摄了一张“素颜照”后,人们对于地球的长相略感失望。地球真的长得“歪瓜裂枣”吗?先别急着叹气!

摘要： 中国工程院院士,武汉大学教授.博士生导师李建成在精密数字高程基准建立与维持、高程测定模式现代化、地球重力场建模方面作出了突出贡献,在国际上率先解决了高精度数字高程基准确定的工程化难题,将我国数字高程基准从陆地扩展到海洋,是我国该领域的学科带头人和工程应用的开拓者。

摘要： 不同于当前广泛使用的空域法、时域法、直接解法,本文尝试采用Torus方法处理GOCE实测数据,利用71 d的GOCE卫星引力梯度数据反演了200阶次GOCE地球重力场模型,实现了对参考模型的精化.首先,采用Butterworth零相移滤波方法加移去—恢复技术,处理引力梯度观测值中的有色噪声,并利用泰勒级数展开和Kriging方法对GOCE卫星引力梯度数据进行归算和格网化,计算得到了名义轨道上格网点处的引力梯度数据.然后,利用2D-FFT技术和块对角最小二乘方法处理名义轨道上数据,获得了200阶次的GOCE地球重力场模型GOCE_Torus.利用中国和美国的GPS/水准数据进行外部检核结果说明,GOCE_Torus与ESA发布的同期模型的精度相当;GOCE_Torus模型与200阶次的EGM2008模型相比,在美国区域精度相当,但在中国区域精度提高了4.6 cm,这充分体现了GOCE卫星观测数据对地面重力稀疏区的贡献.Torus方法拥有快速高精度反演卫星重力场模型的优势,可以在重力梯度卫星的设计、误差分析及在轨快速评估等方面得到充分应用.

摘要： 在重力归算中,局部地形改正在重力勘探、地壳结构分析和大地水准面计算等领域有着重要意义,但严格棱柱体积分公式计算效率低,而快速计算公式则会降低计算精度.本文利用CUDA并行编程平台,提出一种地形格网重新编码和严格棱柱体积分八分量拆解方法,实现了基于CPU+GPU异构并行技术的严格棱柱体积分计算地形改正快速并行算法,克服了GPU各个线程计算任务分配和线程计算超载问题,解决了局部地形改正的高分辨率、高精度严密公式的快速计算难题.通过试验,在显卡型号为Tesla V100的计算机上进行4° ×6°范围,积分半径40′和分辨率1′的局部地形改正计算仅需1.5 s;分辨率10″的局部地形改正计算仅需14.6 min;进行分辨率3″的地形改正计算耗时45.7 h,而传统串行算法则难以完成计算.在保证微伽级以上计算精度的条件下,计算加速比最高达到850倍以上,有效缩短了计算耗时,提高了计算效率.本文还依据上述并行算法对全国范围地形改正量进行计算.结果表明,我国地形改正量普遍低于80 mGal(1 Gal=10-2 m/s2),平均值1.83 mGal,最大值达到196 mGal.

摘要： 现有重力卫星任务存在时空分辨率不足、时空混频以及重力场信号各向异性等局限性.分别对重力卫星串联编队的轨道高度、轨道倾角、星间距离等指标进行仿真分析,就重力卫星串联编队星座模式对重力场时空分辨率的影响进行了数值分析.结果表明,卫星轨道高度的选择需要兼顾重力场信号衰减和卫星寿命等因素,以维持在300～400 km为优;轨道倾角选择应充分考虑极空白问题的影响,极空白区大小不宜超过6°;星间距离大于250 km时,重力场精度的提升并不明显,重力卫星串联编队星间距离设为50～100 km为优.重力卫星串联编队星座模式可同时有效提升地球重力场时空分辨率,实现时变重力场的各向同性探测.

摘要： 针对航姿参考系统(attitude and heading reference system,AHRS)中,MEMS陀螺仪输出噪声过大、零点漂移无法完全消除、角速率输出易受干扰等导致的姿态四元数精度低、累积误差较大等问题,提出了一种自适应扩展卡尔曼滤波算法,利用地球物理场(地球重力场、地磁场)信息不断自适应修正MEMS陀螺仪在姿态解算过程中的累积误差.在ROS机器人平台上进行了实验,实验结果表明该算法能有效解决在求解姿态四元数过程中累积误差较大的问题,同时可以提高姿态解算精度,进而验证了该算法的有效性.

