卫星重力径向梯度数据的最小二乘配置调和分析

本文深入研究了利用卫星重力梯度径向分量确定地球引力场位系数的最小二乘配置(LSC)调和分析方法。首先论述了最小二乘配置法的原理,推导了扰动引力梯度观测量与球谐系数之间的协方差和自协方差矩阵,在扰动引力梯度观测数据为等经差规则网格数据的情况下,引力位与扰动引力梯度之间的协方差矩阵具有分块Toeplitz循环阵的结构,有效的利用FFT变换技术将其降阶;研究利用截断奇异值分解法（TSVD）解决协方差阵的病态性问题;最后得到了引力梯度径向分量的最小二乘配置调和分析的完整计算公式。模拟试算结果表明,基于TSVD的最小二乘配置调和分析方法,能够以较高的精度还原全球重力场,验证了本文算法的有效性和实用性。     

重力梯度张量的球谐分析

深入研究了利用卫星重力梯度数据确定地球重力场模型的球谐分析方法，导出了由重力梯度张量的球函数展开系数确定扰动位球谐系数的实用解算模型。模拟试算结果验证了本文算法的有效性和实用性。     

重力梯度张量的球谐分析

深入研究了利用卫星重力梯度数据确定地球重量力场模型的球谐分析方法，导出了由重力梯度张量的球函数展开系数确定扰动位球谐系数的实用解算模型。模拟试算结果验证了本算法的有效性和实用性。     

GOCE卫星测量恢复地球重力场模型的理论与方法

研究了GOCE卫星测量恢复地球重力场模型的理论与方法。论文的主要工作和创新点有： (1) 建立了扰动重力梯度张量各分量没有奇异性的详细计算模型,解决了重力梯度张量Txx分量在两极地区计算的奇异性难题。 (2) 系统研究了卫星重力梯度数据向下延拓的解析法、泊松积分迭代法和卫星重力梯度数据格网化的移动平均法、反距离加权法、普通克里金法,建立了相应的数学模型,导出了相应的计算公式,并采用“直接法”和“移去-恢复法”两种方案对其向下延拓和格网化效果进行了测试。 (3) 分析了能量守恒方程中各项误差对沿轨扰动位计算结果的影响,建立了利用GOCE模拟数据确定地球重力场的最小二乘直接法、调和分析法、最小二乘配置法的实用数学模型,并做了大量的模拟计算。 (4) 建立了利用扰动引力梯度张量各单分量和组合分量确定地球重力场的最小二乘直接法去奇异性计算模型;推导了利用扰动引力梯度张量单分量和组合分量解算地球重力场的调和分析法模型;进一步推导了扰动引力梯度张量各个分量之间的自协方差和互协方差函数及其与引力位系数之间协方差函数的具体计算公式。 (5) 推导了利用不同类型重力测量数据确定地球重力场的联合平差法数学模型,介绍并分析了模型中各类数据最优定权的参数协方差法和方差分量估计法。 (6) 论述了谱组合法的基本原理,给出了多种类型重力测量数据联合处理的谱权及谱组合的通用表达式,基于调和分析方法推导了SST+SGG、SST+SGG＋Δg和SST+SGG＋Δg+N恢复地球重力场模型的谱组合公式及对应谱权的具体形式。 (7) 推导了利用迭代法联合不同类型重力测量数据反演地球重力场模型的基本原理公式,并给出了其具体实现步骤。 (8) 分析并计算了重力卫星轨道高度、卫星星间距离和卫星轨道倾角的设计指标;讨论了双星轨道长半轴的一致性要求、双星姿态俯仰角的控制要求以及双星编队保持机动的时间间隔要求。 (9) 确定了KBR系统的星间距离、星间距离变化率和星间加速度的精度指标;设计了星载GPS系统的卫星轨道位置和速度以及加速度计测量的精度指标;计算了加速度计检验质量质心到卫星质心的调整距离精度指标;分析了恒星敏感器的姿态角测量精度和稳定度;计算了参考重力场模型对于累计大地水准面精度和积分卫星轨道的影响。 (10) 研制了一套利用卫星重力测量数据反演地球重力场模型的软件平台,可对卫星重力测量数据处理及其精度评估提供一些基本方法,并为我国卫星重力测量系统的总体战技指标和主要有效载荷技术指标的量化分析、论证提供理论和技术支持,为我国未来的卫星重力测量系统提供可能的积累和参考。     

