Новые методы построения моделей геопотенциала на основе спутниковых и наземных данных тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.01 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ

ГРАВИТАЦИОННОГО ПОТЕНЦИАЛА ЗЕМЛИ.

ГЛАВА 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ РАЗЛОЖЕНИЯ

ГЕОПОТЕНЦИАЛА ПО СФЕРИЧЕСКИМ ГАРМОНИКАМ НА ОСНОВЕ ЕГО РАЗЛОЖЕНИЯ

ПО ЭЛЛИПСОИДАЛЬНЫМ ГАРМОНИКАМ.

2.1 ВВЕДЕНИЕ.

2.2 УПРОЩЕНИЕ СООТНОШЕНИЙ МЕЖДУ ЭЛЛИПСОИДАЛЬНЫМИ И СФЕРИЧЕСКИМИ ГАРМОНИЧЕСКИМИ КОЭФФИЦИЕНТАМИ ГЕОПОТЕНЦИАЛА.

2.3 УСКОРЕНИЕ СХОДИМОСТИ ГИПЕРГЕОМЕТРИЧЕСКИХ РЯДОВ.

2.4 ЧИСЛЕННЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО УСТАНОВЛЕНИЮ ЭФФЕКТИВНОСТИ НОВЫХ ФОРМУЛ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ.

ГЛАВА 3. ЧИСЛЕННАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДИКИ ПОСТРОЕНИЯ МОДЕЛЕЙ ГЕОПОТЕНЦИАЛА НА ОСНОВЕ ИЗМЕРЕНИЙ СИЛЫ ТЯЖЕСТИ НА ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ.

3.1 ВВЕДЕНИЕ.

3.2 АНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ ГЕОПОТЕНЦИАЛА НА ОСНОВЕ ГРАБИМЕТРИЧЕСКИХ ДАННЫХ.

3.3 НОВЫЙ ИТЕРАЦИОННЫЙ МЕТОД ПОСТРОЕНИЯ МОДЕЛЕЙ ГЕОПОТЕНЦИАЛА.

3.4 ЧИСЛЕННАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ НОВОГО ИТЕРАЦИОННОГО МЕТОДА ПОСТРОЕНИЯ МОДЕЛЕЙ ГЕОПОТЕНЦИАЛА И ИССЛЕДОВАНИЕ

ЕГО ЭФФЕКТИВНОСТИ.

4.2 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ И.59

4.3 ВЫВОД ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ СООТНОШЕНИЙ.62

4.4 АНАЛИЗ СПЕКТРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ВЕЛИЧИН, ИЗМЕРЯЕМЫХ МИССИЕЙ "GOCE", ПОСТРОЕННЫХ

ПО МОДЕЛИ EGM96.70

4.5 ЗАКЛЮЧЕНИЕ.84

4.6 ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ КОНСТАНТЫ.84

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.87

ЛИТЕРАТУРА.89

ВВЕДЕНИЕ

Изучение свойств гравитационного потенциала Земли и повышение точности его аппроксимации играют важную роль при решении широкого круга задач в различных областях науки. Результаты таких исследований лежат в основе программ запусков искусственных спутников Земли и построения теорий их движения. Они используются при разработке межпланетных космических программ, моделировании геодинамических процессов и внутренней структуры Земли, в океанографии, исследовании природных ресурсов, в морской и авиационной навигации, при решении оборонных задач. Высокоточное моделирование фигуры Земли (геоида) необходимо для построения национальной системы координат и ее увязке с глобальной координатной сетью.

Модель геопотенциала представляет собой набор геодинамических констант - коэффициентов разложения потенциала Земли в ряд шаровых функций, называемых стоксовыми постоянными, а их совокупность называется спектром геопотенциала. В настоящее время стоксовы постоянные определяются из совместной обработки гравиметрических измерений на поверхности Земли, геофизических данных и различного рода спутниковых измерений. В качестве последних используются данные спутникового слежения и спутниковой альтиметрии, лазерной локации, доплеровские измерения. Особое внимание в предстоящем десятилетии будет уделено наиболее перспективному новому виду наблюдений - спутниковой градиенгометрии, которая позволит улучшить на порядок точность и разрешающую способность моделей фигуры и гравитационного поля Земли.

