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本文利用Extrapolation Tikhonov正则化算法处理重力梯度数据三维密度反演的线性不适定问题。与Tikhonov正则化方法相比,Extrapolation Tikhonov正则化方法减小了因正则化参数的引入而带来的反演结果误差,提高了预测数据与观测数据之间的拟合精度。同时为了消除位场数据反演时位置函数快速衰减对反演结果的影响,本文提出了基于重力梯度全张量特征向量法的深度加权函数,模型试验证明了该深度加权函数能有效识别异常体密度分布特征。对澳大利亚Kauring地区实测重力梯度数据进行反演,并和已有研究成果对比分析。结果表明该反演方法能够较好的获取地下异常体的密度分布信息。 相似文献
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利用GPS垂直位移反演区域陆地水储量变化(TWSC)属于典型的病态问题，其关键是如何进行稳定求解并提高反演结果的精度和可靠性.本文引入TSVD-Tikhonov组合正则化方法对利用GPS垂直位移反演区域TWSC的病态问题进行求解，并以四川省TWSC反演为例进行分析与验证.首先，通过数值模拟对TSVD、Tikhonov和TSVD-Tikhonov正则化方法采用不同正则化参数选取策略(RMSE最小准则、GCV法和L-curve法)进行反演，结果显示基于TSVD-Tikhonov正则化反演的TWSC比单独使用TSVD或Tikhonov正则化反演结果的精度和可靠性更高，这三种正则化方法反演2005年1月至12月的TWSC差值的平均STD分别为14.97 mm、7.03 mm和5.04 mm.其次，利用中国地壳运动观测网络(CMONOC)的72个GPS测站的垂直位移数据，基于TSVD-Tikhonov正则化反演了四川省2010年12月至2021年2月的TWSC时间序列，结果表明GPS反演的TWSC与GRACE/GFO Mascon模型(JPL、CSR和GSFC)的空间分布特征及季节性变化符合较好... 相似文献
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有别于传统基于梯度信息的反演方法在正则化约束中用总梯度逼近海塞逆矩阵的技术，本文将正则化约束问题的数据拟合项和模型光滑项分开考虑，只利用数据拟合函数的梯度信息对数据拟合项的海塞矩阵进行逼近，通过求解类高斯牛顿下降方向方程得到不依赖前几次迭代正则化因子的更精确下降方向，在求解当前迭代下降方向的过程中，通过保证右端项中两个向量的二范数在同一数量级的原则，实现了正则化因子的自动更新.对理论模型的试算表明这种自适应正则化反演方案可以在拟牛顿反演框架下基本达到OCCAM的算法稳定性，反演结果对初始模型依赖性较小，同时又无需在一次迭代中多次搜索最佳正则化因子.本文还基于此算法讨论了大地电磁各参数对于反演结果的影响，由于本文的反演结果能得到充分的正则化约束，因而在此框架下讨论阻抗和倾子在反演中的作用相对更为客观. 相似文献
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地球物理反演是获取地球信息的重要手段,其求解具有严重的不适定性.为获得稳定的反问题结果,通常需要在目标泛函中加入正则化约束项.正确地估计正则化参数一直是地球物理反问题中的难点.目前存在的选取方法需要根据大量的试验来确定正则化参数,工作量十分巨大,并且存在很大的经验性,很难得到最优的正则化参数.针对这个问题,本文提出了一种基于广义Stein无偏风险估计的正则化参数求取方法.该方法的具体思路是通过求解模型参数均方误差的广义Stein无偏风险估计函数,在反问题求解过程中自动求取正则化参数.本文模型测试结果表明,相比于目前常用的方法,通过该方法得到的正则化参数是最优的. 相似文献
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地球物理反问题线性化处理之后, 各种反演算法归结为对病态线性方程组的求解. 为了快速准确地计算出地球物理参数, 本文提出了一种全新的基于LSQR算法的混合差分进化算法(Hybrid Differential Evolution Algorithm, HDE). 该算法利用LSQR算法给出DE算法的初始种群, 提高DE算法的计算速度和稳定性. 在不同噪声水平下, 对四种正则化方法Tikhonov、TSVD、LSQR和HDE的反演结果进行详细比较. 理论模型和实际数据反演的结果都表明: 改进的HDE算法应用于地球物理反问题的求解是成功的: 反演结果与原设定模型具有较高的相关性, 在稳定性和准确性上较常规的反演算法都具有一定的优势; 而且不需要给定正则化参数, 具有更强的实用性. 相似文献
