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卫星精密定轨与重力场建模的同解法

地球物理学报 2016年第7期59卷 2413-2423页

作者：邹贤才衷路萍李建成武汉大学测绘学院地球空间环境与大地测量教育部重点实验室武汉430079

现代卫星跟踪卫星重力测量技术显著改善了地球重力场模型的中长波段信号,并拓展了重力场模型在相关科学研究中的应用.同解法作为卫星重力观测数据的主要处理手段之一,国内一直没有实质突破.本文从基本模型和关键技术的分析出发,剖析了... 详细信息

现代卫星跟踪卫星重力测量技术显著改善了地球重力场模型的中长波段信号,并拓展了重力场模型在相关科学研究中的应用.同解法作为卫星重力观测数据的主要处理手段之一,国内一直没有实质突破.本文从基本模型和关键技术的分析出发,剖析了同解法的特点,特别是在建立同解法与几何法(运动学)定轨、一般动力学方法关系的基础上,给出了一种同解法的实现路线.在已有的精细数据预处理和并行计算研究基础上,结合GRACE卫星的实测飞行数据,在国内首次获得了真实卫星任务数据条件下的同解法结果,并进行了动力法轨道的外部质量检核、卫星非保守力分析、重力场模型的GPS水准检验等.利用卫星激光测距数据检验,卫星精密轨道的径向精度优于2cm,同时建立了质量可靠的卫星重力场模型,充分展示了同解法的优点.数值结果及其分析表明,本文所提的同解法实施方案合理可行,已经掌握了实现同解法的关键技术,获得了从仿真研究到实际飞行数据处理的新进展.最后,本文对同解法今后的发展思路,以及如何进一步挖掘同解法的潜力,提出了见解和今后的工作方向.

关键词：卫星重力同解法加速度计校准 GRACE 动力法

单加速度计模式下的GOCE卫星重力场建模方法研究

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地球物理学报 2016年第4期59卷 1260-1266页

作者：邹贤才李建成武汉大学测绘学院地球空间环境与大地测量教育部重点实验室武汉430079

GOCE卫星由于加速度计的特殊安装方式,其非保守力主要由普通模式的组合加速度提供,使得单个加速度计的特征更难提取.本文首次采用实测数据,研究了单加速度计模式下的高低跟踪数据处理.利用GOCE任务2009年(2009-11—2009-12)的实测数据,... 详细信息

GOCE卫星由于加速度计的特殊安装方式,其非保守力主要由普通模式的组合加速度提供,使得单个加速度计的特征更难提取.本文首次采用实测数据,研究了单加速度计模式下的高低跟踪数据处理.利用GOCE任务2009年(2009-11—2009-12)的实测数据,分别以GOCE卫星梯度仪坐标系三个坐标轴正向的加速度计为研究对象,利用1s间隔的高采样轨道数据,采用动力法同时进行卫星重力场建模和加速度计的精密校准.为了克服两极地区的数据缺失对重力场模型低次系数的影响,即所谓的极空白问题,引入同期GRACE卫星的观测数据,采用方差分量估计方法,建立了GRACE/GOCE卫星跟踪卫星重力场模型WHU-GRGO-SST.该模型完全到100阶次,经6169个美国GPS水准点数据检验,在同阶次上与EGM2008和GGM05S的精度水平相同.分析发现,GOCE卫星的加速度计偏差参数存在显著的漂移,也显示了单加速度计模式处理GOCE高低跟踪数据的优势.本文的研究成果为建立静态高分辨率、高精度的GRACE/GOCE重力场模型提供了更严密的模型与技术方案,同时也为GOCE卫星梯度仪校准,以及梯度数据的深入分析提供了重要的参考信息.

