卫星磁测数据处理与地磁场模型反演理论与方法研究

发布时间：2017-04-23 07:14

  本文关键词：卫星磁测数据处理与地磁场模型反演理论与方法研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：卫星磁力测量是目前唯一的一种可以快速获取全球地磁场观测信息的测量手段,依据卫星磁力测量所得到的观测数据构建的全球地磁场参考基准模型,在军事应用及科学研究中有重要的应用价值。国外早在20世纪八十年代就已经发射了地磁测量卫星,并开展了卫星磁力测量数据处理、建模及相关应用的研究。然而,我国目前尚未有专门用于磁力测量及建模应用的地磁卫星,中国的卫星磁力测量研究才处于刚刚起步的阶段。本文针对卫星磁力测量中的磁测数据预处理、地磁场模型构建方法及地磁卫星组网方案等问题,展开了详细深入的研究,其中的主要研究成果如下:1.针对国际上现已发布的各种地磁场模型,系统梳理和总结了现有各种地磁场模型的特征。根据地磁场的高斯位势理论推导了地磁场球谐表示的基本公式,对比分析了地磁场与重力场中的球谐分析理论之间的差异。2.针对传统的地磁场模型精度评价方法中存在的问题,提出了格网化的精度评价方法。由于国际上不同组织发布了各自的地磁场模型,需要有合适的方法对不同的地磁场模型进行相应的精度评价,然而传统的地磁场模型精度评价方法没有考虑到主磁场模型是有一定空间分辨率的特点。利用地磁台站观测数据和WMM地磁场模型依次分析了全球和局部地区(欧洲、北美洲、中国邻近地区)的模型精度,结果表明格网化的精度评价方法可以很好的表示出地磁场模型在全球和局部地区的精度分布特征。3.构建了卫星磁力测量仿真系统平台,为仿真分析不同卫星组合磁测数据的生成和地磁场反演算法研究提供了一个“端对端”的闭环仿真系统。在国际上公开发布的已有各种地磁场模型基础上,利用ML地磁能谱组合理论,分别仿真出主磁场、地壳磁场、外源磁场等地磁场信息,结合卫星轨道星历仿真数据,模拟生成地磁卫星观测数据。为后期的各种地磁场反演仿真实验及地磁卫星组网方案设计提供原始的卫星磁测数据,由于原始的模型是已知的,方便对反演算法的正确性及精度进行评价和分析。4.研究和分析了在全球地磁场反演中的卫星磁测数据预处理方法中的各种筛选条件,总结了卫星磁力测量数据预处理流程和基本步骤,依次分析了地磁指数条件、地方时条件、纬度条件和轨道高度条件、粗差条件在卫星磁测数据筛选中的应用。5.利用卫星磁测仿真系统平台,依次分析了主磁场、地壳磁场、内外源磁场的分离方法。从主磁场反演算例分析得出了仿真系统平台的正确性,同时结合实测数据进一步验证了仿真系统平台的可用性。从地壳磁场反演算例中,得出了卫星轨道高度与地壳磁场反演最大阶数之间的相互关系曲线。从内外源磁场的分离算例中,得出了外源磁场在地磁场反演中是不可忽略的一项重要因素,需要使用合适的模型进行剔除。6.针对地磁场长期变化项的传统求解方法中,只是简单的使用线性变化进行拟合的不足,提出了相应的改进算法。利用地面台站和地磁卫星实测数据,分析了地磁场长期变化非线性的的具体特点,提出了使用卫星磁测数据直接求解地磁场长期变化项的新方法,通过算例分析证实了新方法的正确性和可用性。7.针对在高纬度地区卫星矢量磁测数据受地磁活动影响较大的实际问题,通常在数据预处理阶段会造成两极地区出现较大的空白数据地带,从而影响全球地磁场反演的精度,提出了联合利用卫星矢量和标量磁测数据构建地磁场模型的方法。介绍了卫星磁测标量数据的使用方法并推导了相关的计算公式,利用仿真实验说明了,在高纬度地区受扰动影响的情况下对最终的地磁场反演结果精度影响不可忽略,传统的将高纬度数据进行删除数据的预处理方法仍会导致反演结果出现较大的边界效应,本文提出的联合标量和矢量磁测数据反演地磁场模型的方法在保证反演精度的同时,最大限度的提高了卫星磁测数据利用效率。8.针对地磁卫星磁测方式及组网方案设计问题,通过本文构建的卫星磁力测量仿真系统平台模拟和讨论了单星磁测、双星同步磁测、三星组网观测、四星磁测模式等不同组网方案在地磁场反演方面的特点,可以为我国研制自主的地磁测量卫星提供一些参考。分别设计了五种组网方案,依次从主磁场反演、地壳磁场反演、内外源磁场分离等方面对比了不同方案的反演结果和精度,得出了双星磁测模式比单星磁测模式的反演精度略有提高,但提高并不明显;三星磁测方案比较双星提高较为明显;四星组网模式较三星提高并不十分明显等结论。
【关键词】：地磁卫星 卫星磁力测量 地磁场模型 格网化精度评价 抗差估计 ML地磁能谱 卫星磁力测量仿真系统 反演 地磁卫星组网方案
【学位授予单位】：解放军信息工程大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P318.6
