7-final code 5140 - دانشگاه تهران

15
دوره ﻓﻀﺎ، و زﻣﻴﻦ ﻓﻴﺰﻳﻚ ﻣﺠﻠﺔ38 ﺷﻤﺎره، 4 ، 1391 ﺻﻔﺤﺔ، 89 - 103 روش ﺗﺄﺛﻴﺮ ﻣﺸﺘﻖ ﮔﻮﻧﺎﮔﻮن ﻫﺎي روش ﺑﻪ ﺟﺎذﺑﻪ ﻣﻴﺪان ﺑﺎزﻳﺎﺑﻲ در ﻋﺪدي ﮔﻴﺮي اﻧﺮژي اﻧﺘﮕﺮال ﺧﺎدﻣﻲ ﻣﻬﺮوز1 * ﻋﻠﻤﺪاري ﻧﺠﻔﻲ ﻣﻬﺪي، 2 ﺷﺮﻳﻔﻲ ﻣﺤﻤﺪﻋﻠﻲ و3 1 ﻧﻘﺸﻪ ﻣﻬﻨﺪﺳﻲ ﮔﺮوه ژﺋﻮدزي، ارﺷﺪ ﻛﺎرﺷﻨﺎس ﻧﻘﺸﻪ داﻧﺸﻜﺪه ﺑﺮداري، اﻳﺮان ﺗﻬﺮان، ﻃﻮﺳﻲ، ﻧﺼﻴﺮاﻟﺪﻳﻦ ﺧﻮاﺟﻪ ﺻﻨﻌﺘﻲ داﻧﺸﮕﺎه ﺑﺮداري،2 داﻧﺸﻴﺎر، ﻧﻘﺸﻪ ﻣﻬﻨﺪﺳﻲ ﮔﺮوه ﻧﻘﺸﻪ داﻧﺸﻜﺪه ﺑﺮداري، اﻳﺮان ﺗﻬﺮان، ﻃﻮﺳﻲ، ﻧﺼﻴﺮاﻟﺪﻳﻦ ﺧﻮاﺟﻪ ﺻﻨﻌﺘﻲ داﻧﺸﮕﺎه ﺑﺮداري،3 ﻧﻘﺸﻪ ﻣﻬﻨﺪﺳﻲ ﮔﺮوه اﺳﺘﺎدﻳﺎر، داﻧﺸﻜﺪه ﭘﺮدﻳﺲ ﺑﺮداري، اﻳﺮان ﺗﻬﺮان، داﻧﺸﮕﺎه ﻓﻨﻲ، ﻫﺎي) درﻳﺎﻓﺖ: 9 / 6 / 89 ﻧﻬﺎﻳﻲ ﭘﺬﻳﺮش، : 18 / 7 / 91 ( ﭼﻜﻴﺪه ﺑﻪ ﺟﻬﺎﻧﻲ ﻣﻘﻴﺎس در زﻣﻴﻦ ﺟﺎذﺑﻪ ﻣﻴﺪان ﺑﺎزﻳﺎﺑﻲ ﻣﺎﻫﻮاره ﻣﺸﺎﻫﺪات از اﺳﺘﻔﺎده ﺑﺎ ﻛﺮوي ﻫﻤﺎﻫﻨﮓ ﺿﺮاﻳﺐ ﺻﻮرت اﺧﺘﺼﺎﺻﻲ ﻫﺎي ﮔﺮاﻧﻲ ﺳﻨﺠﻲ، روش ﺑﻪ ﻣﻲ ﺻﻮرت ﮔﻮﻧﺎﮔﻮﻧﻲ ﺎي ﮔﻴﺮد. اﺳﺖ ﺷﺪه اﺳﺘﻔﺎده اﻧﺮژي اﻧﺘﮕﺮال روش از ﺑﺎزﻳﺎﺑﻲ، ﺑﺮاي ﻣﻘﺎﻟﻪ اﻳﻦ در. اﻳﻦ در روش از اﺳﺘﻔﺎده ﺑﺎ ﺟﺎذﺑﻪ ﻣﻴﺪان ﺑﺎزﻳﺎﺑﻲ ﺑﺮاي ﻣﺎﻫﻮاره ﺑﺮدارﺳﺮﻋﺖ ﻣﺤﺎﺳﺒﻪ روش، ﻣﺸﺘﻖ ﻫﺎي اﺳﺖ ﺿﺮوري ﻋﺪدي ﮔﻴﺮي. روش ﻫﺎي ﻣﺸﺘﻖ ﻣﺸ ﻣﺤﺎﺳﺒﻪ ﺑﺮاي ﺗﻴﻠﻮر و اﺳﭙﻼﻳﻦ ﻧﻴﻮﺗﻦ، ﮔﻴﺮي ﺘﻘﺎت) ﺳﺮﻋﺖ ﺑﺮدار( ﺑﻪ ﺷﺪه ﮔﺮﻓﺘﻪ ﻛﺎر اﻧﺪ. ﺷﺒﻴﻪ دﻳﻨﺎﻣﻴﻜﻲ ﻣﺸﺎﻫﺪات ﺷﺪه ﺳﺎزي ﻣﺎﻫﻮارهGRACE ژﺋﻮﭘﺘﺎﻧﺴﻴﻠﻲ ﻣﺪل از ﻣﺘﺄﺛﺮ ﻣﻴﺪان درEGM96 ﮔﺮﻓﺘﻪ ﻗﺮار اﺳﺘﻔﺎده ﻣﻮرد روش از اﺳﺘﻔﺎده ﺑﺎ و اﻧﺪ ﭘﻴﺶ ﻫﺎي ﮔﻔﺘﻪ ﻣﺮﺗﺒﻪ و درﺟﻪ ﺗﺎ ژﺋﻮﭘﺘﺎﻧﺴﻴﻠﻲ ﺿﺮاﻳﺐ70 ﺷﺪه ﺑﺎزﻳﺎﺑﻲ اﻧﺪ. روش در ﻧﻴﺰ اﺷﺘﺒﺎه ﺑﻪ آﻟﻮده ﻣﺸﺎﻫﺪات ﺗﺄﺛﻴﺮ ﻫﻤﭽﻨﻴﻦ ﻣﺸﺘﻖ ﻫﺎي ﺑﺮرﺳﻲ ﮔﻴﺮي ﺷﺪه اﻧﺪ. در ﺑﻪ ﻧﺘﺎﻳﺞ ﻧﻬﺎﻳﺖ ارﺗﻔﺎع اﺧﺘﻼف ﺻﻮرت و ژﺋﻮﺋﻴﺪ ﻫﺎيdegree variance ﻣﺪل ﺿﺮاﻳﺐ ﺑﻪ ﻧﺴﺒﺖEGM96 داده ﻧﻤﺎﻳﺶ اﺳﺖ ﺷﺪه. داد ﻧﺸﺎن را دﻗﺖ ﺑﻴﺸﺘﺮﻳﻦ ﻧﻴﻮﺗﻦ روش اﻧﺮژي، اﻧﺘﮕﺮال روش ﺑﻪ ﺟﺎذﺑﻪ ﻣﻴﺪان ﺑﺎزﻳﺎﺑﻲ در. واژه ﻛﻠﻴﺪي ﻫﺎي: ﻣﺎﻫﻮاره اﻧﺮژي، اﻧﺘﮕﺮال روش ﺟﺎذﺑﻪ، ﻣﻴﺪان ﺑﺎزﻳﺎﺑﻲGRACE ﻣﺸﺘﻖ، ﻋﺪدي ﮔﻴﺮيThe effect of numerical differentiation methods on the earth’s gravity field recovery Khademi, M. 1 , Najafi Alamdari, M. 2 and Sharifi, M. A. 3 1 M.Sc. in Geodesy, Surveying and Geomatics Engineering Department, Faculty Engineering, K.N.Toosi University of Technology, Iran 2 Associate Professor, Surveying and Geomatics Engineering Department, Faculty Engineering, K.N.Toosi University of Technology, Iran 3 Assistant Professor, Surveying and Geomatics Engineering Department, Faculty Engineering, University of Tehran, Iran (Received: 31 Aug 2010, Accepted: 09 Oct 2012) Abstract The recent dedicated satellite gravimetry missions have provided huge amount of high quality gravity data with global coverage. From computational point of view, estimation of the unknown gravity field parameters is a highly demanding task due to the sheer number of observations and the unknown coefficients. Different computational schemes have been proposed to tackle the problem. Since the early days of satellite geodesy, energy balance based methods for gravity field determination have been considered. If non-conservative forces are known the Hamiltonian along the orbit will be a constant function of the motion. Thus the gravity field can be determined if position and velocity * راﺑﻂ ﻧﮕﺎرﻧﺪه: ﺗﻠﻔﻦ: 09125389144 دورﻧﮕﺎر: 65632278 - 021 [email protected] E-mail:

