本文關(guān)鍵詞：衛(wèi)星磁測數(shù)據(jù)處理與地磁場模型反演理論與方法研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：衛(wèi)星磁力測量是目前唯一的一種可以快速獲取全球地磁場觀測信息的測量手段,依據(jù)衛(wèi)星磁力測量所得到的觀測數(shù)據(jù)構(gòu)建的全球地磁場參考基準(zhǔn)模型,在軍事應(yīng)用及科學(xué)研究中有重要的應(yīng)用價值。國外早在20世紀(jì)八十年代就已經(jīng)發(fā)射了地磁測量衛(wèi)星,并開展了衛(wèi)星磁力測量數(shù)據(jù)處理、建模及相關(guān)應(yīng)用的研究。然而,我國目前尚未有專門用于磁力測量及建模應(yīng)用的地磁衛(wèi)星,中國的衛(wèi)星磁力測量研究才處于剛剛起步的階段。本文針對衛(wèi)星磁力測量中的磁測數(shù)據(jù)預(yù)處理、地磁場模型構(gòu)建方法及地磁衛(wèi)星組網(wǎng)方案等問題,展開了詳細(xì)深入的研究,其中的主要研究成果如下:1.針對國際上現(xiàn)已發(fā)布的各種地磁場模型,系統(tǒng)梳理和總結(jié)了現(xiàn)有各種地磁場模型的特征。根據(jù)地磁場的高斯位勢理論推導(dǎo)了地磁場球諧表示的基本公式,對比分析了地磁場與重力場中的球諧分析理論之間的差異。2.針對傳統(tǒng)的地磁場模型精度評價方法中存在的問題,提出了格網(wǎng)化的精度評價方法。由于國際上不同組織發(fā)布了各自的地磁場模型,需要有合適的方法對不同的地磁場模型進(jìn)行相應(yīng)的精度評價,然而傳統(tǒng)的地磁場模型精度評價方法沒有考慮到主磁場模型是有一定空間分辨率的特點。利用地磁臺站觀測數(shù)據(jù)和WMM地磁場模型依次分析了全球和局部地區(qū)(歐洲、北美洲、中國鄰近地區(qū))的模型精度,結(jié)果表明格網(wǎng)化的精度評價方法可以很好的表示出地磁場模型在全球和局部地區(qū)的精度分布特征。3.構(gòu)建了衛(wèi)星磁力測量仿真系統(tǒng)平臺,為仿真分析不同衛(wèi)星組合磁測數(shù)據(jù)的生成和地磁場反演算法研究提供了一個“端對端”的閉環(huán)仿真系統(tǒng)。在國際上公開發(fā)布的已有各種地磁場模型基礎(chǔ)上,利用ML地磁能譜組合理論,分別仿真出主磁場、地殼磁場、外源磁場等地磁場信息,結(jié)合衛(wèi)星軌道星歷仿真數(shù)據(jù),模擬生成地磁衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)。為后期的各種地磁場反演仿真實驗及地磁衛(wèi)星組網(wǎng)方案設(shè)計提供原始的衛(wèi)星磁測數(shù)據(jù),由于原始的模型是已知的,方便對反演算法的正確性及精度進(jìn)行評價和分析。4.研究和分析了在全球地磁場反演中的衛(wèi)星磁測數(shù)據(jù)預(yù)處理方法中的各種篩選條件,總結(jié)了衛(wèi)星磁力測量數(shù)據(jù)預(yù)處理流程和基本步驟,依次分析了地磁指數(shù)條件、地方時條件、緯度條件和軌道高度條件、粗差條件在衛(wèi)星磁測數(shù)據(jù)篩選中的應(yīng)用。5.利用衛(wèi)星磁測仿真系統(tǒng)平臺,依次分析了主磁場、地殼磁場、內(nèi)外源磁場的分離方法。從主磁場反演算例分析得出了仿真系統(tǒng)平臺的正確性,同時結(jié)合實測數(shù)據(jù)進(jìn)一步驗證了仿真系統(tǒng)平臺的可用性。從地殼磁場反演算例中,得出了衛(wèi)星軌道高度與地殼磁場反演最大階數(shù)之間的相互關(guān)系曲線。從內(nèi)外源磁場的分離算例中,得出了外源磁場在地磁場反演中是不可忽略的一項重要因素,需要使用合適的模型進(jìn)行剔除。6.針對地磁場長期變化項的傳統(tǒng)求解方法中,只是簡單的使用線性變化進(jìn)行擬合的不足,提出了相應(yīng)的改進(jìn)算法。