我国自主高精度2′×2′空间分辨率全球重力场模型构建的研究

The theory, methodology and algorithms of the determination of the high-accuracy and ultra-high-resolution global gravity models will be studied in this project. The related key technologies, such as the preprocessing and refinement of the observations, the optimal combination technique of the different observations, the fill-in technique for the areas with the data gaps, the fast and steady computation of the ultra-high degree Legendre functions, the optimal combination of the satellite gravity normal equation and the land gravity data normal equation, the parallel algorithms of determining the ultra-high geopotential model with the MPI+OpenMP etc., will be broken through. The new idea for avoiding the downward continuation of the land gravity in the data processing procedure will be proposed. The software with independent copyright and integration technology for the determination of ultra-high degree gravity field model will be developed. At last, we will process the land gravity data, satellite gravimetry data, satellite altimetry data, airborne gravity data, shipborne gravity data, crust density model, topographic model etc. independently. And the high-accuracy global models with the spatial resolution 5′×5′ and 2′×2′ are estimated independently based on these data. The validation of the models will be done based on GPS/leveling data and the deflection of the vertical data. The accuracy of the model with the spatial resolution 5′×5′ is close to the international popular ultra-high degree model. The estimated models could be used for the modernization of the Chinese or global height datum by providing the high-accuracy long-wavelength, medium-wavelength, short-wavelength and ultra-short-wavelength gravity signals. The results can also be used for the fields related to the earth science. The study of the project has the important scientific and practical significance.

本项目研究高精度超高分辨率全球重力场模型构建的理论与方法，突破观测数据的预处理和精化、多源数据融合、重力数据稀疏空白区的加密填充、超高阶次勒让德函数快速稳定计算、卫星和地面法方程最优联合、基于MPI+OpenMP的超高阶模型解算的并行算法等一系列关键技术，提出避免陆地表面重力数据向下延拓的新思路，研制具有自主版权和集成技术的超高阶重力场模型构建的软件平台，最终独立处理陆地重力、卫星重力、卫星测高、航空重力、船测重力、地壳密度模型、地形模型等数据，确定我国自主的高精度5′×5′和2′×2′空间分辨率全球重力场模型，并用GPS/水准、垂线偏差等独立观测数据对其进行精度检验。模型在5′×5′空间分辨率上，精度与国际先进模型的精度水平相当。研究成果可为实现全球和我国高程基准现代化提供高精度的长波、中波、短波及甚短波重力信息，也可用于地球学科相关领域的研究，有着重要的科学和现实意义。

研究地球重力场精细结构和构建高精度超高分辨率全球重力场模型不仅是大地测量学科的主要科学任务之一，也是加快全球或区域海拔高程测定现代化进程的迫切需要，还是地球物理学、海洋学等相关地球学科研究的需要。本项目深入研究了高精度超高分辨率全球重力场模型构建的理论与方法，基于椭球谐展开理论推导了利用椭球面重力异常格网点值求解引力位系数的严密积分公式，突破了观测数据预处理和精化、航空重力数据向下延拓、超高阶次勒让德函数快速稳定计算、卫星和地面法方程最优联合、基于MPI+OpenMP的超高阶模型解算的并行算法等一系列关键技术，研制了具有自主版权和集成技术的超高阶重力场模型构建的软件平台。. 基于不同观测周期的GOCE实测SGG和SST-hl观测数据，在国内首次分别确定了220和300阶次纯GOCE卫星重力场模型GOSG01S和GOSG02S，模型精度与ESA发布模型时域解和直接解模型精度相当。联合GOCE卫星观测数据、ITSG-Grace2018模型的法方程、多代测高卫星数据和EGM2008重力异常解算了2个5′×5′空间分辨率的超高阶模型SGG-UGM-1和SGG-UGM-2，与国际同期权威模型EIGEN-6C4精度相当，是我国公开发布精度最高的超高阶模型。利用搜集到的美国、加拿大、澳大利亚、北冰洋、南极等陆地重力数据，联合卫星重力、卫星测高、地形位模型等数据，确定了我国独立自主的高精度5′×5′分辨率全球重力场模型SGG-UGM-3和SGG-UGM-3e，以及2′×2′分辨率的SGG-UGM-3-ch模型，不包含中国重力数据的模型SGG-UGM-3和SGG-UGM-3e整体精度与XGM2019系列模型相当，优于EIGEN-6C4、SGG-UGM-2模型，加入中国重力数据的模型SGG-UGM-3-ch在中国区域精度最高。项目构建的模型GOSG01S、SGG-UGM-1和SGG-UGM-2被国际权威网站ICEGM收录。. 总体来说，本项目在卫星重力场模型建模、全球超高阶模型构建等方面的研究成果及数据处理技术达到国际先进水平。研究成果为我国GF-7卫星全球测图几何高程向物理高程的转换提供了基础高程基准数据，服务于国家高程基准现代工程，还可用于地球内部结构研究等地球科学相关领域。