擾動重力梯度張量單分量和組合分量最小二乘配置法模型的建立

劉曉剛，吳曉平，王 凱

1 信息工程大學(xué)測繪學(xué)院，鄭州 450052

2 西安測繪研究所，西安 710054

擾動重力梯度張量單分量和組合分量最小二乘配置法模型的建立

劉曉剛1，2，吳曉平1，王 凱1

1 信息工程大學(xué)測繪學(xué)院，鄭州 450052

2 西安測繪研究所，西安 710054

建立了利用擾動重力梯度張量Tzz分量和Txx＋Tyy、Tzz－Txx－Tyy組合分量確定地球重力場的調(diào)和分析法模型，進(jìn)一步推導(dǎo)了擾動重力梯度張量對角線三分量的自協(xié)方差和互協(xié)方差函數(shù)的級數(shù)展開式，推導(dǎo)了單分量、組合分量與重力位系數(shù)之間協(xié)方差函數(shù)的實(shí)用計(jì)算公式，給出了利用單分量和組合分量解算地球重力場模型的最小二乘配置法基本原理公式.結(jié)果表明，最小二乘配置法具有一定的抗差能力，隨著觀測數(shù)據(jù)誤差的不斷增大，其恢復(fù)的重力場模型有效階次不斷降低，精度也不斷下降；Tzz－Txx－Tyy組合分量解算重力場模型的精度最高，其次為Tzz分量，Txx＋Tyy組合分量最差.

地球重力場模型，調(diào)和分析法，最小二乘配置法，衛(wèi)星重力梯度，GOCE

1 引 言

最小二乘配置法（LSC：Least Squares Collocation）是近代地球重力場逼近中非常重要的一項(xiàng)研究成果.特別是隨著GOCE衛(wèi)星測量計(jì)劃的提出和實(shí)施，該方法作為確定全球或局部區(qū)域地球重力場模型的方法之一也備受關(guān)注，其理論也得到了進(jìn)一步的發(fā)展和完善.

Schwarz和Krynski［1］研究了聯(lián)合衛(wèi)星重力梯度（SGG：Satellite Gravity Gradient）數(shù)據(jù)和陸地重力測量數(shù)據(jù)精化局部大地水準(zhǔn)面的LSC方法；Tscherning［2］研究了最小二乘法和配置法在從空間測量數(shù)據(jù)中提取重力場信息以及將其與地面重力測量數(shù)據(jù)進(jìn)行融合中的應(yīng)用，并指出兩種方法在觀測量和參數(shù)個數(shù)相等時是等價(jià)的；羅志才［3］提出的頻域LSC法可以有效提高計(jì)算速度；Li和Sideris［4］聯(lián)合采用衛(wèi)星測高獲取大地水準(zhǔn)面高數(shù)據(jù)和船測重力異常數(shù)據(jù)，對LSC法、頻域最小二乘法以及多輸入／單輸出系統(tǒng)理論恢復(fù)局部地球重力場的精度進(jìn)行了比較；張傳定［5］完善了LSC理論，提出了最小二乘復(fù)配置理論，得到了各類單定邊值問題的解析解、調(diào)和分析解、最小二乘解和最小二乘復(fù)配置解，建立了超定邊值問題的最小方差解、最小二乘解和最小二乘復(fù)配置解；Tscherning［6］研究了利用LSC法估計(jì)全球重力場位系數(shù)及其誤差估計(jì)的方法；Tscherning等［7］對僅采用擾動引力數(shù)據(jù)時由FFT（Fast Fourier Transform）方法確定的局部大地水準(zhǔn)面，與聯(lián)合擾動引力和GPS／水準(zhǔn)數(shù)據(jù)由LSC方法確定的局部大地水準(zhǔn)面精度進(jìn)行了比較；Sansò和Tscherning［8］提出了快速球諧配置法，采用LSC法聯(lián)合Tzz數(shù)據(jù)和地面重力異常數(shù)據(jù)進(jìn)行了模擬試算；李迎春［9］利用引力位的協(xié)方差函數(shù)導(dǎo)出了位系數(shù)與引力位二階導(dǎo)數(shù)的協(xié)方差函數(shù)模型，并推導(dǎo)出LSC法的實(shí)用解算公式；張嗥、陳瓊［10］通過空間擾動位協(xié)方差函數(shù)特性，得出SGG數(shù)據(jù)與擾動位系數(shù)的相關(guān)協(xié)方差函數(shù)，利用LSC法，推導(dǎo)出由SGG數(shù)據(jù)直接解算引力位系數(shù)的函數(shù)表達(dá)式；汪海洪等［11］對不同分辨率的數(shù)據(jù)融合問題進(jìn)行了初步研究，詳細(xì)闡述了多分辯率LSC法的基本原理，推導(dǎo)了該方法的具體公式；Kotsakis［12］研究了在盡量不改變精度的前提下，通過消除LSC法內(nèi)在的平滑效應(yīng)來增強(qiáng)其恢復(fù)地球重力場能力的方法；章傳銀等［13］在分析局部重力場LSC法技術(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出一種能綜合多種類型、不同高度重力場元經(jīng)驗(yàn)協(xié)方差函數(shù)的通用表達(dá)方法；吳星等［14］推導(dǎo)了擾動引力梯度數(shù)據(jù)與球諧系數(shù)之間的協(xié)方差陣和自協(xié)方差陣，并有效利用FFT技術(shù)將其降階，得到了引力梯度徑向分量LSC法的完整計(jì)算公式.