Upload: others

Post on 27-Apr-2022

3 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: 7-final code 5140 - دانشگاه تهران

103 -89، صفحة 1391، 4، شماره 38مجلة فيزيك زمين و فضا، دوره

گيري عددي در بازيابي ميدان جاذبه به روش هاي گوناگون مشتق تأثير روش انتگرال انرژي

3و محمدعلي شريفي 2، مهدي نجفي علمداري*1مهروز خادمي

برداري، دانشگاه صنعتي خواجه نصيرالدين طوسي، تهران، ايران برداري، دانشكده نقشه كارشناس ارشد ژئودزي، گروه مهندسي نقشه 1

برداري، دانشگاه صنعتي خواجه نصيرالدين طوسي، تهران، ايران برداري، دانشكده نقشه گروه مهندسي نقشه دانشيار، 2 هاي فني، دانشگاه تهران، ايران برداري، پرديس دانشكده استاديار، گروه مهندسي نقشه 3

)18/7/91: ، پذيرش نهايي9/6/89: دريافت(

چكيده

هاي اختصاصي صورت ضرايب هماهنگ كروي با استفاده از مشاهدات ماهواره بازيابي ميدان جاذبه زمين در مقياس جهاني بهدر اين . در اين مقاله براي بازيابي، از روش انتگرال انرژي استفاده شده است. گيرد اي گوناگوني صورت ميه به روش سنجي، گراني

هاي روش. گيري عددي ضروري است هاي مشتق روش، محاسبه بردارسرعت ماهواره براي بازيابي ميدان جاذبه با استفاده از روشسازي شده مشاهدات ديناميكي شبيه. اند كار گرفته شده به) بردار سرعت(تقات گيري نيوتن، اسپلاين و تيلور براي محاسبه مش مشتق

گفته هاي پيش اند و با استفاده از روش مورد استفاده قرار گرفته EGM96در ميدان متأثر از مدل ژئوپتانسيلي GRACEماهواره گيري بررسي هاي مشتق همچنين تأثير مشاهدات آلوده به اشتباه نيز در روش. اند بازيابي شده 70ضرايب ژئوپتانسيلي تا درجه و مرتبه

نمايش داده EGM96نسبت به ضرايب مدل degree varianceهاي ژئوئيد و صورت اختلاف ارتفاع نهايت نتايج به در. اند شده . در بازيابي ميدان جاذبه به روش انتگرال انرژي، روش نيوتن بيشترين دقت را نشان داد. شده است

گيري عددي ، مشتقGRACEبازيابي ميدان جاذبه، روش انتگرال انرژي، ماهواره :هاي كليدي واژه

The effect of numerical differentiation methods on the earth’s gravity

field recovery

Khademi, M.1, Najafi Alamdari, M.2 and Sharifi, M. A.3

1M.Sc. in Geodesy, Surveying and Geomatics Engineering Department, Faculty Engineering, K.N.Toosi University of Technology, Iran

2Associate Professor, Surveying and Geomatics Engineering Department, Faculty Engineering, K.N.Toosi University of Technology, Iran

3Assistant Professor, Surveying and Geomatics Engineering Department, Faculty Engineering, University of Tehran, Iran

(Received: 31 Aug 2010, Accepted: 09 Oct 2012)

Abstract

The recent dedicated satellite gravimetry missions have provided huge amount of high quality gravity data with global coverage. From computational point of view, estimation of the unknown gravity field parameters is a highly demanding task due to the sheer number of observations and the unknown coefficients. Different computational schemes have been proposed to tackle the problem. Since the early days of satellite geodesy, energy balance based methods for gravity field determination have been considered. If non-conservative forces are known the Hamiltonian along the orbit will be a constant function of the motion. Thus the gravity field can be determined if position and velocity

:[email protected] E-mail 021- 65632278: دورنگار 09125389144: تلفن : نگارنده رابط*

Page 2: 7-final code 5140 - دانشگاه تهران

1391، 4، شماره 38مجلة فيزيك زمين و فضا، دوره 90

of the satellite are known and accelerometer measurements are available to model the non-conservative part. A satellite mission dedicated to the improvement of our knowledge of the earth’s gravitational field with a direct (in situ) measurement system has been in the proposal stages for a long time and at several agencies. Of course, gravitational field knowledge comes also by tracking satellites from ground stations, and many long wavelength models of the field have been deduced from such data. But, these models derive from the observations of a large collection of satellites that have been tracked over various periods during the long history of earth-orbiting satellites, where none of these was launched for the expressed purpose of providing a global and detailed model of the gravitational field. The method has been applied in a close-loop simulation to the Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) data and the achieved results show high performance of the proposed method. This article focuses on the development of new techniques for global gravity field recovery from high-low (hl) and low-low (ll) satellite-to-satellite tracking (SST) data. There are a number of approaches to global gravity field recovery known from literature, including the variational equations approach, short arc approach, energy balance approach and acceleration approach. The focus of the article is the energy balance approach with an aim to produce high-quality global gravity field models using simulated data from GRACE satellite missions. The GRACE mission has substantiated the low–low satellite-to-satellite tracking (LL-SST) concept. The LL-SST configuration can be combined with the previously realized high–low SST concept in the CHAMP mission to provide a much higher accuracy.