关键词：卫星重力动力法联合重力场模型梯度仪

利用最小二乘直接法反演卫星重力场模型的MPI并行算法

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测绘学报 2015年第8期44卷 833-839,857页

作者：周浩罗志才钟波陆飚武汉大学测绘学院地球空间环境与大地测量教育部重点实验室

针对海量卫星重力数据反演高阶次地球重力场模型的密集型计算任务与高内存耗用问题,基于MPI实现了最小二乘直接法恢复高阶次位系数的并行算法。引入并行读写、分块存储与分块计算等方式完成了设计矩阵的构建、法方程的形成与求解等密集... 详细信息

针对海量卫星重力数据反演高阶次地球重力场模型的密集型计算任务与高内存耗用问题,基于MPI实现了最小二乘直接法恢复高阶次位系数的并行算法。引入并行读写、分块存储与分块计算等方式完成了设计矩阵的构建、法方程的形成与求解等密集型计算任务的并行算法,数值计算结果表明三者的并行相对效率峰值可分别达到95%、68%、63%。利用GOCE轨道跟踪和径向扰动重力梯度数据(共518 400个历元)分别反演了120、240阶次地球重力场模型,计算时间仅为40min、7h,内存耗用峰值仅为290MB、1.57GB;采用与GOCE同等噪声水平的观测数据恢复的重力场模型精度与GOCE已发布模型的解算精度相一致,联合GRACE和GOCE的解算模型能够实现二者独立信息的频谱互补,表明本文方法可高效稳定地恢复高阶次地球重力场模型。

关键词： MPI 并行算法卫星重力场模型 Gauss-Jordan算法 GOCE

利用GPS资料反演汶川Mw 7.9级地震滑动分布

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测绘学报 2009年第3期38卷 195-201+215页

作者：许才军刘洋温扬茂武汉大学测绘学院地球空间环境与大地测量教育部重点实验室

2008年5月12日,青藏高原东缘龙门山断裂带发生Mw7.9级汶川地震,该地震使得北川—映秀断裂、灌县—江油断裂带发生了同震破裂。本文主要利用"中国地壳运动观测网络"项目组提供的GPS同震位移资料,采用基于敏感度迭代拟合法(SBIF)及分段发... 详细信息

2008年5月12日,青藏高原东缘龙门山断裂带发生Mw7.9级汶川地震,该地震使得北川—映秀断裂、灌县—江油断裂带发生了同震破裂。本文主要利用"中国地壳运动观测网络"项目组提供的GPS同震位移资料,采用基于敏感度迭代拟合法(SBIF)及分段发震断层模型,分别应用均匀半空间和分层地壳结构两种方法反演分析该次地震的精细同震滑动分布。结果表明:①SBIF反演方法应用于相对较小的GPS数据集仍然可以获得理想的同震滑动分布;②采用考虑分层地壳结构模型的反演结果整体上要优于均匀半空间模型的结果;③同震滑动主要发生在10～19km深度以上,且存在五个滑动峰值区域及北川断裂南西端存在明显的深部滑动区,与震后野外考察结果及余震分布相吻合,同时能够较好地解释GPS观测数据;④青川断裂存在明显的右旋走滑分量,其平均滑动量为1.99m,北川断裂主要发生逆冲滑动,平均滑动量为3.35m,灌县断裂的平均滑动量为0.65m;⑤反演得到的地震矩为8.74×1020Nm(Mw7.90),与地震学结果吻合。

关键词：汶川地震 GPS 分层地壳结构模型 SBIF反演方法同震滑动分布

低太阳活动期间极区ELDI的EISCAT/ESR雷达观测

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地球物理学报 2014年第11期57卷 3532-3540页

作者：沈格蔡红涛李飞周康俊占卫家黄定娟武汉大学电子信息学院武汉430072 武汉大学空间环境与大地测量教育部重点实验室武汉430072

本文利用2009—2011年EISCAT/ESR雷达的场向观测数据,统计研究了低太阳活动期间极区E层占优电离层(ELDI)事件的发生规律及其主要特征.地面雷达观测表明,极区ELDI表现出明显的季节变化特征:在冬季和早春发生率较高.EISCAT雷达(极光椭圆纬... 详细信息