本文首先建立了利用擾動重力梯度張量Tzz分量和Txx＋Tyy、Tzz－Txx－Tyy組合分量解算地球重力場的調(diào)和分析法模型，進(jìn)一步推導(dǎo)了擾動重力梯度張量對角線三分量之間的自協(xié)方差和互協(xié)方差函數(shù)的級數(shù)展開式，推導(dǎo)了單分量、組合分量與重力位系數(shù)之間協(xié)方差函數(shù)的計(jì)算公式，給出了利用單分量和組合分量解算地球重力場模型的LSC法基本原理公式，最后對本文建立的LSC法模型進(jìn)行了數(shù)值實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.

2 單分量和組合分量的調(diào)和分析法模型

擾動重力梯度張量對角線三分量的地心球坐標(biāo)表達(dá)式為［15］其中，fM為引力常數(shù)；r為衛(wèi)星軌道上任意一點(diǎn)的地心向徑；θ和λ分別為它的地心余緯和地心經(jīng)度；R為地球平均半徑為完全正?；厍驍_動引力位系數(shù)；n和m分別為球諧系數(shù)的階和次；nm（cosθ）為完全正?；喓侠兆尩潞瘮?shù).

將（2）式和（3）式相加，可以得到Txx＋Tyy組合分量的表達(dá)式：

利用（1）式減去（4）式，可以得到Tzz－Txx－Tyy組合分量的表達(dá)式：

同理，可得利用Txx＋Tyy、Tzz－Txx－Tyy組合分量解算位系數(shù)和的調(diào)和分析法公式分別為

上述Tzz分量以及Txx＋Tyy、Tzz－Txx－Tyy組合分量的調(diào)和分析法模型采用的都是格網(wǎng)中點(diǎn)值，如果采用格網(wǎng)平均值，則需要加入平滑因子，關(guān)于平滑因子的計(jì)算，請參閱文獻(xiàn)［17］.

3 單分量和組合分量的最小二乘配置法模型

在研究地球重力場的有關(guān)問題時，擾動位的協(xié)方差是最基本的，其它重力場元（重力異常、高程異常、垂線偏差和重力梯度張量等）之間的協(xié)方差都可以由它求得.空間擾動位協(xié)方差函數(shù)的級數(shù)展開式為［5，18］

其中

式中Kn在一定階次N以內(nèi)的值，通常是利用參考重力場模型系數(shù)來計(jì)算，高于N以上階次的值一般利用重力異常的階方差模型求得，其關(guān)系為

如果采用Moritz提出的兩分量模型，其形式為［19］

其中，α1，α2，S1，S2為實(shí)常數(shù)；A，B為整常數(shù).取

α1，α2的單位是（mGal）2，其它量是無量綱的數(shù).（Δg）不能由（12）式計(jì)算，一般采用（Δg）＝7.5（mGal）2.

