海空重力测量数据处理关键技术研究

欧阳永忠

海军海洋测绘研究所,天津 300061

海空重力测量数据处理关键技术研究

欧阳永忠

海军海洋测绘研究所,天津 300061

海空重力测量是以舰船或飞机为载体,应用重力仪(或加速度计)测定海面或近地空中重力加速度的重力测量方法,是目前获取地球重力场中高频信息的两种主要技术手段。本文主要围绕海空重力测量运动载体精密定位、动态环境效应改正、数据滤波、误差分析处理与精度评估、航空重力数据向下延拓及多源数据融合处理等关键技术,开展分析论证、技术攻关和试验验证。论文的主要工作及创新如下:

(1)研究了海空重力测量观测模型,完善了航空重力测量动态效应改正模型。基于牛顿第二定律,分别导出了海空矢量和标量重力测量的观测方程;针对L&R型重力仪,逐一建立了海空重力测量动态环境效应改正的精密计算模型;发现并纠正了当前国内外机构和学者使用航空重力测量厄特弗斯改正公式存在的错漏问题,分析比较了各类公式在数值上的差异,结果表明,误用公式可导致1～2 m Gal(1 Gal＝1 cm/s2)的计算误差;从理论上证明了当前国际上推荐使用的3种水平加速度改正模型的等价性,采用实际航空重力测量数据,对3种改正模型进行了数值验证和分析比较。结果表明,经滤波处理后,两类不同形式改正模型计算结果的系统性差异最大可达1～2 mGal甚至更大,不容忽视。

(2)研究了海空重力测量运动载体精密定位技术,全面验证了GPS精密单点定位(PPP)技术应用于海空重力测量的可行性和有效性。研究探讨了GPS PPP定位模型的选择问题,提出采用递归最小二乘估计方法进行定位待估参数解算,同时提出了基于抗差最小二乘估计的PPP定位测速与载体加速度的确定方法,并利用多型多套海空重力仪同机测试数据进行了数值计算和分析比较。结果表明,由PPP定位得到的交叉点重力观测值符合度与差分模式解算结果基本一致,两者互差不超过0．3 mGal。

(3)研究了海空重力测量数据滤波技术。研究分析了海空重力测量数据空间分辨率与低通滤波截止频率、测量速度和精度的匹配关系,通过频谱分析确定了海空重力测量有效信息的频谱窗口,为解决滤波器设计中的参数匹配问题提供了重要的理论依据。研究分析了用于计算载体垂直加速度的低通差分器设计原理及其运算模型,通过数值计算分析,实际验证了各类差分器的计算效果。

(4)研究了海空重力测量误差分析处理与精度评估技术。发现并纠正了现行海空重力测量重复测线精度评估公式的错误,推导了重复测线内符合精度评估新公式;提出了基于误差验后补偿理论的系统误差两步处理法,把海空重力测量误差补偿分解为交叉点条件平差和测线滤波与推估两个阶段,简化了测线网平差计算过程,有效

提高了平差计算的稳定性和可靠性;建立了L&R型海空重力仪CC效应改正系数修正模型,并与误差处理两步法相结合,构建了L&R型海空重力仪测量误差综合补偿模型,形成了完善的海空重力测量误差处理技术方法体系。(5)研究了航空重力测量数据向下延拓技术。提出采用截断奇异值(TSVD)正则化方法,并依据广义交叉检核

(GCV)准则选择正则化参数,解算传统逆Poisson积分向下延拓模型。提出了一种独立于观测数据、基于外部数据源的向下延拓新思路。针对海域重力场变化相对平缓的特点,提出了利用卫星测高重力向上延拓和超高阶位模型直接计算海域延拓改正数的两种方案;针对高阶位模型在地形变化复杂的陆部难有较好逼近度的问题,提出了联合使用位模型和地形信息计算延拓改正数新方法,即在位模型延拓改正数基础上加入地面和飞行高度面上的局部地形改正差分修正量,以此作为陆部航空重力测量向下延拓的总改正数,从而实现航空重力测量数据向地面的全频延拓。新思路的显著特点是,其解算过程巧妙避开了传统求解逆Poisson积分方法固有的不适定性问题,有效简化了向下延拓的计算过程和解算难度,提高了延拓计算精度。(6)研究并改进、拓展了地球重力场多源观测数据融合技术。在对融合多源重力数据的传统配置法计算模型进行不适定性分析的基础上,基于Tikhonov正则化方法,构建了融合多源重力数据的正则化配置模型;联合使用Tikhonov正则化方法和移去-恢复技术,构建了融合多源重力数据的正则化点质量模型;研究分析了数据融合统计法和解析法的内在关联与差异,特别针对同类多源重力数据融合问题,提出了融合多源重力数据的纯解析方法。(7)集成设计并开发了功能较完善的海空重力测量作业与数据处理软件系统,实现了海空重力测量从测前设计、导航定位、信息采集、数据分析处理、成果图件制作与输出全过程的数字化作业。

On Key Technologies of Data Processing for Air-sea Gravity Surveys

OUYANG Yongzhong
Naval Institute of Hydrographic Surveying and Charting,Tianjin 300061,China

YANG Yongzhong(1969—),male,he

his doctorate from School of Geodesy and Geomatics, Wuhan University in December 2013,majors in marine geodetic survey．

P223

D

1001-1595(2014)04-0435-01

2013-02-19

欧阳永忠(1969—),男,2013年12月于武汉大学测绘学院获大地测量学与测量工程专业博士学位(指导老师:宁津生教授、黄谟涛教授),研究方向为海洋大地测量。

OUYANG Yongzhong．On Key Technologies of Data Processing for Air-sea Gravity Surveys[J]．Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2014,43(4):435．(欧阳永忠．海空重力测量数据处理关键技术研究[J]．测绘学报,2014,43(4):435．)

10．13485/j．cnki．11-2089．2014．0064

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