摘要： 地球重力场是大地测量学、固体地球物理学和海洋学研究中不可缺少的信息源。因此,对地球重力场的研究成为现代大地测量学及其相关地学学科发展中最活跃的领域之一。本世纪,新一代卫星重力探测技术有了重大的进展,CHAMP和CGRACE重力卫星能够以很高的精度恢复重力场的中、长波信息,主要包括精密轨道数据、K波段观测数据以及加速度计数据。基于这类数据可得到高精度的地球重力场模型。在此背景下,本文利用卫星跟踪数据反演重力场模型的理论和方法,提出了改进算法,充分挖掘出卫星跟踪数据中的重力场信息。主要研究内容和创新点如下:(1)在阅读大量文献基础上,阐述了地球重力场理论的研究现状,重点研究了混合边值问题。首先讨论了极区球冠情况下混和边值问题的解法;然后借助于坐标旋转变换将任意球冠下的混和边值问题变换成可解算的极区球冠的情况,并研究了不同坐标系下球谐系数之间的变换关系;利用EGM08重力场模型对建立的求解方法进行模拟计算,结果表明:给出的解算方法能达到亚毫米量级的精度。作为混和边值问题的应用拓展,用于精化局部大地水准面,结果表明:若不顾及边界效应,计算精度至少达到5 cm。因此建立的混和边值问题解法不仅理论上可行,而且能保持足够的计算精度,适用于多种类型重力观测数据的综合处理。(2)基于新思路推导了线性化卫星轨道扰动方程组,该方程组可估算线性化误差。并从数学公式和数值计算上分析了线性化误差的影响,得出结论:舍去项M(t,r1,ρ)的量级与ρ的二次项相关,舍去项gradT(t,r2)-gradT(t,r1)的量级与ρ的一次项有关。(3)基于卫星在地固系的运动公式推导了更加严密的能量守恒方程,通过模拟数据分析改进的地固系能量守恒方程有足够的精度去恢复地球重力场模型。(4)GRACE卫星位差中存在2CPR(two cycles per revolution)误差。利用一个月的GRACE模拟数据分析得出2CPR误差的移除可使3阶以上的重力场系数精度提高1~2个量级以上。

摘要： 以美国佛罗里达州为例,基于超高阶地球重力场模型EGM2008,根据移去—恢复原理和Stokes积分,编程实现了相应的软件模块,计算了研究区大地水准面,并根据区域内已有的79个GPS水准点数据进行大地水准面拟合.对拟合后的大地水准面与已有GPS/水准数据进行分析比较,结果显示:误差平均值为-0.0268m,中误差为0.0419m.该精度达到了国家区域大地水准面精化基本技术规定的要求,因此EGM2008地球重力场模型适用于区域大地水准面的计算.

摘要： 地球重力场是地球科学的关键参量,特别是在南极,由于大陆和周边海洋被冰层覆盖,除传统的岩石学、地质构造和地球动力学研究外,重力场更是反演冰区海底地形、冰底沉积层厚度以及冰下湖深度的主要依据.受限于偏远位置和恶劣环境,开展南极重力测量的难度非常大,目前最有效的观测方式是航空重力测量.2019年底的中国第36次南极科考期间,依托高分辨率对地观测系统重大专项项目,在突破设备运输、硬件安装、地面和机上电源供应以及GNSS数据共享等技术难点基础上,成功实现国产捷联式航空重力仪与南极考察固定翼飞机雪鹰601的系统集成,并通过地面、机上静态和飞行测试充分验证了系统的可靠性和稳定性.最终,围绕南极伊丽莎白公主地和埃默里冰架两大典型区域,共完成9个架次的航空重力观测,总测线长度近1.5万公里,填补了伊丽莎白公主地的数据空白.同时,雪鹰601搭载GT-2A重力仪、冰雷达和磁力仪开展了协同观测.基于南极航空重力数据处理系统得到的结果表明,国产航空重力仪满足南极高纬度区域的观测条件,与GT-2A观测结果的对比显示其外符合精度可以达到2mGal.这是中国自主研制航空载荷首次实现在南极的应用示范,对拓展自主载荷应用和提升中国南极考察观监测能力有重要意义.

摘要： 重力场中的长波分量主要是由地球重力场位系数模型计算,其截断阶次与波长以及格网分辨率有一定的联系.因截断阶次与所需格网分辨率不一致等原因,其长波计算精度会受到一定影响.本文提出两种改进方式,一种是低通滤波方法,可滤去长波当中小于一定波长的噪声影响,以达到提高长波精度.另一种是利用样条平滑,基于相应波长的空间分辨率,经过样条平滑后,获取所需高分辨率长波.在实验区,基于EGM2008地球重力场位系数模型,采用上述两种方式计算高程异常长波,并应用该实验区内分布的22个一二级GPS/Leveling点,进行精度检测并分析,得出这两种方式均可获取高精度高分辨率的长波影响.

摘要： 卫星重力梯度测量是恢复高精度地球重力场最有效的手段之一,目前成功搭载于重力梯度卫星上的有效载荷静电式加速度计,其精度已接近该类加速度计的极限.而原子干涉型的重力仪在微重力环境下可获得较长的干涉时间,因此具有较高的潜在测量精度,且尚未得到空间应用.在该背景下,本文阐述了星载原子干涉重力梯度测量的初步方案,给出了星载原子干涉重力梯度测量的潜在分辨率水平估计以及预期的地球重力场恢复精度,为原子干涉重力测量的空间应用提供科学依据.