根據(jù)擾動重力梯度張量對角線三分量與擾動位T之間的關(guān)系式（1）—（3），并考慮到擾動位協(xié)方差函數(shù)的級數(shù)展開式（9），可以推導(dǎo)出擾動重力梯度張量對角線三分量的自協(xié)方差和互協(xié)方差函數(shù)級數(shù)展開式為

由擾動重力梯度張量Tzz分量解算位系數(shù)的調(diào)和分析法公式（6），考慮到Tzz分量的協(xié)方差函數(shù)級數(shù)展開式（14），調(diào)換求和與積分次序，并根據(jù)球諧函數(shù)的正交性，可以得到Tzz分量與位系數(shù)的協(xié)方差公式為

根據(jù)Txx＋Tyy組合分量解算位系數(shù)的調(diào)和分析法模型（7）式，考慮到Txx和Tyy分量的自協(xié)方差以及互協(xié)方差函數(shù)級數(shù)展開式（15）、（16）、（19），調(diào)換求和與積分次序，并根據(jù)球諧函數(shù)的正交性，可以得到Txx＋Tyy組合分量與位系數(shù)的協(xié)方差公式為

根據(jù)Tzz－Txx－Tyy組合分量解算位系數(shù)的調(diào)和分析法模型（8）式，考慮到Txx、Tyy和Tzz分量的自協(xié)方差以及互協(xié)方差函數(shù)級數(shù)展開式（14）—（19），調(diào)換求和與積分次序，并根據(jù)球諧函數(shù)的正交性，可以得到Tzz－Txx－Tyy組合分量與位系數(shù)的協(xié)方差公式為

下面給出利用擾動重力梯度張量Tzz分量以及Txx＋Tyy、Tzz－Txx－Tyy組合分量解算地球重力場模型的LSC法的基本原理公式［3，5，9，14］：

式中，J表示位系數(shù)的列向量.其它幾個量表述如下：

（1）單分量Tzz

對于單分量Tzz，則（23）式中表示位系數(shù)與Tzz分量的協(xié)方差矩陣，由（20）式進(jìn)行計(jì)算；表示Tzz分量之間的協(xié)方差矩陣，由（14）式進(jìn)行計(jì)算；Tij表示全球規(guī)則平均擾動重力梯度張量Tzz分量形成的列向量.

（2）組合分量Txx＋Tyy

對于組合分量Txx＋Tyy，則（23）式中表示位系數(shù)與Txx＋Tyy組合分量的協(xié)方差矩陣，由（21）式進(jìn)行計(jì)算；表示Txx＋Tyy組合分量之間的協(xié)方差矩陣，由（15）、（16）、（19）式進(jìn)行計(jì)算；Tij表示全球規(guī)則平均擾動重力梯度張量Txx＋Tyy組合分量形成的列向量.

（3）組合分量Tzz－Txx－Tyy

對于組合分量Tzz－Txx－Tyy，則（23）式中表示位系數(shù)與Tzz－Txx－Tyy組合分量的協(xié)方差矩陣，由（22）式進(jìn)行計(jì)算，而表示Tzz－Txx－Tyy組合分量之間的協(xié)方差矩陣，由（14）—（19）式進(jìn)行計(jì)算；Tij表示全球規(guī)則平均擾動重力梯度張量Tzz－Txx－Tyy組合分量形成的列向量.

4 數(shù)值實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

在具體數(shù)值實(shí)驗(yàn)中，首先利用EGM2008重力場模型生成了GOCE衛(wèi)星軌道上的重力梯度數(shù)據(jù)［20］，通過延拓［21］和格網(wǎng)化方法［22］將重力梯度數(shù)據(jù)歸算為250km平均軌道高度處45′×45′的格網(wǎng)平均值，并對兩極數(shù)據(jù)空白區(qū)進(jìn)行填充，得到全球范圍內(nèi)的重力梯度格網(wǎng)平均值數(shù)據(jù)；向45′×45′的全球擾動重力梯度格網(wǎng)平均值數(shù)據(jù)中分別加入標(biāo)準(zhǔn)差為0、0.1、1×10－12s－2和10×10－12s－2的零均值白噪聲，通過LSC法，采用FFT技術(shù)解算地球重力場模型，來測試不同的數(shù)據(jù)噪聲對重力場模型解算結(jié)果的影響，其對應(yīng)的重力場模型階誤差RMS、累計(jì)大地水準(zhǔn)面和重力異常誤差如圖1所示，表1表示加入不同誤差的Tzz數(shù)據(jù)恢復(fù)120階重力場模型對應(yīng)的精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果.