Существующие методы построения моделей гравитационного потенциала Земли нуждаются в усовершенствовании ввиду появления новых видов наблюдательных данных, обширности всего комплекса данных и повышения требований к точности аппроксимации геопотенциала.

Целями настоящей работы являются:

1. Усовершенствование существующих методов построения моделей гравитационного поля Земли по измерениям силы тяжести на ее поверхности. Численная реализация этих методов.

2. Разработка простого метода построения моделей геопотенциала по данным будущих спутниковых градиентометрических миссий. Численная реализация этого метода.

Научная новизна работы'.

1. Существенно упрощена методика определения коэффициентов разложения геопотенциала по сферическим гармоникам на основе его разложения по эллипсоидальным гармоникам.

2. Усовершенствован метод построения моделей геопотенциала по данным о силе тяжести на поверхности Земли.

3. Впервые разработан простой аналитический метод построения моделей геопотенциала на основе измерений шести компонент градиента силы тяжести в предстоящих международных спутниковых миссиях.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Усовершенствованная методика применения ряда по эллипсоидальным гармоникам для вычисления коэффициентов разложения потенциала Земли в ряд сферических функций позволяет существенно ускорить вычисления и повысить точность моделей геопотенциала.

2. Усовершенствованный метод определения коэффициентов разложения геопотенциала по сферическим функциям на основе измерений силы тяжести на поверхности Земли позволяет существенно повысить точность гармоник геопотенциала в высокочастотной части спектра.

3. Разработанный простой аналитический метод определения коэффициентов гармоник геопотенциала по данным будущих спутниковых градиентометрических миссий не имеет аналогов и удобен для практических приложений. Он легко реализуем на обычных персональных компьютерах. Единственной альтернативой этому методу являются громоздкие численные методы (варианты метода наименьших квадратов), которые вряд ли будут практически реализованы даже на суперкомпьютерах, поскольку число наблюдений будет порядка 100 миллионов, а число определяемых параметров - порядка 90 ООО.

На защиту выносятся:

1. Усовершенствованный . метод определения коэффициентов сферических гармоник геопотенциала по известным коэффициентам эллипсоидальных гармоник, позволяющий ускорить вычисления и повысить их точность.

2. Усовершенствованный метод построения моделей гравитационного потенциала Земли на основе гравиметрических данных на поверхности Земли, который существенно повышает точность коэффициентов гармоник в высокочастотной части спектра геопотенциала.

3. Разработанный простой аналитический метод построения высокоточных моделей геопотенциала на основе наблюдательных данных о компонентах градиента силы тяжести, которые будут измеряться в предстоящих международных спутниковых миссиях.

Апробация работы и публикации:

Основные результаты работы докладывались и получили положительные отзывы на международных конференциях:

1. XXII Генеральная Ассамблея Международного Союза Геодезии и Геофизики (Бирмингем, Англия, 19-30 июля 1999).

2. Конференция: "Астрометрия, геодинамика и небесная механика на пороге XXI века". "Общие вопросы координатно-временного обеспечения" (ИПА РАН, С.-Петербург, 19-23 июня 2000).

3. Научная Ассамблея Комиссии по Космическим Исследованиям -COSPAR (Варшава, Польша, 16-23 июля 2000).

4. Научная Ассамблея Международной Ассоциации Геодезии. Симпозиум: "Прогресс в области численных методов и теории аппроксимации" (Будапешт, Венгрия, 2-9 сентября 2001).

5. Симпозиум по математической геодезии (Матера, Италия, 17-21 июня 2002).

6. Совещание Международной Комиссии по гравитации и геоиду (Салоники, Греция, 26-30 августа 2002).

7. Конференция "Небесная механика - 2002: Результаты и перспективы" (ИПА РАН, Санкт-Петербург, 10-14 сентября 2002).

Всего по теме диссертации опубликовано 12 работ. В них изложены основные результаты, выносимые на защиту.

