构建全球高阶重力场和区域大地水准面模型的谱组合理论与方法

Determination of high degree global gravity field model and regional geoid is one of the main objectives of geodesy, it also serves as an important foundation for other related geoscience studies. Abundant gravity data of different types have become available thanks to the wide application of airborne and spaceborne gravimetry and historical gravity measurements. One of the challenges for high degree gravity field modeling and regional geoid determination at centimeter accuracy is the optimal combination of heterogeneous gravity data of different types. In this research, the theory and method of spectral combination will be developed. The general theoretical model of spectral combination will be derived, which can accommodate different basic functions and combine various types of gravity data. The key problem of error degree variance estimation and optimal spectral weight determination of each gravity data set will be solved. By using the spectral combination approach, a global gravity field model up to degree 2160 and 3-4 regional gravimetric geoid models will be computed from the combination of various types of gravity data. This research can provide theoretical and technical support for the establishment and maintenance of national modern height datum.

构建全球高阶重力场和区域大地水准面模型是大地测量学的主要科学目标之一，也是其它相关地球学科的重要基础。航空航天重力观测技术的普遍应用和长时间历史观测积累了丰富的重力数据，如何联合多种类型重力数据确定高阶重力场模型和厘米级精度区域大地水准面是一大挑战。本项目拟发展重力场谱组合理论与方法，构建适用于不同基函数、可融合多种重力数据类型的谱组合概括理论模型，突破各类重力数据误差阶方差估计与最优谱权确定的关键技术，建立多种类型重力数据融合处理的计算框架，开展计算分析与试验验证，联合多种类型重力数据解算1个2160阶全球重力场模型和3-4个区域重力大地水准面模型。项目研究成果可为建立和维护国家现代高程基准提供理论与技术支持。

构建全球高阶重力场模型和区域大地水准面模型是大地测量学的主要科学目标之一。如何联合多种类型重力数据解算高阶重力场模型和厘米级精度区域大地水准面是一大挑战。本项目主要研究融合多种类型重力数据的谱组合理论与方法，并利用谱组合方法构建高阶全球重力场模型和区域大地水准面模型。发展了重力场谱组合理论，提出了数据驱动的谱权确定方法，有效解决了不同类型数据联合解算时的谱权确定的难题，实现了多种类型重力数据优化融合处理，建立了基于球谐函数、Stokes 积分和Hotine 积分的谱组合理论模型和算法，建立了基于谱组合理论确定地球重力场和大地水准面的方法和软件体系。建立了基于谱组合方法和块对角阵最小二乘迭代求解全球重力位系数的算法和软件，在有限重力数据资源条件下，构建了2160阶地球重力场模型，利用境内外GPS水准数据验证了模型精度和可靠性。利用谱组合方法融合多种类型重力观测数据，建立了我国毛乌素（丘陵沙地）和美国科罗拉多（山地）的区域重力大地水准面模型，精度达到0.8 cm和5.3 cm。值得强调的是，利用谱组合方法，联合航空和地面重力数据构建了珠峰地区重力似大地水准面模型，精度达3.8 cm，获取了高精度珠峰峰顶大地水准面差距，为2020珠峰高程测量和中尼共同宣布珠峰高程提供了关键科技支撑。项目研究成果可为建立和维护国家现代高程基准以及全球高程基准统一提供理论和技术支持。