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 第一章 绪论12-28
• 1.1 地磁场研究的目的与意义12-13
• 1.2 地磁测量卫星概况13-17
• 1.3 卫星磁力测量及地磁场模型研究现状17-24
• 1.3.1 国外研究现状18-20
• 1.3.2 国内研究现状20-22
• 1.3.3 地磁场模型研究现状22-24
• 1.4 主要研究内容24-28
• 第二章 卫星磁测基础理论28-44
• 2.1 地磁场基础28-31
• 2.1.1 地磁场的组成28-30
• 2.1.2 地磁指数介绍30-31
• 2.2 时间系统和坐标系统31-38
• 2.2.1 时间系统31-34
• 2.2.2 坐标系统34-38
• 2.3 地磁场的解析表示38-42
• 2.3.1 地磁场的球谐表达式38-40
• 2.3.2 地磁场与重力场球谐分析的区别40-42
• 2.4 本章小结42-44
• 第三章 地磁场模型精度评价及卫星磁测数据仿真44-72
• 3.1 地磁场模型简介44-51
• 3.1.1 主磁场和地壳场模型44-48
• 3.1.2 外源场模型48-49
• 3.1.3 综合场模型49
• 3.1.4 其它类型模型49-51
• 3.2 地磁场模型精度评价方法51-60
• 3.2.1 传统评价方法51-52
• 3.2.2 算例分析52-56
• 3.2.3 格网化评价方法56-58
• 3.2.4 算例分析58-60
• 3.3 卫星磁测数据仿真系统60-70
• 3.3.1 卫星轨道的仿真61-65
• 3.3.2 地磁场的仿真65-69
• 3.3.3 仿真系统的结构69-70
• 3.4 本章小结70-72
• 第四章 卫星磁测数据预处理方法72-90
• 4.1 卫星磁测数据预处理基本流程72-73
• 4.2 地磁指数条件73-75
• 4.2.1 Dst指数的统计分析73-75
• 4.2.2 算例分析75
• 4.3 地方时条件75-79
• 4.3.1 地磁日变与地方时条件76-77
• 4.3.2 算例分析77-79
• 4.4 纬度及轨道高度均匀性条件79-81
• 4.4.1 纬度条件79-80
• 4.4.2 轨道高度均匀性条件80-81
• 4.5 粗差条件81-88
• 4.5.1 传统粗差剔除方法81-82
• 4.5.2 实测数据分析82-84
• 4.5.3 基于抗差估计的粗差剔除新方法84-86
• 4.5.4 算例分析86-88
• 4.6 本章小结88-90
• 第五章 地磁场及其长期变化场的反演90-128
• 5.1 主磁场的反演91-105
• 5.1.1 卫星磁测数据的仿真93-95
• 5.1.2 仿真数据的算例分析95-99
• 5.1.3 利用实测数据构建主磁场模型99-105
• 5.2 地壳磁场的反演105-111
• 5.2.1 不同高度处地磁场变化特征105-106
• 5.2.2 卫星轨道高度对地壳磁场反演的影响106
• 5.2.3 算例分析106-111
• 5.3 内外源磁场的分离111-114
• 5.3.1 内外源磁场分离方法111-112
• 5.3.2 算例分析112-114
• 5.4 地磁场长期变化的反演114-121
• 5.4.1 传统求解方法115-116
• 5.4.2 算例与分析116-117
• 5.4.3 由卫星磁测数据直接求解长期变化的新方法117-119
• 5.4.4 算例分析119-121
• 5.5 卫星磁测标量数据反演地磁场121-126
• 5.5.1 标量数据的使用122-124
• 5.5.2 算例分析124-126
• 5.6 本章小结126-128
• 第六章 地磁测量卫星组网模式分析128-150
• 6.1 卫星磁测模式介绍128-131
• 6.2 卫星磁测组网方案设计131-136
• 6.2.1 卫星参数仿真131-132
• 6.2.2 方案设计132-135
• 6.2.3 评价指标135-136
• 6.3 算例分析及组网方案比较136-148
• 6.3.1 主磁场的反演137-143
• 6.3.2 地壳磁场反演143-144
• 6.3.3 内外源磁场分离144-147
• 6.3.4 不同组网方案反演效能比较及结论147-148
• 6.4 本章小结148-150
• 第七章 总结与展望150-154
• 7.1 主要研究成果总结150-151
• 7.2 未来工作展望151-154
• 致谢154-156
• 参考文献156-166
• 作者简历166-167

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本文编号：322021