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将瞬变电磁满足的扩散方程转变为波动方程,然后利用地震类成像方法实现瞬变电磁虚拟波场成像,是实现瞬变电磁三维反演的有效手段之一.为了实现由扩散场到虚拟波场的转换,文中采用预条件正则化共轭梯度法求解波场反变换问题.首先,对几种离散方式进行比较,采用条件数最小的离散方式进行离散;然后选择最优的正则化参数,并利用超松弛预条件技术对系数矩阵进行预条件处理;最后,利用共轭梯度法进行迭代求解.超松弛预条件有效降低了系数矩阵的条件数,正则化方法使得反变换得到的波场稳定、可靠,共轭梯度法能够保证计算快速收敛.将反变换结果与已知虚拟波场函数对比,证明算法稳定、可信.将文中算法结果与前人研究结果进行对比,说明方法效果.通过实测数据的波场变换处理给出了文中方法的实际应用效果.结合反变换算法,对不同参数模型进行分析,总结了虚拟波场在色散介质中的传播规律. 相似文献
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《中国科学:地球科学》2020,(3)
正1研究现状地球物理电磁数据三维反演具有非线性、欠定和大尺度等特点,是非常难求解的最优化问题.过去20年,随着数值方法不断成熟和计算设备快速发展,地球物理电磁三维反演技术取得了巨大进步,多个基于正则化思想的三维电磁反演代码被成功开发并广泛应用于生产和科学研究.电磁数据三维反演的发展主要围绕以下几个方面. 相似文献
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《应用地球物理》2015,(2)
<正>则化反演通过引入模型约束和正则化因子求解病态的地球物理反演问题,但该方法存在正则化因子选取困难和初始模型依赖的问题。针对该问题,本文提出多目标粒子群反演算法。该算法反演中不需要目标函数梯度信息和正则化因子,先同时求数据拟合和模型约束的多目标反演解集,再权衡两者的相对重要程度,最后从反演解集中优选出最终反演结果,从而起到正则化因子的作用。以二维磁测数据反演为例,进行理论模型反演试验,试验结果表明,多目标粒子群反演算法能尽可能多地保留可行解,得到反演解集;通过分析反演解集,既能深入的理解反演过程,又能灵活地从数据拟合和模型约束两方面进行权衡与选择,得到比正则化反演更合理的反演结果;该算法能同时解决正则化因子选取困难和初始模型依赖问题。 相似文献
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由于GRACE Follow-On双星系统等效于基线长为星间距离的一维水平重力梯度仪,因此本文基于GRACE Follow-On卫星重力梯度法开展了精确和快速反演下一代地球重力场的可行性论证研究. 研究结果表明：第一,基于GRACE Follow-On卫星重力梯度法（GFO-SGGM）,利用卫星轨道参数（轨道高度250 km、星间距离50 km、轨道倾角89°、轨道离心率0.001）、关键载荷测量精度（星间距离10-6 m、星间速度10-7 m·s-1、星间加速度10-10 m·s-2、轨道位置10-3 m、轨道速度10-6 m·s-1、非保守力10-11 m·s-2）、观测时间30天和采样间隔10 s反演了120阶地球重力场,在120阶处累计大地水准面精度为9.331×10-4 m. 第二,在120阶内,利用将来GRACE Follow-On双星反演地球重力场精度较现有GRACE双星平均提高61倍,因此GRACE Follow-On卫星重力梯度法是进一步提高地球重力场反演精度的优选方法. 第三,下一代GRACE Follow-On计划较当前GRACE计划的优点如下：轨道高度更低（200~300 km）、载荷精度更高（10-7 ~10-9 m·s-1）和星间距离更短（50~100 km）. 相似文献