卫星重力梯度数据确定地球重力场的Slepian局部谱分析方法

在引入Slepian局部谱分析方法的基础上,详细分析Slepian函数的数学特性,采用Grünbaum算子提高Slepian方法求解的稳定性和效率,推导卫星重力梯度数据确定地球重力场的Slepian方法表达式。通过仿真分析,就Slepian方法在卫星重力梯度数据确定地球重力位模型中的应用和前景进行分析和讨论。研究表明,Slepian函数在整个球面和球带上具有双正交性,其频谱能量分布特性与卫星轨道的测量特点具有很好的一致性。Slepian低次项系数精度受到极空白影响很小,较之球谐系数低次项明显改善。Slepian方法对大地水准面空间分布恢复精度的直接贡献不明显。     

利用引力梯度数据计算径向梯度的优化方法

根据重力梯度观测各分量的方差及协方差信息,提出了利用GOCE梯度数据计算径向重力梯度的优化方法。首先给出了径向重力梯度的计算方法,并深入分析了误差传播规律,通过建立相应的条件极值问题,给出了计算径向重力梯度最优组合因子的方法;通过模拟数据验证了本文所提出的优化因子的优越性。实际数据计算表明:相对于传统方法,采用优化组合因子可使反演所得引力位模型的累积大地水准面精度在250阶时提高约2 cm。由于径向重力梯度不仅可以用于地球引力场模型的求解,也可直接应用于地球物理问题的讨论,因此本文所提出的优化方法也可对部分地球动力学问题的讨论提供方便。     

三、P22 大地测量学

正CH20121317卫星重力梯度数据确定地球重力场的Sle-pian局部谱分析方法=Slepian Localized Spectral Analysis of the Determination of the Earth’s Gravity Field Using Satellite Gravity Gradiometry Data/朱广彬(国家测绘地理信息局卫星测绘应用中心),李建成,文汉江,常晓涛,王正涛,邹贤才//测绘学报.-2012,41(1).-1～7在引入Slepian局部谱分析方法的基础上,详细分析Slepian函数的数学特性,采用Grünbaum算子提高Slepian方法求解的稳定性和效率,推导卫星重力梯度数据确定地球重力场的Slepian方法表达式。通过仿真分析,就Slepian方法在卫星重力梯度数据确定地球重力位模型中的应用和前景进行分析和讨论。研究表明,Slepian函数在整个球面和球带上具有双正交性,其频谱能量分布特性与卫星轨道的测量特点具有很好的一致性。Slepian低次项系数精度受到极空白影响很小,较之球谐系数低次项明显改善。Slepian方法对大地水准面空间分布恢复精度的直接贡献不明显。图6表1参19     

天文潮汐对卫星重力梯度观测数据的影响分析

测定地球重力场,确定高分辨率的静态地球重力场模型,是大地测量学的主要任务之一.重力场的影响主要分为潮汐部分和非潮汐部分,天文潮汐在潮汐部分中属于直接引力效应,对重力场的影响是不可忽略的.本文以一个月的星历数据为基础,分析了天文潮汐对GOCE卫星重力梯度观测数据的影响,并统计了最大值和最小值;研究了天文潮汐对地球上单点重力梯度数据的影响特征;计算了各行星对卫星重力梯度数据影响量级.研究结果表明:天文潮汐对卫星重力梯度数据的影响量级处于0.1mE,比GOCE卫星设计精度低一个量级,但是它具有周期性,属于有色噪声,因此在卫星重力梯度数据预处理中需要扣除;天文潮汐对卫星重力梯度数据各分量的影响不同,其中对角线分量Vxx,Vyy和Vzz要比其他分量略大;月球和太阳对卫星重力梯度数据的影响最大,在所有星体中占据主导地位.     

