[发明专利]基于海底地形-重力联合提高海洋重力空间分辨率的方法

说明书

本发明公开了一种基于海底地形‑重力联合提高海洋重力空间分辨率的方法，包括：对大地水准面的正常重力场进行高度改正和中间层改正后，求得海底控制点处的理论重力值；确定海底控制点处的自由空间重力异常、由水深变化引起的重力异常和大地水准面上的自由空间重力异常三者之间的关系；得到海底地形‑重力联合法的基本公式模型；求解得到离散海底控制点处的绝对重力值；求解得到格网化海底绝对重力值；通过已有格网化高精度海底地形数据及重力校正，得到海底地形‑重力联合法模型，并求解得到大地水准面上格网化的自由空间重力异常。本发明旨在保证高精度的前提下，提高海洋重力异常模型的空间分辨率。

技术领域

本发明属于海洋重力学、水下导航学等交叉技术领域，尤其涉及一种基于海底地形-重力联合提高海洋重力空间分辨率的方法。

背景技术

水下重力匹配导航技术旨在利用外部重力信息修正惯性导航系统随时间累积的误差，是真正的无源导航技术，有利于实现水下潜器自主、连续、精确和长航时的定位。基本原理：载体在航行过程中经过重力特征较丰富区域时利用海洋重力仪/重力梯度仪采集周围重力场信息，并与预先存储在导航系统中的重力基准图进行对比，依据相关准则判断二者之间的拟合度，从而确定最佳匹配位置。因此，获取高精度和高空间分辨率海洋重力基准图是提高水下重力匹配导航效果的关键因素之一。

随着重力场测量技术的发展，由于卫星测高技术反演海洋重力场高效便捷且能够有效地解决传统获取手段的数据稀疏、重复周期性差、舰船无法直接到达偏远海洋区域等问题，是目前获取高空间分辨率、高精度及全球海洋重力场的较优手段。(1)目前许多学者主要围绕卫星测高/重力及船测重力数据开展海洋重力场反演研究。1979年，Rapp首次利用Geo-3卫星得出若干个1°×1°和5°×5°的海洋重力场值，其精度分别为7.8mGal和2.7mGal。1989年，Hwang在Rapp的研究基础上，联合Geo-3和Seasat卫星所有数据，并加入海面地形、潮汐、卫星偏差等影响因素，计算结果与Rapp的重合部分计算结果均方根差为5.43mGal。1998年，Hwang联合多种测高卫星数据，利用简洁、严密、更加容易计算的Vening-Meinesz公式得到精度为9.9mGal的全球海洋重力场模型。1999年，许厚泽等利用垂线偏差法联合四年的T/P卫星和1年的ERS-1数据恢复出中国近海重力异常分辨率为30′×30′且精度为3.5mGal。2003年，李建成等利用Topex/Poseidon、ERS-1/2、Geosat/GM和ERM测高资料结合垂线偏差法反演出空间分辨率2.5′×2.5′且精度为9.35mGal的中国近海重力异常。2009年，李娜通过卫星测高数据和船测重力数据，在垂线偏差法计算的逆Vening-Meinesz公式中，证实了积分半径在30′～60′最佳。2009年，Sandwell等引入EGM2008全球海洋重力场模型和平均动态海面模型作为参考模型并结合双调和插值法，利用垂线偏差法反演出分辨率1′×1′和精度优于4mGal的全球海洋重力场模型V18.1。2014年，Sandwell联合现存的测高卫星数据和Cryosat-2卫星数据，把1′×1′的全球海洋重力场模型的精度从上一代的3-5mGal提高到2-4mGal。2014年，鲍李峰等提出双星伴飞的测高模式，成功获取分辨率为1′×1′区域高精度海洋重力场。(2)目前许多学者主要利用海洋重力场和船测水深数据反演海底地形研究。2011年，聂琳娟等利用卫星测高得到重力异常，基于非补偿板块模型，反演了南海海底地形，反演结果与LDEO船测深数据相比较，两者之差的RMS为253.3m，较ETOPO5海深模型精度和分辨率均有明显提高。2015年，Hu等提出了基于垂直重力梯度异常(VGG)，重力异常和船舶测深推导的全球海平面地形模型。船舶测深仪用于限制波长大于200km的海底地形，VGG比率可用于预测100-200km波长带的海底地形，重力异常用于恢复波长小于100km的海底地形。结果表明，在所讨论的区域中，该模型的精度优于ETOPO1、GEBCO和DTU10，并接近V15.1模型。2018年，范雕等应用自适应赋权技术，采用导纳函数方法构建菲律宾海域1'×1'海底地形模型。试验发现，当重力异常垂直梯度反演海深结果与重力异常反演海深结果的权比为2:3时，所构建的海深模型检核精度最高，而相较于ETOPO1海深模型和DTU10海深模型检核精度分别提高了约27.17％和39.02％。综上所述，目前未发现有公开文献显示基于高精度和高空间分辨率海底地形数据反演海洋重力场的研究。