块对角最小二乘方法在确定全球重力场模型中的应用

李新星,吴晓平,李姗姗,刘晓刚,崔志伟

1．信息工程大学地理空间信息学院,河南郑州 450001;2．西安测绘研究所,陕西西安 710054; 3．61206部队,北京 100042

块对角最小二乘方法在确定全球重力场模型中的应用

李新星1,吴晓平1,李姗姗1,刘晓刚2,崔志伟3

1．信息工程大学地理空间信息学院,河南郑州 450001;2．西安测绘研究所,陕西西安 710054; 3．61206部队,北京 100042

分析研究最小二乘求解重力场模型的6种位系数排列方式下的块对角形态及3种不同条件下的块对角近似:BD-1、BD-2、BD-3,探讨块对角最小二乘方法在联合早期卫星重力场模型和最新GRACE-only模型中的应用。试验结果表明,块对角最小二乘方法较之于积分方法,能更好地提高所恢复模型的精度,说明在卫星重力飞速发展、地面重力数据不断完善的今天,块对角最小二乘法在超高阶地球重力场模型构建方面的优势逐渐突出。

块对角矩阵;最小二乘;超高阶地球重力场模型;EGM2008;正交性

1 引 言

自1937年首次推出6阶地球重力位模型开始,经过70多年的发展,地球重力场模型已经发展到2160完全阶次。在模型的构建方法中,基于数值积分方法在对精度评估方面的缺陷,最小二乘方法已成为目前国际上构建重力场模型的主要方法。2008年NGA(US National Geospatial-Intelligence Agency)发布的目前精度最好的超高阶地球重力场模型EGM2008的解算采用最小二乘方法,在具有高质量重力数据的地区,EGM2008模型大地水准面与独立的GPS/水准数据之间差异小于±10 cm,其确定的垂线偏差相对于独立的天文大地垂线偏差的差异在±1．1″和±1．3″。我国由于全球数据的缺乏,目前所构建的超高阶地球重力场模型精度较差,且由于均采用数值积分方法,没有给出合适的精度评价。另外,随着卫星重力的不断发展,获得的卫星重力场模型不断精化超高阶地球重力场模型中低阶部分,最小二乘方法在联合地面重力数据和卫星重力场方面也起到了至关重要的作用。所以,要构建我国自己的高精度的超高阶全球重力场模型,一方面要获取全球高质量的重力数据,另一方面应当发展当前普遍使用的最小二乘方法[1-6]。

重力场模型构建过程中,由于观测方程中的未知量(模型位系数)太多,且观测值数量巨大,所以在构建法方程以及法方程求解过程中会遇到海量计算问题,直接求解是不可行的,而球谐函数的正交特性使得由观测方程得到的法方程矩阵是一稀疏矩阵,那么,通过对未知数的重新排列,获得具有块对角形式的法矩阵,这对于法方程的解算具有重要作用[7-8]。本文重点讨论了利用块对角最小二乘方法构建全球重力场模型以及联合卫星重力场模型的方法,并通过试验计算,与数值积分方法进行了相关比较。

2 基本原理

全球格网平均重力异常采用球谐分析求解地球重力场模型的基本观测方程为[9-17]

¯rij为第i行第j列格网平均重力异常的地心向径;λj表示第j列格网中点经度;(θiN、θis)表示第i行格网的北边界纬度与南边界纬度;a为正常椭球的长半径;Δ¯gcij为经过椭球改正、大气改正、二阶梯度项改正等归算后满足调和边值问题的地面格网平均重力异常值;¯C∗nm和¯Snm即为所求的一组重力场模型位系数。

将观测方程式(1)表示为最小二乘方法中的通用表达式

根据上述公式能够求得最终的位系数,然而对于利用全球5′×5′格网重力异常估计2159阶位系数(不包括C00),A矩阵大小为9 331 200× 4 665 596,法矩阵ATPA大小为4 665 596× 4 665 596,所以庞大的计算量目前是不可能完成的。顾及庞大的计算量,为了提高计算效率,有必要讨论法方程在地面重力异常数据满足以下条件时的一些特殊性质:

(1)数据分布于一旋转曲面上(例如旋转椭球面上)。

(2)格网数据覆盖整个曲面,且经度方向的分辨率一致。

(3)数据中误差与经度无关,即数据的权重不依赖于经度的大小。

(4)数据权重关于赤道对称,即纬度φ与－φ的格网数据精度相同。

显然,满足以上条件的权矩阵是个对角阵。根据式(1),矩阵A的各个元素由式(12)、式(13)表示

这里要注意区分变量r和¯rij,相应的U＝ATPLb的元素为

理想情况下,假设N×2N个重力异常分布于半径为a的球面上,且重力异常都有相同的标准差σ,那么权阵P＝σ2I,在不影响问题讨论下令σ＝1以简化推导,γ＝GM/a2,则式(16)可简化为

