[發明專利]基于海底地形三維優化原理提高海洋重力場插值精度方法

在審

• 申請號: 202010900003.6
• 申請日: 2020-08-31
• 公開（公告）號: CN112229404A
• 公開（公告）日: 2021-01-15
• 發明（設計）人: 鄭偉;李釗偉;王彤;吳凡
• 申請（專利權）人: 中國空間技術研究院
• 主分類號: G01C21/20
• 分類號: G01C21/20;G01V7/00;G06T17/00
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 臧春喜

本發明公開了一種基于海底地形三維優化原理提高海洋重力場插值精度方法，包括：獲取海底地形數據和全球重力場模型；根據獲取的海底地形數據和全球重力場模型，構建得到三維海洋重力異常模型；對三維海洋重力異常模型進行插值解算，得到大地水準面三維修正模型；根據大地水準面三維修正模型，確定預測區域內未知點處重力異常值，得到高精度高空間分辨率海洋重力異常圖。本發明將海底地形引入普通二維克里金公式，構建了新型海底地形三維優化法，在提高全球海洋重力異常圖空間分辨率的同時使其精度損失最小化，插值精度高、計算速度快，為提高潛艇重力匹配導航精度提供了有效依據。

技術領域

本發明屬于海洋重力學、水下導航學等交叉技術領域，尤其涉及一種基于海底地形三維優化原理提高海洋重力場插值精度方法。

背景技術

潛艇在水下航行一般依靠慣性導航系統進行導航，慣性導航系統的重要組成元件是陀螺儀和加速度計，這些敏感元件測得的加速度通過對時間進行積分后可以得到速度、偏航角、位置等信息。積分過程中誤差隨時間累積增大，潛艇長期在水下運行時導航精度將逐漸降低。針對慣性導航系統的缺點，許多學者提出將重力匹配等無源導航方法與慣性導航系統組合起來，對慣性導航進行修正。水下重力匹配慣性導航系統包括慣性導航系統、重力實時測量系統、海洋重力場異常圖、重力匹配定位算法四個組成模塊，水下重力匹配技術實現的核心問題是構建全球高精度和高空間分辨率的海洋重力異常圖。

測高/重力衛星、船測、航空等是獲得全球海洋重力場信息的主要技術途徑，全球高精度和高空間分辨率的海洋重力異常圖能有效提高水下重力匹配導航精度。目前，我國的全球海洋重力異常圖空間分辨率較低，現有全球海洋重力異常圖空間分辨率無法滿足全球高精度水下重力匹配導航的需求，因此需要在一定程度上對其進行插值加密。由于海洋重力異常圖空間分辨率和精度成反比關系(隨著空間分辨率提高，精度將降低)。因此，為了尋求空間分辨率與精度的平衡，使其均滿足高精度水下重力匹配導航，如何提出一種在提高空間分辨率的同時，使其精度損失最小化的插值方法亦是此領域的研究熱點。

目前，常見的海洋重力場異常圖插值法包括：距離平方反比方法、徑向基函數法、Shepard方法、克里金方法等。2009年，Sarzeaud等提出基于改進的Kohonen人工神經網絡插值方法插值海洋重力數據，得出精度與克里金方法相近，并且計算時間較短。2010年，李姍姍等基于地球物理場連續性將孔斯曲面引入導航海洋重力異常圖重構中，表明基于孔斯曲面的新方法進行海洋重力異常圖重構的布格重力異常值比直接建模精度提高25％。2016年，吳懌昊等基于球冠體積分的廣義殘差地形模型結合泊松小波徑向基函數，并融合多源實測重力數據構建了局部區域重力場模型。2016年，馬志偉等使用Abel-Poisson核將重力場表示成有限個徑向基函數線性求和的形式，構建了局部重力場模型，并有效避免了球諧函數收斂慢的問題。2017年，Mardla等提出將重力值轉化為重力異常值，然后通過曲率連續樣條函數、光滑粒子法、最小二乘配置法和克里金插值四種方法對重力異常值進行插值后能夠獲得高質量的海洋重力異常圖。2017年，Alessandra和Emma構造了基于徑向基函數，采用局部干預插值技術，并模擬驗證了該算法對重構加密海洋重力基準圖的有效性。2019年，Xu等提出基于非等步長傅里葉變換應用稀疏矩陣分析和迭代冷卻閾值法的重力場重建方法，與克里金和最小曲率方法比較具有較好重構效果。

發明內容

本發明的技術解決問題：克服現有技術的不足，提供一種基于海底地形三維優化原理提高海洋重力場插值精度方法，在提高全球海洋重力異常圖空間分辨率的同時使其精度損失最小化，插值精度高、計算速度快。

為了解決上述技術問題，本發明公開一種基于海底地形三維優化原理提高海洋重力場插值精度方法，包括：

獲取海底地形數據和全球重力場模型；

根據獲取的海底地形數據和全球重力場模型，構建得到三維海洋重力異常模型；

對三維海洋重力異常模型進行插值解算，得到大地水準面三維修正模型；