利用航空重力测量数据确定高精度区域大地水准面的理论方法研究

Geoid is the reference surface of the orthometric height system in geodesy. Modern GPS technology is capable of measuring geodetic height with centimeter accuracy, if the high-resolution geoid model with corresponding accuracy is determined, the onerous leveling fieldwork could be replaced by combining GPS height measurement and geoid model. The determination of geoid depends on the available gravity measurements, airborne gravimetry has unique advantage compared with satellite and ground gravimetry, which has already been or is going to be the major means to obtain extensive gravity observations. This research mainly focus on the theory, model, algorithm and key technologies for determining regional precise geoid using airborne gravity data, including airborne gravity data preprocessing method, downward continuation method, topographical effect reduction for band-limited airborne gravity data, optimization of airborne gravity computation model and combination of different gravity measurement types. Finally a software system is to be developed and the precision of regional geoid determined from actual airborne gravity data reaches 3 cm. This research can provide theoretical and technical basis for the development and application of China`s airborne gravimetry and the modernization of national height datum.

大地水准面是大地测量定义高程系统的参考面，现代GPS技术能够以厘米级精度测定大地高，若能确定相应精度的的高分辨率大地水准面，GPS测量结合大地水准面数值模型就能取代繁重的传统水准测量。大地水准面的确定依赖于重力观测数据，相对于卫星重力和地面重力测量，航空重力测量具有独特优势，已经或将要成为获取大规模重力观测数据的主要手段。本项目主要研究利用航空重力测量数据确定高精度区域大地水准面的理论模型、实用算法和关键技术，重点研究航空重力数据的预处理方法、航空重力向下延拓方法、适用于带限航空重力数据的地形影响归算、航空重力解算模型优化和航空重力数据与其他类型重力数据的联合解算，研制软件系统，利用实测航空重力数据解算区域大地水准面的精度达到约3 cm。本项目的研究成果可为我国航空重力测量的发展应用和国家高程基准的现代化提供理论和技术依据。

本项目主要工作和创新之处体现在：.（1）提出了三阶中心差分结合迭代高斯滤波精密确定飞机速度和加速度的思路，解决了对飞机位置作两次差分计算垂直加速度过程中测量噪声放大的问题。研究并发展了适用于航空重力数据的交叉点平差算法，显著改善了航空重力原始观测值的数据质量。.（2）提出了航空重力向下延拓的基于广义岭估计的逆Poisson积分法和基于矩谐分析的向下延拓方法，初步克服了向下延拓过程中噪声放大的难题，实现了航空重力信号的稳定向下延拓。.（3）提出了基于矩谐分析的航空重力解算方案，采用扩展计算点范围的策略抑制周期延拓边缘效应，显著提高了矩谐分析的解算精度。系统研究并对比分析了两步法、一步法和矩谐分析这三种航空重力解算方案，利用EGM08地球位模型生成4 km飞行高度处的模拟重力扰动，加入标准差为1.5 mGal的高斯白噪声，采用两步法和一步法计算所得2.5′×2.5′区域大地水准面的精度分别为6.1 cm和3.3 cm，基于矩谐分析进行航空重力解算所得大地水准面的精度为2.2 cm。.（4）提出了基于矩谐分析联合航空重力和地面重力数据解算区域大地水准面的方案，采用方差分量估计确定不同类型观测值在联合解算模型中的权以及正则化参数，解决了定权和正则化这两个关键问题。对比研究了基于积分方法和矩谐分析的联合解算模型，基于EGM08位模型的模拟试验表明，对于分别加入标准差为1.5 mGal和2.5 mGal的高斯白噪声的空中重力扰动和地面重力异常模拟观测值，由积分方法联合解算所得2.5′×2.5′区域大地水准面的精度为5.5 cm，基于矩谐分析联合解算所得大地水准面的精度为2.2 cm。.（5）利用GRAV-D CS01实测航空重力数据和DTU10测高海洋重力数据，以USGG2009大地水准面作为基准值，验证了基于矩谐分析的航空重力解算方案和联合解算模型。单独利用CS01航空重力数据，基于矩谐分析进行航空重力解算所得2.5′×2.5′区域大地水准面相对于USGG2009大地水准面的均方差为4.7 cm。利用经EGM08模型重力扰动填充后的CS01航空重力数据所得大地水准面的均方差减小至3.1 cm。基于矩谐分析联合CS01航空重力扰动和DTU10海洋重力异常解算所得大地水准面的均方差为2.8 cm。