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高精度高程基准重力位的确定往往依赖于高精度全球重力场模型,其对全球和区域高程基准的高精度统一非常关键,GRACE、GOCE卫星重力计划极大地提高了全球重力场模型中长波的精度.本文首先对GRACE/GOCE卫星重力场模型的内符合和外符合精度进行讨论分析,结果说明卫星重力模型的截断误差影响可达到分米级水平,在确定高程基准重力位时该影响不可忽略.利用EGM2008模型扩展GRACE/GOCE卫星重力场模型至2190阶,可有效减弱卫星重力模型的截断误差影响,但不同模型扩展时的最优拼接阶次不同,其中DIR-1、DIR-5模型对应的最优拼接阶次分别为180阶和220阶,以GPS水准数据检验,扩展模型在中国区域的精度均优于18cm.最后,基于最优拼接阶次获得的扩展重力场模型对我国1985高程基准重力位进行了估计,DIR-5和TIM-5模型对应数值分别为62636853.47m~2·s~(-2)和62636853.49m~2·s~(-2),精度均为1.51m~2·s~(-2);发现在中国区域模型大地水准面与GPS/水准数据的差值存在微弱的系统性倾斜,东西向倾斜约为9cm,南北向倾斜约为1.4cm,考虑倾斜改正后基于DIR-5和TIM-5模型估计我国1985高程基准重力位的精度提高了0.16m~2·s~(-2). 相似文献
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由于当前GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment)串行式编队存在"南北向条带误差"等缺陷,因此本文基于星间速度插值法开展了利用下一代三向车轮双星编队ACR(Along-Cross-Radial)-Cartwheel提高地球重力场空间分辨率的可行性研究论证.第一,采用GRACE卫星轨道参数和关键载荷精度,利用三向车轮双星编队ACR-Cartwheel-A/B反演了120阶地球重力场.结果表明:基于ACR-Cartwheel-A/B双星编队反演地球重力场的模拟精度较德国波茨坦地学研究中心(GFZ)公布的EIGEN-GRACE02S地球重力场模型的实测精度平均提高2.6倍,从而检验了基于下一代三向车轮双星编队ACR-Cartwheel-A/B反演地球重力场精度优于当前GRACE串行式双星编队的可行性.第二,通过星间速度插值法,采用卫星轨道参数(初始轨道高度350km、平均星间距离100km、初始轨道倾角89°、初始轨道离心率0.0046)、卫星关键载荷精度指标(星间速度10-7 m·s-1、轨道位置10-3 m、轨道速度10-6 m·s-1、非保守力10-11 m·s-2)、观测时间30天和采样间隔10s,基于经向车轮双星编队Lo-AR(Longitudinal-Along-Radial)-Cartwheel-A/B、纬向车轮双星编队La-AR(Latitudinal-Along-Radial)-Cartwheel-A/B和三向车轮双星编队ACR-Cartwheel-A/B,分别反演了120阶地球重力场;在120阶处,累计大地水准面精度分别为5.115×10-4 m、4.923×10-4 m和3.488×10-4 m.结果表明:(1)由于La-AR-Cartwheel-A/B编队的轨道稳定性优于Lo-AR-Cartwheel-A/B编队,因此基于La-AR-Cartwheel-A/B编队反演重力场精度高于Lo-AR-CartwheelA/B编队;(2)由于ACR-Cartwheel-A/B编队可以同时获得轨向、垂向和径向的重力场信息,卫星观测数据具有各向同性优点,因此ACR-Cartwheel-A/B编队是建立下一代高精度和高空间分辨地球重力场模型的优化选择. 相似文献
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基于新型残余星间速度法（RIRM）反演了120阶GRACE Follow-On地球重力场. 第一,由于GPS定轨精度相对较低,通过将激光干涉测距仪的高精度残余星间速度（测量精度10-7 m·s-1）引入残余轨道速度差分矢量的视线分量构建了新型RIRM观测方程. 第二,基于2点、4点、6点和8点RIRM公式对比论证了最优的插值点数. 如果相关系数和采样间隔一定,随着插值点数的增加,卫星观测值的信号量被有效加强,而卫星观测值的误差量也同时增加. 因此,6点RIRM公式是提高下一代地球重力场精度的较优选择. 第三,相关系数对地球重力场精度的影响在不同频段表现为不同特性. 随着相关系数的逐渐增大,地球长波重力场精度逐渐降低,而地球中长波重力场精度逐渐升高. 第四,基于6点RIRM公式,通过30天观测数据和采样间隔5 s,分别利用星间速度和残余星间速度观测值,在120阶次处反演下一代GRACE Follow-On累计大地水准面精度为1.638×10-3 m和1.396×10-3 m. 研究结果表明：（1）残余星间速度观测量较星间速度对地球重力场反演精度更敏感;（2）GRACE Follow-On地球重力场精度较GRACE至少高10倍. 相似文献