摘要： 采用地面重力、船载重力、航空重力、卫星测高等重力数据,通过融合处理完成多源重力的统一,利用移去—恢复技术建立了全国陆海一体的新一代垂线偏差高程异常模型CGGM2015,全国垂线偏差子午分量和卯酉分量精度为±0.923"和±1.068",高程异常精度为±0.091m.

摘要： 采用地面重力、船载重力、航空重力、卫星测高等重力数据,通过融合处理完成多源重力的统一,利用移去—恢复技术建立了全国陆海一体的新一代垂线偏差高程异常模型CGGM2015,全国垂线偏差子午分量和卯酉分量精度为±0.923"和±1.068",高程异常精度为±0.091m.

摘要： 采用地面重力、船载重力、航空重力、卫星测高等重力数据,通过融合处理完成多源重力的统一,利用移去—恢复技术建立了全国陆海一体的新一代垂线偏差高程异常模型CGGM2015,全国垂线偏差子午分量和卯酉分量精度为±0.923"和±1.068",高程异常精度为±0.091m.

摘要： 采用地面重力、船载重力、航空重力、卫星测高等重力数据,通过融合处理完成多源重力的统一,利用移去—恢复技术建立了全国陆海一体的新一代垂线偏差高程异常模型CGGM2015,全国垂线偏差子午分量和卯酉分量精度为±0.923"和±1.068",高程异常精度为±0.091m.

摘要： 本文基于CG-5相对重力仪观测数据,在不需要先验信息的基础上,将独立分量分析(ICA)和经验模态分解与独立分量分析相结合(EMD-ICA)的方法应用到实际重力测量数据处理中,提出了一种研究和获取固体潮的新思路.实验结果表明,两种方法获取的固体潮影响量与模型值基本一致,仅相差在μGal量级,并且与模型值均具有大于99％的相关性.EMD-ICA的固体潮提取精度最高,ICA稍差,原因可能是前者在EMD分解和ICA提取的结合应用中对高频噪声进行了有效的剔除.

摘要： 本文基于CG-5相对重力仪观测数据,在不需要先验信息的基础上,将独立分量分析(ICA)和经验模态分解与独立分量分析相结合(EMD-ICA)的方法应用到实际重力测量数据处理中,提出了一种研究和获取固体潮的新思路.实验结果表明,两种方法获取的固体潮影响量与模型值基本一致,仅相差在μGal量级,并且与模型值均具有大于99％的相关性.EMD-ICA的固体潮提取精度最高,ICA稍差,原因可能是前者在EMD分解和ICA提取的结合应用中对高频噪声进行了有效的剔除.

摘要： 本发明公开一种卫星重力梯度全张量恢复地球重力场的确定方法及确定系统。确定方法包括：对卫星重力梯度测量数据进行预处理，获得沿轨扰动引力梯度数据；对沿轨扰动引力梯度数据进行格网化处理，获得格网点值扰动引力梯度数据，建立其全张量表达式；对格网点值扰动引力梯度数据进行积分处理，获得格网均值扰动引力梯度数据，建立其全张量表达式；根据格网均值扰动引力梯度数据及其全张量表达式恢复地球重力场。本发明提供的确定方法及确定系统，能够充分挖掘各类观测数据包含的重力场信息，充分利用各类观测信息最大限度地恢复地球重力场，从而获取更加精确的地球重力场模型，为格网均值扰动引力梯度全张量数据联合反演提供了技术支撑。

摘要： 本发明公开了一种利用地球重力场评估重力传感器分辨率的方法。在地球表面，重力加速度值与其所在位置高度呈线性关系，因此本发明通过改变重力传感器的高度，测量不同位置的地球重力加速度值，计算不同高度重力加速度的理论增量，并测量不同高度实际重力加速度的增量，由GJB1037‑2004，实际重力加速度增量与理论增量的比值大于50％，则分辨率合格，从而评估重力传感器的分辨率。本发明通过精确控制重力传感器高度上的距离变化，实现其输入重力加速度的微弱变化，能够评估分辨率优于0.1mGal的重力传感器，可行性强。

摘要： 本发明涉及一种重力卫星编队轨道稳定性优化设计和基于扰动星间距离原理精密反演地球重力场的方法，特别是一种四星编队系统（FSS）的轨道稳定性优化设计方法。为保证四星编队系统的稳定性，将卫星轨道根数优化设计为轨道半长轴、轨道偏心率、轨道倾角和升交点赤经保持不变，每对卫星的近地点幅角和平近点角分别相差180o，每颗卫星的初始近地点辐角设置于赤道处和初始平近点角设计于极点处，卫星编队系统椭圆轨道的半长轴和半短轴之比为2：1；基于扰动星间距离法，精确和快速反演地球重力场；该方法轨道稳定性较好，有效提高地球重力场计算精度，较大程度提高重力场反演速度，以及计算机性能要求较低。