另外,全球格网数据分布是关于赤道对称的,满足θi＝π－θN－1－i,再根据缔合Legendre函数的特性,有

法矩阵在计算数据满足以上4个条件的情况下,呈稀疏矩阵,有助于提高计算效率。满足式(26)条件下,通过对法方程中的未知系数进行重新排序,生成具有较好的结构的块对角矩阵,这种块对角法矩阵称为第1类块对角近似BD-1 (block-diagonal-1)。文献[11]中给出了6种排列方式,表1简要描述了这6种排列方式。

表1 6种块对角系数排序方式Tab．1 6 kinds of block-diagonal coefficients sorting patterns

上述排列方法中,对Ⅴ排列方式进行进一步细化,区分n－m为奇数偶数的情况,例如,对于N＝6的排列,排列顺序记为C20、C40、C60、C30、C50、C21、C41、C61、C31、C51、S21、S41、S61、S31、S51、C22、C42、…。下面采用了全球8×16的格网平均重力异常计算N＝6情况下法矩阵N[]的情况,其中权矩阵P采用单位阵I,具体见图1,图中白色区域表示为0元素,黑色像素点为非零元素。

在实际计算过程中,数据经过空白区的填补和数据解析延拓等处理后能近似满足(1)、(2)条件,但是因为各个局部区域的测量精度都存在差异,所以一般情况下不满足(3)、(4)条件。所以当上述4个条件只有(4)条件不满足时,法矩阵

该块对角形式称为第2类近似块对角(BD-2)结构,第3类近似块对角结构(BD-3)结构的法矩阵

下面根据上述定义式计算Ⅴ排列下,3种近似块对角结构的法矩阵形式:

通过图2能够很清晰地看出,对于Ⅴ排列,重力异常数据满足上述条件越多,其法矩阵中非零元素越少,“块”越小,块对角形式越简单。说明在模型计算过程中,随着全球重力异常数据全球覆盖不断完善,分辨率和精度不断提高,法矩阵可近似为越来越简单的形式,便于模型的快速求解。

当模型位系数最大阶数为Nmax、采用Ⅴ排列情况下,3种BD结构的特点统计如表2所示。

表2 3种块对角近似的特点Tab．2 Characters of 3 kinds of block-diagonal approximate conditions

图1 6种系数排列方式下的法矩阵稀疏状态Fig．1 Sparse status of normal matrix in 6 kinds of sorting patterns

图2 3种近似条件下BD-1、SD-2、BD-3的法矩阵特点Fig．2 Normal matrix characters of BD-1,BD-2 and BD-3 in 3 kinds of approximate conditions

根据上述理论,相比数值积分方法,块对角最小二乘具有以下特点:①数值积分方法确定的每个系数彼此之间是相互独立的,而对于块对角最小二乘而言,即使使用的重力异常数据之间不相关,但确定的系数之间也是相关的;②数值积分方法不能对重力异常数据进行精度评估,块对角最小二乘方法可以;③使用30′×30′离散数据,根据Nyquist法则,数值积分方法能够恢复到360阶,而块对角最小二乘只能最大恢复到359阶。

3 块对角联合卫星重力场模型

大多数模型求解中均使用最小二乘方法联合卫星重力场模型得到最终的联合解。随着卫星重力场模型以及地面重力观测数据的不断完善,块对角方法在联合卫星重力场模型方面也在发生着变化。

根据卫星重力场模型及其误差协方差矩阵,能够完全再现计算该模型的法方程和对应的U,误差协方差矩阵的逆对应于法矩阵

同样根据地面数据,能够得到地面的法方程

如果使用简单的等权相加来联合上面两个法方程,即将卫星的法矩阵叠加到地面法矩阵上,就能够得到联合后的法方程

上式求得的未知数^x就是概念上的联合解,在实际解算过程中,必须考虑两种法方程联合中的权重分配问题,该问题本文暂不讨论。

3．1 早期卫星重力场模型的联合

在CHAMP(challenging mini-satellite payload)、GRACE(gravity recovery and climate experiment)等重力卫星发射之前,早期的卫星重力场模型是综合卫星轨道跟踪、卫星激光测距等手段求得的。文献[10]中计算分析了使用地面数据计算的法矩阵和卫星重力场模型的协方差矩阵(即法矩阵)中非块对角元素的大小及其影响,结果显示,在不损失结果精度的情况下,很难将当时的卫星重力场模型的法矩阵近似为上述任何3种块对角(BD)型,因此在前期模型构建过程中使用的卫星重力场模型协方差阵,没有稀疏特性,但因为其阶数较低,计算能够实现。另外,由于地面数据的精度和分布较差,所以地面观测数据的法矩阵采用块对角近似条件最弱的BD-3。