利用地面臺站和地磁衛(wèi)星實測數(shù)據(jù),分析了地磁場長期變化非線性的的具體特點,提出了使用衛(wèi)星磁測數(shù)據(jù)直接求解地磁場長期變化項的新方法,通過算例分析證實了新方法的正確性和可用性。7.針對在高緯度地區(qū)衛(wèi)星矢量磁測數(shù)據(jù)受地磁活動影響較大的實際問題,通常在數(shù)據(jù)預(yù)處理階段會造成兩極地區(qū)出現(xiàn)較大的空白數(shù)據(jù)地帶,從而影響全球地磁場反演的精度,提出了聯(lián)合利用衛(wèi)星矢量和標(biāo)量磁測數(shù)據(jù)構(gòu)建地磁場模型的方法。介紹了衛(wèi)星磁測標(biāo)量數(shù)據(jù)的使用方法并推導(dǎo)了相關(guān)的計算公式,利用仿真實驗說明了,在高緯度地區(qū)受擾動影響的情況下對最終的地磁場反演結(jié)果精度影響不可忽略,傳統(tǒng)的將高緯度數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除數(shù)據(jù)的預(yù)處理方法仍會導(dǎo)致反演結(jié)果出現(xiàn)較大的邊界效應(yīng),本文提出的聯(lián)合標(biāo)量和矢量磁測數(shù)據(jù)反演地磁場模型的方法在保證反演精度的同時,最大限度的提高了衛(wèi)星磁測數(shù)據(jù)利用效率。8.針對地磁衛(wèi)星磁測方式及組網(wǎng)方案設(shè)計問題,通過本文構(gòu)建的衛(wèi)星磁力測量仿真系統(tǒng)平臺模擬和討論了單星磁測、雙星同步磁測、三星組網(wǎng)觀測、四星磁測模式等不同組網(wǎng)方案在地磁場反演方面的特點,可以為我國研制自主的地磁測量衛(wèi)星提供一些參考。分別設(shè)計了五種組網(wǎng)方案,依次從主磁場反演、地殼磁場反演、內(nèi)外源磁場分離等方面對比了不同方案的反演結(jié)果和精度,得出了雙星磁測模式比單星磁測模式的反演精度略有提高,但提高并不明顯;三星磁測方案比較雙星提高較為明顯;四星組網(wǎng)模式較三星提高并不十分明顯等結(jié)論。
【關(guān)鍵詞】：地磁衛(wèi)星 衛(wèi)星磁力測量 地磁場模型 格網(wǎng)化精度評價 抗差估計 ML地磁能譜 衛(wèi)星磁力測量仿真系統(tǒng) 反演 地磁衛(wèi)星組網(wǎng)方案
【學(xué)位授予單位】：解放軍信息工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：P318.6
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 第一章 緒論12-28
• 1.1 地磁場研究的目的與意義12-13
• 1.2 地磁測量衛(wèi)星概況13-17
• 1.3 衛(wèi)星磁力測量及地磁場模型研究現(xiàn)狀17-24
• 1.3.1 國外研究現(xiàn)狀18-20
• 1.3.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀20-22
• 1.3.3 地磁場模型研究現(xiàn)狀22-24
• 1.4 主要研究內(nèi)容24-28
• 第二章 衛(wèi)星磁測基礎(chǔ)理論28-44
• 2.1 地磁場基礎(chǔ)28-31
• 2.1.1 地磁場的組成28-30
• 2.1.2 地磁指數(shù)介紹30-31
• 2.2 時間系統(tǒng)和坐標(biāo)系統(tǒng)31-38
• 2.2.1 時間系統(tǒng)31-34
• 2.2.2 坐標(biāo)系統(tǒng)34-38
• 2.3 地磁場的解析表示38-42
• 2.3.1 地磁場的球諧表達(dá)式38-40
• 2.3.2 地磁場與重力場球諧分析的區(qū)別40-42
• 2.4 本章小結(jié)42-44
• 第三章 地磁場模型精度評價及衛(wèi)星磁測數(shù)據(jù)仿真44-72
• 3.1 地磁場模型簡介44-51
• 3.1.1 主磁場和地殼場模型44-48
• 3.1.2 外源場模型48-49
• 3.1.3 綜合場模型49
• 3.1.4 其它類型模型49-51
