用重力异常逐级余差计算重力大地水准面

本文将计算重力大地水准面的频域方法推广至空域，提出了一种新的用重力数据和重力模型位系数联合确定大地水准面的方法。利用重力异常的逐级余差实施积分，使得通常的Ｓｔｏｋｅｓ积分方法具有明确的频域分析含义，可按精度要求确定出使用重力异常余差的块形大小及积分半径ψｏ。     

中国海域大地水准面和重力异常的确定

从莫洛金斯基(Molodensky)等1960年给出的由垂线偏差计算大地水准面空域积分公式出发,导出了其相应谱域1维严密卷积和2维球面及平面卷积公式。由Topex/Poseidon,ERS 1/2及Geosat/GM,ERM测高资料求解的垂线偏差计算了我国海域及其邻区大地水准面,其中计算格网为2.5′×2.5′。为了检核,将测高垂线偏差由逆维宁 迈尼兹(Vening Meinesz)公式反演重力异常,与海上船测重力值进行了外部检核;同时还利用司托克斯(Stokes)公式,由上述反演的重力异常计算大地水准面高,与莫洛金斯基公式直接解得的相应结果进行比较作为内部检核。前者的中误差为±9mGal(1Gal=1cm/s2),后者为±0.025m。本文在积分计算中充分应用了2维平面坐标形式和1维卷积严格公式,并做了比较和自校核。     

WZD94中国重力大地水准面研究

利用我国实测重力值计算完成了全国５＇×５＇格网平均空间重力异常，并结合重力场模型ＷＤＭ９４，利用国内外最新发展起来的快速谱算法确定了我国高分辨率５＇×５＇重力大地水准面ＷＺＤ９４。     

区域重力大地水准面确定的相对精度估计

以频域解析方法,研究由地面重力数据、全球住模型确定区域重力大地水准面的相对精度估计.首先由Stokes公式的数值积分推导地面重力数据与球谐系敬的精度关系;再由"移去-恢复"方法的空域截断逼近模式和协方差函数的球谐表达,分别推导内区地面重力数据之误差、外区全球位模型之误差与区域重力大地水准面之相对精度的解析关系;为便于计算,提出将内区地面重力数据和外区全球位模型的频域截断误差合并,再按频段重新划分为两部分:①全球范围--地面重力数据对应频率以上的截断;②外区范围--介于全球位模型最高频率与地面重力数据对应频率之间的截断,以经验阶方差模型分别估计之.模拟计算显示了地面重力数据之精度、分辨率、积分半径和全球位模型之精度、分辨率与区域重力大地水准面之相时精度的具体对应关系.本文研究同样适用于区域重力似大地水准面的确定.     

利用Hotine积分与扰动重力数据确定区域大地水准面

随着GNSS、航空重力等技术的发展,扰动重力数据的获取变得越来越便捷。然而目前利用Hotine积分与扰动重力数据确定区域大地水准面的研究比较少。本文主要研究了Hotine积分中央区改正方法和Hotine积分核函数改进方法;利用改进的Hotine积分核函数结合扰动重力数据构建了区域大地水准面。实验表明,本文提出的中央区改正方法可以解决Hotine积分中央区奇异的问题;改进核函数的方法可以有效地削弱远区截断误差的影响并且可以提高数据的利用率。     

关于重力大地水准面计算精度问题

在众多影响重力大地水准面计算精度的因素中,计算模型误差及地面观测数据误差是其中的两个主要误差源。本文从实用角度出发,详细探讨了重力大地水准面计算公式选择问题;并通过实际数值计算,研究确定了地面观测数据计算精度、密度及覆盖范围等参数指标;最后以180阶次位系数定义地球重力场,对重力大地水准面计算精度进行了实际检验。     

利用矩谐分析的局部大地水准面确定

大地水准面是重力的等位面,建立高精度的大地水准面是大地测量学的重要任务之一。现阶段建立局部大地水准面多采用球谐分析以及球冠谐分析,但都无法获得高精度、小区域的大地水准面。针对这一研究现状,本文提出了采用矩谐分析确定局部大地水准面的方法。选取所研究区域中心点为坐标原点,建立直角坐标系,并在此坐标系下求解地球引力位Laplace方程;利用模拟的陆地重力及航空重力数据,对矩谐分析建模方法进行验证与分析;并针对影响矩谐分析精度的边界效应问题,采用扩展参数的方法提高精度,针对"龙格问题",进行了最佳截断阶数的研究。结果表明:由陆地重力和航空重力数据确定的2.5'×2.5'的大地水准面精度分别能达到4.2、4.3 cm;且对于航空重力数据,矩谐分析能同时实现向下延拓和解算两个重点、难点计算过程,将航空重力解算直接化、简单化。     

海洋重力似大地水准面与区域测高似大地水准面的拟合问题

研究了将陆地重力似大地水准面与GPS水准似大地水准面拟合的处理方法推广到海洋的问题,首先从理论上证明了当存在海面地形,则海洋大地水准面与似大地水准面不重合,导出了在海洋上大地水准面差距与高程异常之间差值的公式,由此给出了求定平均海面相对于区域高程基准的正常高以及测高似大地水准面的计算公式。由于测高平均海面与GPS大地高有相近的精度,提出了将海洋重力似大地水准面与区域测高似大地水准面拟合的处理方法,并利用当前最新的海面地形模型和测高平均海面模型做了数值估计。     

WZD94中国重力大地水准面研究

利用我国实测重力值计算完成了全国5'×5'格网平均空间重力异常,并结合重力场模型WDM94,利用国内外最新发展起来的快速谱算法确定了我国高分辨率5'×5'重力大地水准面WZD94。     