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第一,基于扰动星间距离观测量对地球重力场反演精度的敏感性优于星间距离观测值的特性,本文构建了新型扰动星间距离法(DIRM).第二,有效检验了下一代HIP-3S编队的轨道稳定性,结果表明:HIP-3S编队较稳定,有利于提高地球重力场反演精度.第三,基于扰动星间距离法,分别利用当前GRACE-2S串行式双星编队和下一代HIP-3S复合式三星编队精确反演了120阶地球重力场,在120阶处累计大地水准面精度为2.271×10~(-1)m和1.923×10~(-3)m,结果表明:HIP-3S复合式三星编队有利于建立下一代高精度和高空间分辨率的地球重力场模型. 相似文献
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为了更充分利用低轨重力卫星的高精度观测数据,根据卫星轨道的扰动理论,导出了应用卫星轨道与星间距离观测值联合反演地球重力场模型的算法.该算法的实质是将牛顿运动方程在卫星轨道处进行展开,转化为第二类Volterra积分方程,并采用基于移动窗口的9次多项式内插公式进行数值求解.给出了该算法的观测方程,用QR分解法消去局部参数矩阵,最后采用预条件共轭梯度法求解法方程.利用GRACE卫星2008-01-01~2008-08-01时间段内的轨道及星间距离观测数据,解算了120阶次的地球重力场模型SWJTU-GRACE01S,该模型在120阶处的阶方差为1.58×10-8,大地水准面差距累计误差为22.29 cm,与美国GPS水准网比较的标准差为0.793 m,结果表明:SWJTU-GRACE01S模型精度介于EIGEN-GRACE01S与EIGEN-GRACE02S模型之间,从而验证了该算法的有效性. 相似文献
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GOCE Data Processing: The Spherical Cap Regularization Approach 总被引：3，自引：0，他引：3
Due to the sun-synchronous orbit of the satellite gravity gradiometry mission GOCE, the measurements will not be globally
available. As a consequence, using a set of base functions with global support such as spherical harmonics, the matrix of
normal equations tends to be ill-conditioned, leading to weakly determined low-order spherical harmonic coefficients. The
corresponding geopotential strongly oscillates at the poles.
Considering the special configuration of the GOCE mission, in order to stabilize the normal equations matrix, the Spherical
Cap Regularization Approach (SCRA) has been developed. In this approach the geopotential function at the poles is predescribed
by an analytical continuous function, which is defined solely in the spatially restricted polar regions. This function could
either be based on an existing gravity field model or, alternatively, a low-degree gravity field solution which is adjusted
from GOCE observations. Consequently the inversion process is stabilized.
The feasibility of the SCRA is evaluated based on a numerical closed-loop simulation, using a realistic GOCE mission scenario.