联合卫星重力场模型的计算过程中,使用了文献[10]中所谓的“falling kite”结构,见图3(d)。本文利用全球8×16格网数据模拟计算地面阶数Dmax＝6的法矩阵,并联合阶数Dsat＝4的卫星法矩阵。图3(a)是地面法矩阵BD-3结构,与之对应的卫星系数也按Ⅴ排列,则其占满的法矩阵的重新分布情况见图3(b)黑色部分,显然这种联合后的法矩阵会产生一个很大的“块”,几乎是整个法矩阵的大小,所以该排列形式不利于高效的计算。

图3 最小二乘中法矩阵的联合Fig．3 Combination of normal matrix in LS combination solution

为构造最小的“块”,将要求解的未知数Cnm、Snm分为3组:①n＞Dsat,m＞Dsat;②n＞Dsat, m≤Dsat;③n≤Dsat,m≤Dsat。每一组中的未知数都按之前的Ⅴ方式排列,得到的地面法矩阵的结构见图3(c),卫星法矩阵与地面联合的法矩阵见图3(d)。

对于“falling kite”结构的计算,采用分组方法,考虑到法矩阵为对称矩阵,将其按照图4分割为若干个小矩阵,其中G11和G22是“纯地面”的块对角阵,G23由非零元素的矩形块构成,与G22有相同的行分割,G33则是包含地面和卫星信息的对称矩阵。

图4 联合法方程矩阵求解示意图Fig．4 Sketch map of combination with normal matrix

根据式(32),^X1可单独利用块对角G11求解而不影响其他系数,剩下的部分为

上式系数矩阵G为对称矩阵,可对其进行Cholesky分解来快速稳定的计算。由于最终模型的协方差阵的计算非常复杂,故在实际解算过程中,只计算以下3个内容:①1系数的块对角协方差矩阵G;②2每个系数的方差;③3系数的满协方差矩阵[9]。

3．2 GRACE-only卫星重力场模型的联合

早期模型在联合过程中使用了“falling kite”结构的主要原因是因为在没有损失结果质量情况下很难将卫星模型系数的法方程近似为任何块对角型。而在最新超高阶重力场模型的联合中,因为使用的全球数据分辨率及精度高,全球分布较完善,所以在其求解过程中使用的是条件最严格的BD-1块对角近似,另外,随着重力卫星技术的不断发展,高精度的GRACE-only模型也可以获取。GRACE信息的误差特性允许其协方差矩阵采用块对角近似,因此,在联合过程中将GRACE-only模型的协方差矩阵近似为BD-1,与地面法方程叠加,而舍弃之前的BD-3结构和“falling kite”结构,在不损害结果质量下使得联合解算既简洁又高效。此外,由于椭球谐分析比球谐分析精度好,所以模型构建均采用椭球谐分析,而在球谐系数和椭球谐系数转换过程中,并没有改变法矩阵的块对角形式,这一点对于能够采用块对角方法来计算模型是至关重要的[18-20]。

将卫星重力场模型Dsat＝4的BD-1法矩阵结构叠加到地面数据确定的Dmax＝6的BD-1法矩阵上,对应U矩阵的叠加与N矩阵对应,见图5。

图5 GRACE-only法方程联合情况Fig．5 Sketch map of GRACE-only normal equation combination

根据图5,显然可以一次性联合解一个对角块,这样,对于2160阶次的超高阶地球重力场模型,所需要求逆的最大的对称矩阵是1080×1080规模的,这对于目前的计算水平来说并不算什么,这种近似相比于早期模型联合卫星模型,大大简化了平差难度。

4 试验计算分析

为验证块对角最小二乘在构建全球重力场模型的优势及其实用性,本文使用3．2 GHz主频、2 GB内存计算机,基于vs2008试验平台,进行模拟计算。使用块对角方法计算模型过程中,矩阵A最大,计算ATPA最耗时间,当计算一个2160阶的超高阶地球重力场模型,计算法矩阵中最大的“块”所使用的A的大小为(2160－1)(2160＋3)×1080,开辟该数组需要至少37．6 GB内存,所以基于硬件限制,本文模拟计算360阶模型。首先使用EGM2008模型截至360阶的模型系数模拟生成全球30′×30′格网平均重力异常,因为对于30′×30′分辨率数据,最小二乘方法只能恢复到359阶,所以使用模拟生成的格网平均重力异常采用数值积分以及块对角最小二乘两种方法恢复EGM2008模型前359阶位系数,结果比对见图6。

图6 模型恢复误差的比较Fig．6 Comparison of error of recovered model

图6中通过统计恢复系数与EGM2008系数差的绝对值的自然对数,获得数值积分方法和块对角最小二乘方法恢复模型位系数的精度情况。图6中明显看出块对角最小二乘方法恢复的模型整体精度比数值积分方法高出10个数量级,唯独在偶阶带谐项C2k,0有较大误差。