Структура и объем диссертационной работы :

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 30 наименований. Она содержит 92 страницы текста, 19 иллюстраций и 5 таблиц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, в диссертации получены следующие результаты.

1. Известно, что ряд по эллипсоидальным гармоникам имеет большую область сходимости (вне внешнего эллипсоида), чем ряд сферических функций (вне внешней сферы) для гравитационного потенциала Земли. Поэтому целесообразно (теоретически) сначала строить разложение геопотенциала по эллипсоидальным гармоникам, а затем, после усечения этого ряда, преобразовывать его в усеченный ряд сферических функций. В существовавшую ранее такую методику, автором которой является Jekeli [16], в диссертации внесен ряд существенных изменений - для повышения ее эффективности. Упрощены соотношения между коэффициентами эллипсоидальных гармоник Септ и искомыми коэффициентами сферических гармоник

Сп геопотенциала. Основное же усовершенствование состоит в ускорении сходимости гипергеометрических рядов, входящих в упомянутые соотношения. Как показали численные эксперименты, тем самым достигается сокращение времени вычислений и повышение точности аппроксимации С .

2. Внесено усовершенствование в методику М.С. Петровской [22] построения моделей геопотенциала (вычисления Спт) на основе данных о силе тяжести на поверхности Земли (аномалиях силы тяжести Дд). В диссертации этот метод модифицирован, а именно: в соотношение между спектральными коэффициентами Ад и коэффициентами геопотенциала С добавлены члены более высокого порядка относительно сжатия Земли. На основе данных о Ад, предоставленных NASA, вычислены С . Аналогичные вычисления были проведены в отношении решения задачи стандартным методом [13], [14], на основе которого строилась модель геопотенциала OSU86 и более ранние модели. Оба решения сравнивались с более точным (но намного более сложным) решением Jekeli - с использованием промежуточного ряда по эллипсоидальным гармоникам. Как показало сравнение результатов, метод, разработанный в диссертации, дает решение для Сп>от, близкое к эталонному" решению Jekeli, в противоположность стандартному решению. Разработанная методика рекомендуется для построения будущих моделей геопотенциала.

3. Основными являются результаты Главы 4. Впервые разработан простой аналитический метод построения моделей геопотенциала по данным будущих спутниковых градиентометрических миссий. Выведены простые фундаментальные соотношения между спектральными коэффициентами измеряемых величин (вторых производных от геопотенциала в подвижной системе координат, связанной со спутником) и коэффициентами С геопотенциала. Разработана методика разрешения этих соотношений относительно Сп т. Для реализации этого метода достаточно иметь персональный компьютер Pentium III, причем вычисления занимают лишь от нескольких секунд до нескольких минут.

Проведен большой комплекс вычислений по исследованию различных спектральных характеристик шести вторых производных от геопотенциала для высоты спутника 250 км, соответствующей орбите в миссии "GOCE". Впервые обнаружен ряд особенностей и закономерностей в спектрах этих производных, которые характеризуют внутреннюю структуру Земли в ее различных областях и могут представлять большой интерес для детального изучения различных свойств гравитационного поля Земли.

Разработанная методика может быть далее развита в отношении производных третьего и более высоких порядков от геопотенциала.

Теоретические результаты этой главы без изменений могут быть применены для изучения с помощью спутников гравитационных полей других больших планет и Луны.

1. Субботин, M.B. (1949) Курс небесной механики. Т. 3, М.: Гостех-издат, 280 с.

2. Дубошин, Г.Н. (1961) Теория притяжения. Физ.-мат. лит., Москва, 288 с.

3. Антонов, В.А., Е.И. Тимошкова и КВ. Холшевников (1988) Введение в теорию ньютоновского потенциала. Наука, Москва.

4. Петровская, М.С. (1986а) Улучшение сходимости разложения потенциала планеты. Общие принципы. Астрономический журнал, т.63, вып.2, стр. 356 364.

5. Петровская, М.С. (1986b) Улучшение сходимости разложения потенциала планеты. Использование ряда по полиномам Чебышева. Астрономический журнал, т.63, вып.4, стр. 791 799.