Compared with standard methods such as Kaula and Tikhonov regularization, the SCRA shows a considerably improved performance. 相似文献
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Firstly, the new single and combined error models applied to estimate the cumulative geoid height error are efficiently produced by the dominating error sources consisting of the gravity gradient of the satellite-equipped gradiometer and the orbital position of the space-borne GPS/GLONASS receiver using the power spectral principle. At degree 250, the cumulative geoid height error is 1.769 × 10?1 m based on the new combined error model, which preferably accords with a recovery accuracy of 1.760 ×10?1 m from the GOCE-only Earth gravity field model GO_CONS_GCF_2_TIM_R2 released in Germany. Therefore, the new combined error model of the cumulative geoid height is correct and reliable in this study. Secondly, the requirements analysis for the future GOCE Follow-On satellite system is carried out in respect of the preferred design of the matching measurement accuracy of key payloads comprising the gravity gradient and orbital position and the optimal selection of the orbital altitude of the satellite. We recommend the gravity gradient with an accuracy of 10?13?10?15 /s2, the orbital position with a precision of 1-0.1 cm and the orbital altitude of 200-250 km in the future GOCE Follow-On mission. 相似文献
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本文设计了一种高-低卫星跟踪卫星、低-低卫星跟踪卫星和卫星重力梯度测量相结合的新型重力测量卫星系统，其可在一定程度上发挥卫星重力梯度和低低卫星跟踪卫星两种测量模式各自的优势.基于重力卫星系统指标设计的半解析法，深入分析了不同重力测量卫星系统配置和不同观测量及其不同白噪声水平情况下，新型卫星重力测量模式反演重力场模型的能力.数值模拟分析结果表明：在观测值精度和星间距离相同的条件下，轨道高度是影响重力场反演精度的关键因素；随着星间距离的增大，高频重力场信号反演精度会先提高后降低，轨道高度在200~350 km之间时，星间距离在150~180 km之间时反演精度最优；星间距离变率和卫星重力梯度两类观测值仅在某些精度配置时可达到优势互补，如果某一类观测值精度很高，则另一类观测值在联合解算时贡献非常小或者没有贡献.在300 km轨道高度，若以GRACE和GOCE任务的设计指标1 μm·s-1/√Hz和5 mE/√Hz来配置新型重力测量卫星系统中星间距离变率和引力梯度观测值的精度，联合两类观测值解算200阶次模型大地水准面的精度比独立解算分别提高1.2倍和2.8倍.如果以实现100 km空间分辨率1~2 cm精度大地水准面为科学目标，考虑卫星在轨寿命，建议轨道高度选择300 km，星间距离变率和卫星重力梯度的精度分别为0.1 μm·s-1/√Hz和1 mE/√Hz.本文的研究成果可为中国研制自主的重力测量卫星系统提供参考依据. 相似文献
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Hasan Yildiz 《Studia Geophysica et Geodaetica》2012,56(1):171-184
Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer (GOCE) is the first satellite mission that observes gravity gradients
from the space, to be primarily used for the determination of high precision global gravity field models. However, the GOCE
gradients, having a dense data distribution, may potentially provide better predictions of the regional gravity field than
those obtained using a spherical harmonic Earth Geopotential Model (EGM). This is investigated in Auvergne test area using
Least Squares Collocation (LSC) with GOCE vertical gravity gradient anomalies (Tzz), removing the long wavelength part from EGM2008 and the short wavelength part by residual terrain modelling (RTM). The results
show that terrain effects on the vertical gravity gradient are significant at satellite altitude, reaching a level of 0.11
E?tv?s unit (E.U.) in the mountainous areas. Removing the RTM effects from GOCE Tzz leads to significant improvements on the LSC predictions of surface gravity anomalies and quasigeoid heights. Comparison
with ground truth data shows that using LSC surface free air gravity anomalies and quasi-geoid heights are recovered from
GOCE Tzz with standard deviations of 11 mGal and 18 cm, which is better than those obtained by using GOCE EGMs, demonstrating that
information beyond the maximal degree of the GOCE EGMs is present. Investigation of using covariance functions created separately
from GOCE Tzz and terrestrial free air gravity anomalies, suggests that both covariance functions give almost identical predictions. However,
using covariance function obtained from GOCE Tzz has the effect that the predicted formal average error estimates are considerably larger than the standard deviations of
predicted minus observed gravity anomalies. Therefore, GOCE Tzz should be used with caution to determine the covariance functions in areas where surface gravity anomalies are not available,
if error estimates are needed. 相似文献