本文利用2009—2011年EISCAT/ESR雷达的场向观测数据,统计研究了低太阳活动期间极区E层占优电离层(ELDI)事件的发生规律及其主要特征.地面雷达观测表明,极区ELDI表现出明显的季节变化特征:在冬季和早春发生率较高.EISCAT雷达(极光椭圆纬度)观测到的ELDI多出现在磁午夜扇区,平均持续30min;ESR雷达(极尖/极隙区纬度)观测到的ELDI多出现在磁正午附近,平均持续14min,表现出与之前无线电掩星观测结果不一致的日变化特征.在ELDI事件期间,两处雷达观测到的电离层NmE/NmF2比值和E层厚度都没有表现出显著的空间差异.事例分析证实E层电子增强和F层电子密度耗空都能够独立地导致ELDI,然而,统计分析表明上述两个过程对ELDI的形成都起着不可或缺的作用.

关键词：极区 E层占优电离层粒子沉降等离子体对流

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曲线坐标系下的块体运动与应变模型研究

地球物理学报 2009年第11期52卷 2721-2728页

作者：汪建军许才军武汉大学测绘学院地球空间环境与大地测量教育部重点实验室

本文建立了顾及地球扁率和局部切标架随点变化特性的椭球坐标系下的刚体运动模型和块体运动与应变模型,以及球坐标系下顾及局部切标架随点变化特性的严密的块体运动与应变模型,分析了球坐标系下块体运动与应变模型及椭球坐标系下的块体... 详细信息

本文建立了顾及地球扁率和局部切标架随点变化特性的椭球坐标系下的刚体运动模型和块体运动与应变模型,以及球坐标系下顾及局部切标架随点变化特性的严密的块体运动与应变模型,分析了球坐标系下块体运动与应变模型及椭球坐标系下的块体运动与应变模型间的差异;通过计算具体讨论了地球扁率和曲线坐标系的局部切标架随点变化特性对欧拉矢量与应变张量的影响.结果表明:地球扁率对刚体欧拉矢量和应变参数的影响甚小,具体计算时可以不予考虑,但曲线坐标系的局部切标架随点变化特性对两者的影响较大,在建模过程中需要顾及,常用的Savage模型需要修正.

关键词：曲线坐标系块体运动与应变模型地球扁率局部切标架应变张量

基于偶极子模型的潜航器异常重力场及探测平台需求分析

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地球物理学报 2021年第7期64卷 2426-2435页

作者：汪海洪罗佳褚永海武汉大学测绘学院武汉430079 武汉大学地球空间环境与大地测量教育部重点实验室武汉430079

重力探潜是一种具有发展潜力的非声学探潜技术,目前仍处于理论探索阶段.本文推导了垂直偶极子模型的引力和引力梯度垂向分量的解析公式,分析了它们的空间分布特征.基于偶极子模型给出了一种潜航器异常重力场的仿真方法,并通过实例验证... 详细信息

重力探潜是一种具有发展潜力的非声学探潜技术,目前仍处于理论探索阶段.本文推导了垂直偶极子模型的引力和引力梯度垂向分量的解析公式,分析了它们的空间分布特征.基于偶极子模型给出了一种潜航器异常重力场的仿真方法,并通过实例验证了方法的有效性,分析了潜航器重力异常和重力垂直梯度的空间变化,及其对重力探潜传感器精度和平台稳定性的需求.根据实例分析结果可以得到以下结论:(1)利用重力异常信号探测潜航器不具备可行性,但是基于重力梯度的重力探潜方法具有实用化价值,值得进一步研究;(2)本文建立的偶极子模型能够有效用于估计潜航器异常重力场的量级、探测平台的精度需求和可探测范围,为重力探潜研究提供了一个重要的理论分析工具.

