超高阶地球重力场模型构建理论与方法研究

This topic is aimed at performing the significant function of high-precision and super high-order Earth gravity field model, which can show detailed information of the field, in satellite precise orbit determination, improving the strategic weapon accuracy and some other urgent demands in present national defense and aerospace fields. Thus, the construction theory and method of high-order Earth gravity field model is being studied. The main content includes: improvement of traditional method of numerical integral, in which the effective technique called tire harmonic analysis is researched and used to make ellipsoid harmonic analysis of gravity field, also method of promoting precision in model construction is studied; research of LS theory used in the construction, in which block-diagonal and parallel algorithm are adopted to get the solution of large equation system; research of best joint between ground gravity anomaly data and satellite gravity field model as well as the determination of numerical weight during the process and the processing of ground gridded gravity anomaly data, all of which can make theoretical foundation to construct a high-precision and super high-order Earth gravity field model that fits our national practical issues. In a word, this topic has great significance in research of fundamental science and development of space technical application.

本课题针对能够反映精细重力场信息的高精度超高阶地球重力场模型在卫星精密定轨、提高战略武器命中精度、全球资源的勘探及灾害的预测等方面的重要作用，以及目前国防及航天等领域的迫切需求，对超高阶地球重力场模型构建理论及方法进行研究：改进传统数值积分方法，研究使用高效的轮胎调和分析方法对重力场进行椭球谐分析的技术，并研究改进其构建模型精度的方法；研究构建重力场模型的最小二乘方法，通过采用块对角和并行等算法解决求解过程中大型方程组的难题；研究地面重力异常数据与卫星重力场模型的最佳联合方法及联合过程中数据权大小的确定以及全球地面格网重力异常数据的处理方法，为构建一套符合我国实际情况的高精度超高阶地球重力场模型奠定理论基础。该课题对于我国的基础科学研究和空间技术发展的应用具有重大意义。

本课题以超高阶地球重力场模型为研究对象，针对超高阶模型构建理论与方法展开研究。完成的工作有：(1)、梳理了超高阶地球重力场模型的基本构建理论，围绕解决超高阶次计算稳定性、精度与效率难题，实现了基于轮胎调和的重力场模型超高阶次的数值积分高精度确定方法，并突破了大型方程组和矩阵的计算难题，实现了超高阶重力场模型的最小二乘计算，改进后的方法相比传统块对角方法效率提高300倍，利用此方法可以在普通PC机上快速、高精度的解算2160阶次超高阶重力场模型，算法精度相比数值积分方法提高了5个数量级；（2）、针对全球高分辨率格网重力异常数据的处理进行了逐项研究分析，包括大气改正、正常重力二阶梯度项改正、地面重力异常向下延拓至椭球面改正、椭球改正以及格网重力异常的地理经纬度格网与归化经纬度格网差异的归算；（3）针对卫星重力场模型及其与地面数据的有效联合方法，给出了基于谱权组合方法的中低阶位系数确定方法。.三年来，围绕课题的开展，取得的成果：已录用或发表与课题研究内容直接相关的学术论文13篇，其中4篇被EI检索，6篇在中文核心期刊上发表，3篇在国际会议和国内会议报告。