摘要： 本发明公开了一种降低重力卫星质心调整误差对地球重力场精度影响的方法；基于新型扰动能量原理，通过建立的重力卫星质心调整观测方程，有效降低重力卫星质心调整误差对地球引力位系数精度影响，进而高精度和高空间分辨率反演地球重力场；该方法卫星重力反演精度高，质心调整误差对重力场精度影响小，易于卫星重力系统需求分析，卫星观测方程物理含义明确，计算机性能要求低。因此，扰动能量法是建立高精度和高空间分辨率地球重力场模型的有效方法。

摘要： 本发明公开了卫星重力梯度张量对角线三分量反演地球重力场的调和分析法模型及其建模方法，属于卫星重力测量领域。本发明新建了利用卫星重力梯度张量组合分量Txx+Tyy、Tzz‑Txx‑Tyy反演地球重力场的调和分析法模型，利用本发明新建的卫星重力梯度张量对角线三分量调和分析法模型，反演地球重力场，可以获得三类重力场模型结果。该模型进一步丰富了调和分析法模型的内容，使其并不仅仅局限于Tzz分量，从而顾及到了Txx、Tyy分量对地球重力场反演的贡献，为充分利用卫星重力梯度张量对角线三分量反演地球重力场提供了理论基础，也充分利用了欧空局发射的重力梯度测量卫星GOCE的数据资源。

摘要： 本发明公开一种卫星重力梯度全张量恢复地球重力场的确定方法及确定系统。确定方法包括：对卫星重力梯度测量数据进行预处理，获得沿轨扰动引力梯度数据；对沿轨扰动引力梯度数据进行格网化处理，获得格网点值扰动引力梯度数据，建立其全张量表达式；对格网点值扰动引力梯度数据进行积分处理，获得格网均值扰动引力梯度数据，建立其全张量表达式；根据格网均值扰动引力梯度数据及其全张量表达式恢复地球重力场。本发明提供的确定方法及确定系统，能够充分挖掘各类观测数据包含的重力场信息，充分利用各类观测信息最大限度地恢复地球重力场，从而获取更加精确的地球重力场模型，为格网均值扰动引力梯度全张量数据联合反演提供了技术支撑。

摘要： 本发明公开了一种卫星重力梯度张量对角线三分量反演地球重力场的最小二乘配置法模型及建模方法，属于卫星重力测量领域。该方法从球谐函数的正交性法则出发，将T

摘要： 本发明公开了一种利用地球重力场评估重力传感器分辨率的方法。在地球表面，重力加速度值与其所在位置高度呈线性关系，因此本发明通过改变重力传感器的高度，测量不同位置的地球重力加速度值，计算不同高度重力加速度的理论增量，并测量不同高度实际重力加速度的增量，由GJB1037‑2004，实际重力加速度增量与理论增量的比值大于50％，则分辨率合格，从而评估重力传感器的分辨率。本发明通过精确控制重力传感器高度上的距离变化，实现其输入重力加速度的微弱变化，能够评估分辨率优于0.1mGal的重力传感器，可行性强。

摘要： 本发明公开了一种降低重力卫星质心调整误差对地球重力场精度影响的方法；基于新型扰动能量原理，通过建立的重力卫星质心调整观测方程，有效降低重力卫星质心调整误差对地球引力位系数精度影响，进而高精度和高空间分辨率反演地球重力场；该方法卫星重力反演精度高，质心调整误差对重力场精度影响小，易于卫星重力系统需求分析，卫星观测方程物理含义明确，计算机性能要求低。因此，扰动能量法是建立高精度和高空间分辨率地球重力场模型的有效方法。

摘要： 本发明涉及一种重力卫星编队轨道稳定性优化设计和基于扰动星间距离原理精密反演地球重力场的方法，特别是一种四星编队系统（FSS）的轨道稳定性优化设计方法。为保证四星编队系统的稳定性，将卫星轨道根数优化设计为轨道半长轴、轨道偏心率、轨道倾角和升交点赤经保持不变，每对卫星的近地点幅角和平近点角分别相差180o，每颗卫星的初始近地点辐角设置于赤道处和初始平近点角设计于极点处，卫星编队系统椭圆轨道的半长轴和半短轴之比为2：1；基于扰动星间距离法，精确和快速反演地球重力场；该方法轨道稳定性较好，有效提高地球重力场计算精度，较大程度提高重力场反演速度，以及计算机性能要求较低。