其次，利用含有0.5×10－12s－2零均值白噪聲的45′×45′全球擾動重力梯度格網(wǎng)平均值數(shù)據(jù)，對本文推導(dǎo)出的單分量Tzz和組合分量Txx＋Tyy、Tzz－Txx－Tyy的LSC法模型的有效性進(jìn)行測試，其對應(yīng)的重力場模型階誤差RMS、累計(jì)大地水準(zhǔn)面和重力異常誤差如圖2所示，表2表示單分量Tzz和組合分量Txx＋Tyy、Tzz－Txx－Tyy數(shù)據(jù)恢復(fù)120階重力場模型對應(yīng)的精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果.

從圖1和表1可以看出，當(dāng)觀測數(shù)據(jù)含有不同的誤差時對解算結(jié)果的精度影響較大，隨著加入誤差的不斷增大，其恢復(fù)的重力場模型有效階次不斷降低，精度也不斷下降.在Tzz數(shù)據(jù)中分別加入0.1×10－12s－2、1×10－12s－2和10×10－12s－2的零均值白噪聲時，其恢復(fù)的重力場模型有效階數(shù)分別約為140、135和110階.含有10×10－12s－2誤差的數(shù)據(jù)對最小二乘配置法解算結(jié)果的精度影響較大，而含有0.1×10－12s－2和1×10－12s－2誤差的數(shù)據(jù)，其解算結(jié)果在2～240階次內(nèi)與不含誤差的數(shù)據(jù)結(jié)果比較一致，這說明最小二乘配置法在解算含有誤差的數(shù)據(jù)時具有一定的優(yōu)勢.其中，加入0.1×10－12s－2的誤差數(shù)據(jù)恢復(fù)的120階重力場模型，其對應(yīng)的累計(jì)大地水準(zhǔn)面誤差達(dá)到5.938cm、累計(jì)重力異常誤差達(dá)到1.095mGal的精度.

從圖2和表2可以看出，Tzz－Txx－Tyy組合分量解算結(jié)果的精度最高，其次為Tzz分量和Txx＋Tyy組合分量，這是因?yàn)閿_動重力梯度張量的對角線三分量中，Tzz分量數(shù)據(jù)的量級最大，精度也最高，Txx和Tyy分量次之，在模型解算時，Tzz－Txx－Tyy組合分量不僅顧及了對角線三分量Tzz、Txx、Tyy的整體影響，而且各分量之間求差也在一定程度上削弱了數(shù)據(jù)中所含噪聲對解算結(jié)果的影響；Tzz分量的解算結(jié)果優(yōu)于Txx＋Tyy組合分量的原因是，在對角線三分量中，Tzz分量對模型解算的貢獻(xiàn)最大，另外，Txx＋Tyy的組合在一定程度上放大了數(shù)據(jù)中所含噪聲對解算結(jié)果的影響.單分量Tzz和組合分量Txx＋Tyy、Tzz－Txx－Tyy恢復(fù)的120階重力場模型對應(yīng)的累計(jì)大地水準(zhǔn)面誤差分別達(dá)到5.994cm、6.111cm、5.944cm，累計(jì)重力異常誤差分別達(dá)到1.105mGal、1.127mGal、1.096mGal的精度.

