联合使用位模型和地形信息的陆区航空重力向下延拓方法

为了规避传统逆Poisson积分向下延拓解算过程的不适定性问题,借鉴导航定位中的"差分"概念,利用超高阶位模型直接计算海域航空重力测量向下延拓改正数的方法。本文在此基础上提出联合使用重力位模型和地形高数据,计算陆部航空重力向下延拓总改正数的改进方案,以飞行高度面与地面对应点的位模型差分信息表征总改正数的中长波分量,以相对应的局部地形改正差分修正量表征总改正数的中高频成分,从而实现航空重力数据点对点向地面的全频段延拓。在地形变化不同区域,联合使用EGM2008位模型、地面实测重力和高分辨率高程数据进行了实际数值计算和精度评估,验证了该方法的有效性。     

顾及地形效应的地面重力向上延拓模型分析与检验

重力向上延拓在外部重力场逼近和航空重力测量数据质量评估中具有重要应用。本文深入分析研究了6种向上延拓计算模型的技术特点和适用条件,提出了应用超高阶位模型加地形改正、点质量方法结合移去-恢复技术实现“先向下后向上延拓”计算的实施策略,探讨了计算过程特别是前端向下延拓过程的稳定性问题。通过实际数值计算,定量评估了地形质量对不同高度向上延拓结果的影响,对比分析了不同向上延拓模型顾及地形效应的实际效果,同时对向上延拓模型计算精度进行了估计。在地形变化比较激烈的山区,地形质量对向上延拓结果的影响最大可达几十个mGal（10-5m·s-2）,当计算高度为10 km时,该项影响超过3 mGal;向上延拓计算模型误差（不含数据误差影响）一般不超过1 mGal;基于超高阶位模型和地形改正信息实施向下延拓过渡的布阿桑（Poisson）积分向上延拓模型,具有计算过程简便、计算结果稳定可靠等优点。     

基于矩谐分析的航空重力向下延拓

提出基于矩谐分析的航空重力向下延拓方法,以重力扰动作为基本观测值,给出基于矩谐分析的向下延拓模型和算法。利用EGM2008重力位模型设计模拟数值试验,对比研究矩谐分析、直接法和基于广义岭估计的逆泊松积分法,分别采用这3种方法将飞行高度处含高斯白噪声的2.5′×2.5′重力扰动向下延拓至大地水准面,与真实值作外部检验。数值比较结果表明:矩谐分析在延拓精度、稳定性和边界效应等方面都要优于直接法和基于广义岭估计的逆泊松积分法,能取得良好的向下延拓效果。     

海域航空重力测量数据向下延拓的实用方法

针对航空重力测量向下延拓过程固有的不确定性,根据海域重力场的变化特点和现有技术条件,分别提出了利用卫星测高重力向上延拓和超高阶位模型(EGM2008)直接计算延拓改正数,从而实现航空重力测量向下延拓归算的两种实用方法,联合使用卫星测高、海面船测和航空重力测量数据进行了实际数值计算和精度评估,验证了新方法的有效性。     

航空重力测量数据向下延拓的改进Poisson积分迭代法

目前,航空重力测量是快速获取陆地和近海区域高精度、高分辨率重力场信息的非常有效的技术手段,向下延拓则是其数据处理中的关键环节,直接影响到测量结果的进一步应用。本文在对传统最小二乘法、改进最小二乘法、Tikhonov正则化法等延拓模型进行数值分析的基础上,根据调和函数的基本特性,提出并建立了Poisson积分迭代法和改进Poisson积分迭代法延拓模型。实测航空和地面重力测量数据的试验结果表明,本文新建的Poisson积分迭代法和改进Poisson积分迭代法延拓模型精度相当,比传统最小二乘法延拓模型精度提高了15.26 mGal,比改进最小二乘法延拓模型精度提高了0.21 mGal,比Tikhonov正则化法延拓模型精度略低0.13 mGal,从而证明了本文所建模型的正确性和有效性。     

航空重力测量数据向下延拓的正则化算法及其谱分解

基于Poisson积分方程,提出了以地面重力观测值作为控制并顾及外区影响的向下解析延拓数学模型,推导了向下解析延拓的谱分解式,在频域内分析了造成向下延拓结果不稳定的原因,进而给出了向下延拓的正则化算法,并讨论了向下延拓中的地形影响.通过对我国首次航空重力测量试验数据的处理表明,提出的方法可获得稳定、精确的向下延拓结果.     