A synthetic Earth Gravity Model Designed Specifically for Testing Regional Gravimetric Geoid Determination Algorithms

A synthetic [simulated] Earth gravity model (SEGM) of the geoid, gravity and topography has been constructed over Australia specifically for validating regional gravimetric geoid determination theories, techniques and computer software. This regional high-resolution (1-arc-min by 1-arc-min) Australian SEGM (AusSEGM) is a combined source and effect model. The long-wavelength effect part (up to and including spherical harmonic degree and order 360) is taken from an assumed errorless EGM96 global geopotential model. Using forward modelling via numerical Newtonian integration, the short-wavelength source part is computed from a high-resolution (3-arc-sec by 3-arc-sec) synthetic digital elevation model (SDEM), which is a fractal surface based on the GLOBE v1 DEM. All topographic masses are modelled with a constant mass-density of 2,670 kg/m³. Based on these input data, gravity values on the synthetic topography (on a grid and at arbitrarily distributed discrete points) and consistent geoidal heights at regular 1-arc-min geographical grid nodes have been computed. The precision of the synthetic gravity and geoid data (after a first iteration) is estimated to be better than 30 μ Gal and 3 mm, respectively, which reduces to 1 μ Gal and 1 mm after a second iteration. The second iteration accounts for the changes in the geoid due to the superposed synthetic topographic mass distribution. The first iteration of AusSEGM is compared with Australian gravity and GPS-levelling data to verify that it gives a realistic representation of the Earth’s gravity field. As a by-product of this comparison, AusSEGM gives further evidence of the north–south-trending error in the Australian Height Datum. The freely available AusSEGM-derived gravity and SDEM data, included as Electronic Supplementary Material (ESM) with this paper, can be used to compute a geoid model that, if correct, will agree to in 3 mm with the AusSEGM geoidal heights, thus offering independent verification of theories and numerical techniques used for regional geoid modelling.Electronic Supplementary Material Supplementary material is available in the online version of this article at http://dx.doi.org/10.1007/s00190-005-0002-z     

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。     

我国精化大地水准面工作中若干问题的讨论

对我国正进行的精化大地水准面工作中若干问题作了讨论,包括:1)推估内插(或拟合)模型;2)利用莫霍面起伏资料代替均衡假说;3)GPS水准布网的优化设计;4)利用GPS水准及重力资料精化大地水准面的精度估计。     

基于移去--恢复技术的区域大地水准面拟合方法研究

在介绍移去恢复法基本原理的基础上通过对移去项分两种不同情况进行计算,然后对移去后剩余部分分别用多面函数法和四次多项式法进行拟合内插,恢复移去项后得出拟合后的区域大地水准面。经比较分析知,四次多项式在结合重力模型和GPS水准拟合大地水准面中精度较高,且改进的移去项有助于提高拟合精度。     

利用航空重力确定局部大地水准面的精度分析

海洋重力测量是海洋地区获取高精度、高分辨率地球重力场信息的重要技术方法。研究了波罗的海地区海洋重力测量数据的处理方法,利用测线交叉点处重力测量观测值建立的漂移函数有效减小了重力仪漂移异常的影响,其测量精度达到了0.5 mGal。2017年,海空重力仪Chekan-AM更新以后,其测量稳定性有了显著提高。数据处理结果表明,搭载在常规科考船DENEB的海洋重力测量精度为0.2 mGal,而首次搭载在渡轮URD的海洋重力测量精度为0.6 mGal。根据波罗的海地区局部大地水准面构建的初步结果,证明了获取的海洋重力测量数据对填补数据空白、检测老旧数据以及提高大地水准面精度等方面具有重要作用,研究结果为未来波罗的海地区建立高精度的统一大地水准面提供了数据基础和技术支持。     

我国地球重力场研究的进展

概述了我国近年来在地球重力场研究方面所做的主要工作和取得的成果 ,包括 :① 2 0 0 0国家重力基本网的建立 ;②我国省市级局部大地水准面的精化 ;③卫星测高 ;④高阶地球重力场模型 ;⑤卫星重力探测技术。     

应用GPS水准与重力数据联合解算大地水准面

GPS水准大地水准面与重力大地水准面之差不仅由基准不同引起,而且也包含重力与GPS水准观测值的误差。建立了这两个水准面之差与基准转换参数、重力和GPS水准观测值的残差之间的关系,并基于最小二乘准则解算了基准转换参数和重力与GPS水准观测值的残差,即计算转换参数及重力与GPS观测值的改正。尤其当GPS水准精度远高于重力水准面时,联合解算模型可固定GPS水准大地水准面,只对重力观测值进行改正。     

采用重力异常的导纳理论推估海底地形

系统探讨了采用重力异常的导纳理论推估海底地形的方法。在频率域内对海底地形和重力异常的相关性进行了分析,确定在20~300 km波段内两者相关系数最高,适合通过重力异常反演。以皇帝海山链为例,分别采用未补偿导纳模型和顾及挠曲补偿的导纳模型开展研究,其中涉及的地壳厚度和有效弹性厚度等参数通过均衡响应函数法得到。引入余弦低通滤波器,有效地解决了向下延拓过程中产生的高频震荡问题。算例结果表明,采用重力异常的导纳理论能够有效地反演海底地形,结果真实可靠,反演模型的相对精度在6%左右,与ETOPO1模型相当,且能够刻画出ETOPO1模型中未显现的地形细节。由于地形变化剧烈,反演模型在海山链沿线附近精度不甚理想。