• 3.2 地磁場模型精度評價方法51-60
• 3.2.1 傳統(tǒng)評價方法51-52
• 3.2.2 算例分析52-56
• 3.2.3 格網(wǎng)化評價方法56-58
• 3.2.4 算例分析58-60
• 3.3 衛(wèi)星磁測數(shù)據(jù)仿真系統(tǒng)60-70
• 3.3.1 衛(wèi)星軌道的仿真61-65
• 3.3.2 地磁場的仿真65-69
• 3.3.3 仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)69-70
• 3.4 本章小結(jié)70-72
• 第四章 衛(wèi)星磁測數(shù)據(jù)預(yù)處理方法72-90
• 4.1 衛(wèi)星磁測數(shù)據(jù)預(yù)處理基本流程72-73
• 4.2 地磁指數(shù)條件73-75
• 4.2.1 Dst指數(shù)的統(tǒng)計分析73-75
• 4.2.2 算例分析75
• 4.3 地方時條件75-79
• 4.3.1 地磁日變與地方時條件76-77
• 4.3.2 算例分析77-79
• 4.4 緯度及軌道高度均勻性條件79-81
• 4.4.1 緯度條件79-80
• 4.4.2 軌道高度均勻性條件80-81
• 4.5 粗差條件81-88
• 4.5.1 傳統(tǒng)粗差剔除方法81-82
• 4.5.2 實測數(shù)據(jù)分析82-84
• 4.5.3 基于抗差估計的粗差剔除新方法84-86
• 4.5.4 算例分析86-88
• 4.6 本章小結(jié)88-90
• 第五章 地磁場及其長期變化場的反演90-128
• 5.1 主磁場的反演91-105
• 5.1.1 衛(wèi)星磁測數(shù)據(jù)的仿真93-95
• 5.1.2 仿真數(shù)據(jù)的算例分析95-99
• 5.1.3 利用實測數(shù)據(jù)構(gòu)建主磁場模型99-105
• 5.2 地殼磁場的反演105-111
• 5.2.1 不同高度處地磁場變化特征105-106
• 5.2.2 衛(wèi)星軌道高度對地殼磁場反演的影響106
• 5.2.3 算例分析106-111
• 5.3 內(nèi)外源磁場的分離111-114
• 5.3.1 內(nèi)外源磁場分離方法111-112
• 5.3.2 算例分析112-114
• 5.4 地磁場長期變化的反演114-121
• 5.4.1 傳統(tǒng)求解方法115-116
• 5.4.2 算例與分析116-117
• 5.4.3 由衛(wèi)星磁測數(shù)據(jù)直接求解長期變化的新方法117-119
• 5.4.4 算例分析119-121
• 5.5 衛(wèi)星磁測標(biāo)量數(shù)據(jù)反演地磁場121-126
• 5.5.1 標(biāo)量數(shù)據(jù)的使用122-124
• 5.5.2 算例分析124-126
• 5.6 本章小結(jié)126-128
• 第六章 地磁測量衛(wèi)星組網(wǎng)模式分析128-150
• 6.1 衛(wèi)星磁測模式介紹128-131
• 6.2 衛(wèi)星磁測組網(wǎng)方案設(shè)計131-136
• 6.2.1 衛(wèi)星參數(shù)仿真131-132
• 6.2.2 方案設(shè)計132-135
• 6.2.3 評價指標(biāo)135-136
• 6.3 算例分析及組網(wǎng)方案比較136-148
• 6.3.1 主磁場的反演137-143
• 6.3.2 地殼磁場反演143-144
• 6.3.3 內(nèi)外源磁場分離144-147
• 6.3.4 不同組網(wǎng)方案反演效能比較及結(jié)論147-148
• 6.4 本章小結(jié)148-150
• 第七章 總結(jié)與展望150-154
• 7.1 主要研究成果總結(jié)150-151
• 7.2 未來工作展望151-154
• 致謝154-156
• 參考文獻(xiàn)156-166
• 作者簡歷166-167

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本文編號：322021