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基于能量法恢复地球重力场中大质量异常体影响的初步分析

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1 引 言

1.1 选题背景

1.2 地球重力场恢复发展历程

1.2.1 重力卫星

1.2.2 重力场恢复方法

1.3 研究动机

1.4 本文主要研究内容

2 卫星重力测量基本理论

2.1 坐标系统的转换

2.1.1 地心惯性系

2.1.2 地固系

2.1.3 卫星固联坐标系(SBF)

2.1.4 卫星轨道坐标系

2.1.5 密切轨道坐标系

2.2 卫星摄动模型

2.2.1 地球非球形摄动力

2.2.2 多体摄动

2.2.3 固体潮

2.2.4 固体极潮

2.2.5 海潮

2.2.6 海洋极潮

2.2.7 海洋和大气的非潮汐变化

2.2.8 非保守力摄动

2.3 本章小结

3 大质量异常体对基于能量法恢复的重力场影响的分析

3.1 数值积分方法

3.1.1 Runge-Kutta方法

3.1.2 线性多步法

3.1.3 数值积分法的选择

3.2 能量法的基本原理

3.2.1 惯性参考系中的能量积分法

3.2.2 地固系中的能量积分法

3.2.3 引力场的线性化模型

3.3 地球重力场模型的确定

3.4 局部大质量对重力场的确定的影响

3.4.1 基于单星法的模拟结果

3.4.2 基于双星法的模拟结果

3.4.3 所加质量的大小对重力场恢复的影响

3.5 本章小结

4 总结与展望

致谢

参考文献

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摘要

利用卫星测量数据恢复地球重力场是一种有效的方法,而在卫星测量数据中会不可避免地引入误差。当前,利用含有误差的卫星数据恢复重力场时很多是基于最小二乘法的原理,使得恢复得到的值在全球平均分布,而误差平方和最小。在恢复存在大质量异常体的重力场时,较大的重力信号是否会引入较大的误差是一个有意义的科学问题。本文基于上述动机,做了如下的工作。
  第一部分介绍了重力场的应用以及恢复方法,并指出利用能量守恒法恢复地球重力场是一种有效的方法。第二部分引入了空间探测中常使用的坐标系统,并给出了它们之间的转化关系。同时还介绍了卫星在复杂空间环境下所受到的各种来源的作用力,并给出了部分作用力的表达式。第三部分研究了能够高精度的给出卫星在一系列离散点位置与速度的数值积分法,包括能够自起步积分的单步法与形式简单的多步法。引入了利用卫星观测数据恢复重力场常用的能量守恒法,并给出了在转动坐标系与惯性系中两种形式。推导了能够快速求解大型超定方程的预处理共轭梯度法,并给出了能够进一步提高收敛速度的方法。研究了利用卫星模拟数据恢复地球重力场模型在存在局部较大质量处的误差问题。我们所采用的模型是一个半径与地球平均半径相同的均匀密度的圆球,并在圆球表面放置一块质量。模拟结果表明,在将模型展开为60阶后,恢复得到的重力场模型在全球范围内大部分地区误差在1毫伽左右,仅在圆球表面所加的质量的边缘误差为4个毫伽。将所加的质量减少之后,恢复得到的重力场模型的误差也会降低,相对误差近似不变。

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