平稳随机函数在重力场逼近中的应用

随着卫星测高、卫星跟踪卫星和卫星重力梯度等空间重力探测技术的不断进步，出现了垂线偏差、重力梯度等新的重力场观测信息，综合有效使用上述信息资源已成为重力场研究应用的关键。本文分析了地球扰动场元的随机平稳特征，研究了综合利用各类重力场观测信息根据最小二乘配置理论逼近任一待求扰动场元的协方差函数?     

SGG重力场球谐系数正则解的误差估计方法

重力梯度为重力位的二阶导数,可以通过星载梯度仪进行观测。重力场球谐函数系数可以通过正则化方法由重力梯度算出。本文在对正则化方法分析的基础上提出了估计球谐函数系数正则解误差的方法,为我国今后发射重力梯度卫星提供技术准备。     

Effects of topographic–isostatic masses on gravitational functionals at the Earth’s surface and at airborne and satellite altitudes

Topographic–isostatic masses represent an important source of gravity field information, especially in the high-frequency band, even if the detailed mass-density distribution inside the topographic masses is unknown. If this information is used within a remove-restore procedure, then the instability problems in downward continuation of gravity observations from aircraft or satellite altitudes can be reduced. In this article, integral formulae are derived for determination of gravitational effects of topographic–isostatic masses on the first- and second-order derivatives of the gravitational potential for three topographic–isostatic models. The application of these formulas is useful for airborne gravimetry/gradiometry and satellite gravity gradiometry. The formulas are presented in spherical approximation by separating the 3D integration in an analytical integration in the radial direction and 2D integration over the mean sphere. Therefore, spherical volume elements can be considered as being approximated by mass-lines located at the centre of the discretization compartments (the mass of the tesseroid is condensed mathematically along its vertical axis). The errors of this approximation are investigated for the second-order derivatives of the topographic–isostatic gravitational potential in the vicinity of the Earth’s surface. The formulas are then applied to various scenarios of airborne gravimetry/gradiometry and satellite gradiometry. The components of the gravitational vector at aircraft altitudes of 4 and 10 km have been determined, as well as the gravitational tensor components at a satellite altitude of 250 km envisaged for the forthcoming GOCE (gravity field and steady-state ocean-circulation explorer) mission. The numerical computations are based on digital elevation models with a 5-arc-minute resolution for satellite gravity gradiometry and 1-arc-minute resolution for airborne gravity/gradiometry.     

Methodology and use of tensor invariants for satellite gravity gradiometry

Although its use is widespread in several other scientific disciplines, the theory of tensor invariants is only marginally adopted in gravity field modeling. We aim to close this gap by developing and applying the invariants approach for geopotential recovery. Gravitational tensor invariants are deduced from products of second-order derivatives of the gravitational potential. The benefit of the method presented arises from its independence of the gradiometer instrument’s orientation in space. Thus, we refrain from the classical methods for satellite gravity gradiometry analysis, i.e., in terms of individual gravity gradients, in favor of the alternative invariants approach. The invariants approach requires a tailored processing strategy. Firstly, the non-linear functionals with regard to the potential series expansion in spherical harmonics necessitates the linearization and iterative solution of the resulting least-squares problem. From the computational point of view, efficient linearization by means of perturbation theory has been adopted. It only requires the computation of reference gravity gradients. Secondly, the deduced pseudo-observations are composed of all the gravitational tensor elements, all of which require a comparable level of accuracy. Additionally, implementation of the invariants method for large data sets is a challenging task. We show the fundamentals of tensor invariants theory adapted to satellite gradiometry. With regard to the GOCE (Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer) satellite gradiometry mission, we demonstrate that the iterative parameter estimation process converges within only two iterations. Additionally, for the GOCE configuration, we show the invariants approach to be insensitive to the synthesis of unobserved gravity gradients.     