表1 加入不同誤差的Tzz數(shù)據(jù)恢復(fù)120階重力場模型的精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 1 The precision statistical results of the EGM in 120degree recovered by Tzzdata with different errors

表2 擾動重力梯度張量單分量和組合分量數(shù)據(jù)恢復(fù)120階重力場模型的精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 2 The precision statistical results of the EGM in 120degree recovered by single component and combined components of disturbing gravity gradients

5 結(jié) 語

LSC法需要將重力梯度數(shù)據(jù)進(jìn)行歸算和格網(wǎng)化處理，得到平均軌道球面上的規(guī)則格網(wǎng)點(diǎn)或格網(wǎng)平均值數(shù)據(jù)，如果能預(yù)先確定格網(wǎng)的大小，則格網(wǎng)點(diǎn)的個數(shù)也就可以確定，從而法方程的維數(shù)也是一定的，并且由于該方法建立的法方程都是呈塊狀對角形式，因此方程的求逆等計(jì)算將非常簡便、快捷；另外，該方法也可以綜合各類觀測數(shù)據(jù)確定地球重力場模型，在數(shù)據(jù)處理時能顧及觀測量的誤差，并且能夠給出待估量的誤差協(xié)方差信息.它的缺點(diǎn)是在將觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行歸算和格網(wǎng)化處理時，不可避免地引入了一些歸算和格網(wǎng)化誤差，并且要求有可靠的先驗(yàn)協(xié)方差模型，在恢復(fù)高階次地球重力場模型時，需要解算超大型協(xié)方差矩陣的逆矩陣，由于大型矩陣求逆存在的病態(tài)性問題，從而影響了數(shù)值解的穩(wěn)定性.

本文推導(dǎo)得到了利用擾動重力梯度張量Tzz分量以及Txx＋Tyy、Tzz－Txx－Tyy組合分量解算地球重力場的最小二乘配置法模型，進(jìn)一步充實(shí)了利用重力梯度數(shù)據(jù)解算地球重力場模型的方法，從而使得最小二乘配置法模型的內(nèi)容更加豐富.

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Construction of the least squares collocation models for single component and composite components of disturbed gravity gradients

LIU Xiao－Gang1，2，WU Xiao－Ping1，WANG Kai1
1 Institute of Surveying and Mapping，Information and Engineering University，Zhengzhou450052，China
2 Xi′an Research Institute of Surveying and Mapping，Xi′an 710054，China

This work constructs the spherical harmonic analysis models for single component Tzzand composite components Txx＋Tyy，Tzz－Txx－Tyyof disturbed gravity gradients to compute earth′s gravitational field model（EGM）.Besides，the series expansion formulae of variance and covariance functions of the diagonal components of disturbed gravity gradients are deduced.Then，the practical computational formulae of covariance functions between single component，composite components and the gravity potential coefficients are deduced.Finally，this work presents the fundamental formula of the least squares collocation（LSC）to compute EGM using the single component and composite components.The results show that the LSC is robust to a certain extent and the effective degree and precision of EGM decay gradually with the increase of errors.The precision of the EGM computed by the composite components Tzz－Txx－Tyyis the best，while that of the composite components Txx＋Tyyis the least.

Earth′s gravitational field model（EGM），Spherical harmonic analysis method，Least squares collocation（LSC），Satellite gravity gradient（SGG），GOCE

10.6038／j.issn.0001－5733.2012.05.015

P223

2011－09－25，2012－05－10收修定稿

國家自然科學(xué)基金（41174026，41104047，41174017），中國科學(xué)院研究生院地球科學(xué)學(xué)院博士后基金（2010046），信息工程大學(xué)博士學(xué)位論文創(chuàng)優(yōu)基金資助.

劉曉剛，男，1983年生，博士，助理研究員，主要從事衛(wèi)星重力測量研究.E－mail：liuxiaogang＿1949＠163.com

劉曉剛，吳曉平，王凱.擾動重力梯度張量單分量和組合分量最小二乘配置法模型的建立.地球物理學(xué)報(bào)，2012，55（5）：1572－1580，

10.6038／j.issn.0001－5733.2012.05.015.

Liu X G，Wu X P，Wang K.Construction of the least squares collocation models for single component and composite components of disturbed gravity gradients.Chinese J.Geophys.（in Chinese），2012，55（5）：1572－1580，doi：10.6038／j.issn.0001－5733.2012.05.015.

（本文編輯 汪海英）