由基本原理可知,数值积分方法求解的位系数之间是相互独立的,而块对角最小二乘方法求得的位系数是相关的,因此在使用块对角最小二乘方法求解模型位系数过程中,必须根据Nyquist法则对重力异常数据的频谱能量进行限制,即无论使用多大分辨率数据恢复n阶位系数,每一离散数据中必须只包含0～n阶系数的贡献。下面以30′×30′格网平均重力异常恢复240阶位系数为例,进行分析计算。

首先使用EGM2008模型截至360阶的模型系数模拟生成全球30′×30′格网平均重力异常Δ0～360,采用数值积分方法恢复0～360阶模型位系数,利用恢复系数中的241～360阶计算包含241～360阶频谱能量的30′×30′格网平均重力计算包含0～240阶频谱能量的30′×30′格网平均重力异常,利用该30′×30′格网重力异常Δ0～240,采用块对角最小二乘方法恢复0～240阶模型系数。使用EGM2008作为标准模型,计算两种方法恢复的360阶和240阶模型系数的误差阶RMS并进行比较,比较结果见图7,其计算公式为

图7 误差阶RMS比较Fig．7 Comparison of error degree RMS

由图7可看出,无论恢复359阶还是240阶模型位系数,块对角最小二乘方法恢复模型系数的误差阶RMS明显小于使用数值积分方法恢复的模型系数。其中块对角恢复的359阶位系数的误差阶RMS曲线分为两条,上面的是偶数阶,下面是奇数阶,其之间的差异由偶阶带谐项C2k,0的计算误差引起的,而恢复的240阶系数由于奇阶和偶阶系数之间的相关性发生频谱叠效应,所以误差阶RMS曲线为一条。通过图7比较分析可知,块对角最小二乘相比数值积分方法,能够更好地恢复模型,再加上其联合卫星重力场模型简洁高效的特点,越来越凸显其在模型构建中的优势。

5 结 论

相比于数值积分方法,基于块对角最小二乘构建的全球重力场模型的优势主要体现在:①联合中低阶卫星重力场模型更加简洁高效;②能够给出所构建的全球重力场模型每阶位系数的精度评价,相比中低阶部分采用最小二乘平差方法、高阶部分采用数值积分方法构建的模型,块对角最小二乘方法避免了误差谱曲线在计算方法变化的阶数部分不连续的现象;③模型恢复的精度更高。基于以上优势,加上目前的计算能力已经能够满足使用块对角最小二乘方法求解2160阶超高阶地球重力场模型,因此,有必要进一步加强块对角最小二乘方法计算模型方面的研究,这对于我国构建自主高精度超高阶地球重力场模型,提高我国区域大地水准面的精度具有重要作用。

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(责任编辑:陈品馨)

The Application of Block-diagonal Least-squares Methods in Geopotential Model Determination

LI Xinxing1,WU Xiaoping1,LI Shanshan1,LIU Xiaogang2,CUI Zhiwei3
1．Institute of Geospatial Information,Information Engineering University,Zhengzhou 450001,China;2．Xi’an Research Institute of Surveying and Mapping,Xi’an 710054,China;3．61206 Troops,Beijing 100042,China

Six kinds of permutations of spherical harmonic coefficients and their block diagonal form of corresponding normal matrixes were studied as well as three kinds of approximation BDs:BD-1,BD-2,BD-3．The application of block-diagonal least-squares methods in geopotential model determination was analyzed and its advantage to quadrature formulas was showed by a simulated calculation．It illustrates that,with the global terrestrial gravity data and the satellite gravity field model whose accuracy is being improved continuously,block-diagonal least-squares methods are playing an increasingly important role in the calculation of the ultra-high-degree gravity field model．

block-diagonal;least-squares;ultra-high-degree geopotential model;EGM2008;orthogonality

LI Xinxing(1988—),male,master,majors in physical geodesy．

P223

A

1001-1595(2014)08-0778-08

国家自然科学基金(41274029;41304022);国家高技术研究发展专项(2013AA122502)

2013-12-06

李新星(1988—),男,硕士,主要从事物理大地测量研究。

E-mail:minibad＠126．com

LI Xinxing,WU Xiaoping,LI Shanshan,et al．The Application of Block-diagonal Least-squares Methods in Geopotential Model Determination[J]．Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2014,43(8):778-785．(李新星,吴晓平,李姗姗,等．块对角最小二乘方法在确定全球重力场模型中的应用[J]．测绘学报,2014,43(8):778-785．)

10．13485/j．cnki．11-2089．2014．0110

修回日期:2014-04-21