6. Петровская, М.С. (1987а) Улучшение сходимости разложения потенциала планеты. Радиальная производная от потенциала и аномалии силы тяжести. Астрономический журнал, т.64, вып.2, стр. 410-416.

7. Петровская, М.С. (1987b) Улучшение сходимости разложения потенциала планеты. Метод экономизации степенного ряда. Астрономический журнал, т.64, вып. 3., стр. 639 — 646.

8. Молоденский, М.С., В.Ф. Еремеев и М.И. Юркина (1960) Методы изучения внешнего гравитационного поля и фигуры Земли. Труды центр.научн.-исслед. ин-та геодезии, аэросъемки и картографии, вып. 131, 251 с.

9. Бровар, В.В. (1963) О решениях краевой задачи Молоденского. Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка, вып. 4, стр. 129-137.

10. Бровар, В.В. (1964) Фундаментальные гармонические функции с особенностью на отрезке и решение внешних краевых задач. Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка, вып. 3, стр. 51—61.

11. Heiskanen, W.A. and Н. Moritz (1979) Physical Geodesy. Inst, of Physical Geodesy, Technical Univ., Graz, Austria.

12. Rapp, R.H. and J.Y. Cruz (1986a) The representation of the earth's gravitational potential in a spherical harmonic expansion to degree 250. Dept. Geod Sci., Ohio State Univ., Rep. 372.

13. Rapp, R.H. and J.Y. Cruz (1986b) Spherical harmonic expansions of the earth's gravitational potential to degree 360 using 30' mean anomalies. Dept. Geod Sci.and Surv., Ohio State Univ., Rep. 376.

14. Jekeli, C. (1981) The downward continuation to the earth's surface of truncated spherical and ellipsoidal harmonic series of the gravity and height anomalies. Rep. 323, Dept. of Geod. Sci. and Surv., Ohio State Univ. Columbus, Ohio.

15. Jekeli, C. (1988) The exact transformation between ellipsoidal and spherical harmonic expansions. Manuscripta Geodaetica, Vol. 13, No. 2, pp. 106-113.

16. Rapp, R.H. and N.K. Pavlis (1990) The development and analysis of geopotential coefficient models to spherical harmonic degree 360. Journal of Geophysical Research, Vol. 95, В13, pp. 21885-21911.

17. Rapp, R.H., Y.M. Wang and N.K. Pavlis (1991) The Ohio State 1991 Geopotential and sea surface topography Harmonic coefficient models. Rep. 410, Dept. of Geod. Sci. and Surveying, Ohio State Univ. Columbus, Ohio.

18. Bateman, H. and A. Erdelyi (1953) Higher Transcendental Functions. Vol. 1. Mc Graw-Hill Company, New York.

19. Pellinen, L.P. (1982) Effects of the earth's ellipticity on solving geodetic boundary value problem. Bollettino di Geodesia Scienze Affini, Vol. 41, No. l,pp. 89- 103.

20. Cruz, J.Y. (1986) Ellipsoidal corrections to potential coefficients obtained from gravity anomaly data on the ellipsoid. Dept. Geod. Sci. and Surv., Ohio State Univ., Rep. 371.

21. Pavlis, N.K. (1988) Modeling and estimation of low degree geopotential model from terrestrial gravity data. Dept. of Geod. Sci. and Surv., Ohio State Univ. Columbus, Ohio, Rep. 386.

22. Moritz, H. (1980) Advanced physical geodesy. H. Wichmann Verlag Karlsruhe.

23. Rummel, R., and M. Van Gelderen, (1992) Spectral analysis of the full gravity gradient tensor, Geophysical Journal, 111, pp. 159 169.

24. Koop, R. (1993) Global gravity field modeling using satellite gravity gradiometry, (1993) Netherlands Geodetic Commission, Publications on Geodesy, New Series, Delft, Netherlands, No. 38.

25. Ilk, K.H. (1983) Ein Beitrag zur Dynamik ausgedehnter Korper -Gravitationsweschelwirkung Deutsche Geodatische Kommission der Bayerischeen Akademie der Wissenschaften, Reihe C, Heft No. 288F