国际卫星重力梯度测量计划研究进展

本文首先阐述了重力梯度测量原理、从20世纪初到21世纪初重力梯度仪的研究历程、卫星重力梯度仪(静电悬浮重力梯度仪、超导重力梯度仪和量子重力梯度仪)的技术特征以及卫星重力梯度测量的特点;其次,介绍了基于卫星重力梯度技术恢复250阶GOCE地球重力场以及论证首先开展一维径向重力梯度仪的研制进而恢复高精度和高空间解析度中高频地球重力场可行性方面的研究进展;最后,建议我国尽早开展基于时空域混合法解算中高频地球重力场和卫星重力梯度测量系统误差分析的预先研究。     

星载原子干涉技术用于地球重力场测量及其精度评估

重力梯度卫星GOCE通过搭载静电式重力梯度仪,将全球静态重力场恢复至200阶以上。目前GOCE卫星已结束寿命,亟须发展下一代更高分辨率的卫星重力梯度测量来完善200~360阶的全球静态重力场模型。原子干涉型的重力梯度测量在空间微重力环境下可获得较长的干涉时间,因此具有很高的星载测量精度,是下一代卫星重力梯度测量的候选技术之一。本文针对未来更高分辨率全球重力场测量的科学需求,提出了一种适用于空间微重力环境下的原子干涉重力梯度测量方案,其梯度测量噪声可低至0.85mE/Hz1/2。文中对不同类型的卫星重力梯度测量方案进行了重力场反演精度的对比评估,仿真结果表明,相比于现有静电式卫星重力梯度测量,原子干涉型的卫星重力梯度测量有望将重力场的恢复阶数提升至252~290阶,对应的累积大地水准面误差7~8cm,累积重力异常误差3×10-5 m/s2。     

GOCE实测数据反演高阶重力场模型的Torus方法

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。     

卫星重力梯度向下延拓的谱方法

本文提出在平面近似下解算卫星重力梯度向下延拓问题的谱方法，并采用模拟数据进行了试算，结果表明该方法是有效的。这为利用卫星重力梯度数据精化局部重力场提供了可供参考的方法。     

关于卫星重力梯度边值问题的准解的若干注记

研究了卫星重力梯度边值问题的准解的具体计算方法，利用地球重力场模型ＷＤＭ９４模拟的卫星重力梯度数据进行试算，验证了准解模型的有效性，并获得一些重要结论     

An integrated wavelet concept of physical geodesy

For the determination of the earth's gravity field many types of observations are nowadays available, including terrestrial gravimetry, airborne gravimetry, satellite-to-satellite tracking, satellite gradio-metry, etc. The mathematical connection between these observables on the one hand and gravity field and shape of the earth on the other is called the integrated concept of physical geodesy. In this paper harmonic wavelets are introduced by which the gravitational part of the gravity field can be approximated progressively better and better, reflecting an increasing flow of observations. An integrated concept of physical geodesy in terms of harmonic wavelets is presented. Essential tools for approximation are integration formulas relating an integral over an internal sphere to suitable linear combinations of observation functionals, i.e. linear functionals representing the geodetic observables. A scale discrete version of multiresolution is described for approximating the gravitational potential outside and on the earth's surface. Furthermore, an exact fully discrete wavelet approximation is developed for the case of band-limited wavelets. A method for combined global outer harmonic and local harmonic wavelet modelling is proposed corresponding to realistic earth's models. As examples, the role of wavelets is discussed for the classical Stokes problem, the oblique derivative problem, satellite-to-satellite tracking, satellite gravity gradiometry and combined satellite-to-satellite tracking and gradiometry. Received: 28 February 1997 / Accepted: 17 November 1997     

月球重力场模型研究进展和我国将来月球卫星重力梯度计划实施

本文介绍了基于国际探月观测数据建立的月球重力场模型:8×4、15×8、13×13、5×5、7×7、16×16-1/2/3、Lun60d、GLGM-1/2、LP75D/G、LP100K/J、LP165P、LP150Q和SGM90d;通过对比SST-HL/LL-Doppler-VLBI和SST-HL/SGG-Doppler-VLBI跟踪观测模式的优缺点,建议我国将来首期月球卫星重力测量计划采用SST-HL/SGG-Doppler-VLBI较优;其次,通过对比静电悬浮、超导和量子卫星重力梯度仪的优缺点,建议我国将来首期月球卫星重力梯度计划采用静电悬浮重力梯度仪;并建议我国将来首颗月球重力梯度卫星的轨道高度(50～100 km)选择在已有月球探测卫星的测量盲区,轨道倾角(90°±3°)设计为有利于月球卫星观测数据全球覆盖的近极轨模式。