关键词：潜航器重力探测垂直偶极子重力梯度精度需求分析

基于Swarm卫星GPS/TEC观测的顶部电离层三维电子密度分布的层析法研究

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地球物理学报 2020年第9期63卷 3219-3230页

作者：周康俊蔡红涛宋方雷谷骏潘建宏武汉大学电子信息学院武汉430072 武汉大学空间环境与大地测量教育部重点实验室武汉430072

利用两颗伴飞的Swarm A/C卫星搭载的双频GPS接收机获取的TEC数据,在两个卫星轨道平面同时对顶部电离层电子密度进行层析成像,实现对顶部电离层电子密度的三维观测.为了能够重现扰动期间电离层电子密度的空间变化特征,在正则化求解过程中... 详细信息

利用两颗伴飞的Swarm A/C卫星搭载的双频GPS接收机获取的TEC数据,在两个卫星轨道平面同时对顶部电离层电子密度进行层析成像,实现对顶部电离层电子密度的三维观测.为了能够重现扰动期间电离层电子密度的空间变化特征,在正则化求解过程中,我们引入了水平矩阵H和垂直矩阵V刻画电子密度的空间变化特征,引入整体约束矩阵C以调节不同空间对电子密度相对变化的权重.数值验证结果表明我们的算法对常见的观测误差具有较强的包容性,反演计算出的电子密度平均偏差优于10%.在不同地磁活动条件下,与第三方观测数据的对比,验证了本文反演算法的可靠性.实测数据反演结果表明我们的算法不仅能够较好地重现顶部电离层子午向百公里级别的不规则结构,还能有效分辨纬向相隔~150 km的两个卫星轨道平面的电子密度差异.

关键词：电离层层析 Swarm卫星顶部电离层电离层电子密度

GRACE/GOCE扩展重力场模型确定我国1985高程基准重力位的精度分析

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地球物理学报 2019年第6期62卷 2016-2026页

作者：赫林褚永海徐新禹张腾旭武汉大学测绘学院武汉430079 武汉大学地球空间环境与大地测量教育部重点实验室武汉430079

高精度高程基准重力位的确定往往依赖于高精度全球重力场模型,其对全球和区域高程基准的高精度统一非常关键,GRACE、GOCE卫星重力计划极大地提高了全球重力场模型中长波的精度.本文首先对GRACE/GOCE卫星重力场模型的内符合和外符合精度... 详细信息

高精度高程基准重力位的确定往往依赖于高精度全球重力场模型,其对全球和区域高程基准的高精度统一非常关键,GRACE、GOCE卫星重力计划极大地提高了全球重力场模型中长波的精度.本文首先对GRACE/GOCE卫星重力场模型的内符合和外符合精度进行讨论分析,结果说明卫星重力模型的截断误差影响可达到分米级水平,在确定高程基准重力位时该影响不可忽略.利用EGM2008模型扩展GRACE/GOCE卫星重力场模型至2190阶,可有效减弱卫星重力模型的截断误差影响,但不同模型扩展时的最优拼接阶次不同,其中DIR-1、DIR-5模型对应的最优拼接阶次分别为180阶和220阶,以GPS水准数据检验,扩展模型在中国区域的精度均优于18cm.最后,基于最优拼接阶次获得的扩展重力场模型对我国1985高程基准重力位进行了估计,DIR-5和TIM-5模型对应数值分别为62636853.47m^2·s^-2和62636853.49m^2·s^-2,精度均为1.51m^2·s^-2;发现在中国区域模型大地水准面与GPS/水准数据的差值存在微弱的系统性倾斜,东西向倾斜约为9cm,南北向倾斜约为1.4cm,考虑倾斜改正后基于DIR-5和TIM-5模型估计我国1985高程基准重力位的精度提高了0.16m^2·s^-2.

关键词： GRACE/GOCE重力场模型 GPS/水准截断阶次倾斜高程基准重力位