航空重力测量向下延拓破损点的搜寻与修复

航空重力测量数据向下解析延拓通常是一个病态方程的求解问题,从空中延拓到地面上的重力异常数据因受病态干扰质量不等。把其中质量较差的部分挑选出来,然后再进行有针对性的处理,这种做法的好处是尽量减少对于质量较好数据的破坏,以保持其原有的完好性。提出了两种破损点修复的方法:一是部分岭估计,可在不增加任何新观测的情况下实施;二是部分贝叶斯估计,利用已有的地面数据对破损点做有节制的修复。两种方法均具有较强的可操作性。     

航空重力测量向下延拓破损点的搜寻与修复

航空重力测量数据向下解析延拓通常是一个病态方程的求解问题,从空中延拓到地面上的重力异常数据因受病态干扰质量不等。把其中质量较差的部分挑选出来,然后再进行有针对性的处理,这种做法的好处是尽量减少对于质量较好数据的破坏,以保持其原有的完妤性。提出了两种破损点修复的方法：一是部分岭估计,可在不增加任何新观测的情况下实施;二是部分贝叶斯估计,利用已有的地面数据对破损点做有节制的修复。两种方法均具有较强的可操作性。     

航空重力向下延拓病态问题的求解

提出将广义岭估计用于求解航空重力向下延拓病态问题,研究了求解逆Poisson积分问题的3种正则化方法：Tikhonov正则化、岭估计和广义岭估计。利用EGM2008地球位模型设计模拟数值实验,将飞行高度处含白噪声的2.5′×2.5′重力扰动向下延拓至大地水准面上,与参考值作外部检验,全面检验、比较了各向下延拓方法的可靠性、精度和稳定性,数值结果表明基于多个最优正则化参数的广义岭估计在延拓精度、稳定性和抗差性等方面要显著优于基于单个正则化参数的Tikhonov法和岭估计。     

点质量模型在航空重力数据向下延拓中的应用

研究探讨了基于逐级余差思想的分层点质量模型在航空重力数据向下延拓中的应用,首先给出其基本原理,然后对澳大利亚某区域实测航空重力测量数据进行了向下延拓实验,并分析了分层方案的选择、"背景场"的建立与否和地面重力数据的选取对实验结果的影响以及采用点质量模型向下延拓的精度,给出了在地面重力基础数据缺乏与否的情况下建立点质量模型的具体建议。实验结果表明,点质量模型可以有效进行航空重力数据的向下延拓,实验区2'×2'分辨率的数据延拓精度可达±4.8×10-5m.s-2。     

航空重力向下延拓的误差影响分析

本文从分析航空重力向下延拓过程中偶然误差和系统误差的变化特性入手,进而提出处理办法。首先,利用试验说明移去恢复法局限性,同时表明需处理系统误差和偶然误差的必要性。然后,采用理论推演和数值模拟计算分别估计了系统误差和偶然误差影响,试验结果发现:系统误差影响和偶然误差影响均与数据格网间隔、向下延拓高度呈线性关系,当格网化间隔较小和延拓高度较高时系统误差影响和偶然误差影响较大。最后,提出使用半参数模型和正则化算法的两步法估计系统误差和减弱偶然误差影响,试验结果说明两步法处理向下延拓各类误差影响优于仅用半参数模型或正则化算法的结果,在试验数据的偶然误差标准差为2×10~(-5) m/s~2、恒值系统误差3×10~(-5) m/s~2和变值系统误差标准差约1.3×10~(-5) m/s~2时,以及向下延拓高度6.3 km和格网间隔6′的条件下,两步法向下延拓结果的精度可达2.3×10~(-5) m/s~2。     

向下延拓航空重力数据的Tikhonov双参数正则化法

为了避免正则化参数对向下延拓过程可靠成分的修正影响,提出了Tikhonov双参数正则化法。引进截断参数,将法矩阵的奇异值分为相对较大的奇异值（可靠部分）和相对较小的奇异值（不可靠部分）;引进正则化参数,只对法矩阵的小奇异值进行修正,以抑制高频误差对向下延拓解的影响。采用改进的广义交互确认法（GCV）确定截断参数和正则化参数。基于EGM2008重力场模型仿真了一组航空重力数据,验证了该方法对航空重力数据向下延拓过程的有效性。     

航空重力向下延拓分组修正的正则化解法

在航空重力向下延拓中,针对病态性对解算结果各个部分影响的不同进行分组修正,提出了分组修正的正则化解法。利用信噪比评估病态性影响,得到将参数分组的方式;依分组修正思想构造正则化矩阵;通过极小化均方误差选取正则化参数。基于EGM2008重力场模型仿真一组航空重力数据,验证了该方法对航空重力数据向下延拓过程的有效性,并与另外3种方法作比较。结果表明,新方法具有更高的精度。     

利用航空重力确定局部大地水准面的精度分析

探讨了空中重力扰动的滤波尺度和向下延拓方法对局部大地水准面确定精度的影响。实测数据分析表明,直接代表法不受测区形状及范围大小限制且无边界效应,成为最合适的向下延拓方法;100~250 s的滤波尺度均适用于大地水准面的确定,顾及滤波器边界效应的影响,宜采用小一些的滤波尺度如100 s。无论是空中比较还是地面比较,利用航空重力数据确定的局部大地水准面,其与参考大地水准面的比较精度可以达到±3 cm。     

基于广义补偿最小二乘法的航空重力向下延拓

航空重力向下延拓是病态问题,而广义补偿最小二乘法可以很好地克服病态性。研究了基于广义补偿最小二乘法的逆Poisson积分的航空重力向下延拓模型,并设计实验方案,将EGM2008地球位模型计算的重力异常作为仿真实验的数据,分别用最小二乘、Tikhonov正则化、广义补偿最小二乘3种方法求解,对其精度及仿真效果进行比较。结果表明,广义补偿最小二乘方法精度高,对仿真效果有显著提高。