A new, rigorous model is developed for the difference of gravitational potential between two close earth-orbiting satellites in terms of measured range-rates, velocities and velocity differences, and specific forces. It is particularly suited to regional geopotential determination from a satellite-to-satellite tracking mission. Based on energy considerations, the model specifically accounts for the time variability of the potential in inertial space, principally due to earth’s rotation. Analysis shows the latter to be a significant (~1m2/s2) effect that overshadows by many orders of magnitude other time dependencies caused by solar and lunar tidal potentials. Also, variations in earth rotation with respect to terrestrial and celestial coordinate frames are inconsequential. Results of simulations contrast of the new model to the simplified linear model (relating potential difference to range-rate) and delineate accuracy requirements in velocity vector measurements needed to supplement the range-rate measurements. The numerical analysis is oriented toward the scheduled Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) mission and shows that accuracy in the velocity difference vector of 2~10−5 m/s would be commensurate within the model to the anticipated accuracy of 10−6 m/s in range-rate. A fast iterative method for gravity field determination from low Earth satellite orbit coordinates has been developed and implemented successfully. As the method is based on energy conservation and it avoids problems related to orbit dynamics and initial state. In addition, the particular geometry of a repeating orbit is exploited using a very efficient iterative estimation scheme, in which a set of normal equations is approximated by a sparse block-diagonal equivalent. Recovery experiments for spherical harmonic gravity field models up to degree and order 70 were conducted based on a 29-day simulated data set of orbit coordinates. The method was found to be very flexible and could be easily adapted to include observations of non-conservative accelerations, such as (to be) provided by satellites like CHAMP, GRACE, and GOCE.

So, calculation of velocity and acceleration vectors is a necessary stage in Earth’s gravity field recovery using GRACE observations. Different numerical differentiation methods have been proposed to compute the acceleration vector. In this paper, Newton, spline and Taylor methods have been implemented. The effect of outliers has also been

Page 3: 7-final code 5140 - دانشگاه تهران

91 ... گيري عددي در بازيابي هاي گوناگون مشتق تأثير روش

investigated in different differentiation techniques. The numerical analysis of the recovered solutions shows that the Newton method yields the optimal solution. The comparison is performed based on the difference in the simulated and recovered gravity anomalies and the geoidal heights. Key words: Outlier, Gravity, GRACE, Numerical differentiation

مقدمه 1

هاي مداري، روش رايج بازيابي ميدان جاذبه از دادهگيري عددي از معادلات حركت است كه با عنوان انتگرالنيز شناخته ) Variational equations( تغييراتهاي معادلهپارامترهاي مدار و ميدان جاذبه . )2007ويگلت، ( شود ميبنابراين ،شوند همراه هم مدل مي صورت تركيبي و به به

دستگاه معادلات نرمال بسيار بزرگ است كه بايد وارون گير اين روش بسيار پرهزينه و وقت. )1989ريگبر، (شود

. هاي بسيار كارآمد دارد است و نياز به رايانههدف، رسيدن به دقت زياد براي ضرايب پتانسيل ميدان جاذبه زمين با استفاده از تفكيك مراحل تعيين مدار

ها و در مرحله اول، موقعيت. بازيابي ميدان جاذبه است وويگلت، (آيند دست مي به GPSها از مشاهدات سرعتها به و سرعت ها در مرحله دوم، موقعيت). 2007

ها، اين روش. شوند پارامترهاي ميدان جاذبه مرتبط ميهاي تناوبي بازيابي ضرايب هماهنگ كروي هستند روش

مانند روش (اند مقدار مرزي بناشدهكه بر پايه مسئله مقادير ). 1984هايسكنن و موريتز، () انتگرال انرژي

اختلاف پتانسيل بين دو ماهواره در مدار، با تركيب داده هاي موقعيت، سرعت، شتاب و اختلاف فاصله دو ماهواره

پتانسيل محاسبه اختلاف ).1999جكلي، (آيد دست مي بههمان (ي روي مرز مشخص حكم مقادير مرز شده، در

در نظر گرفتن اين روش براي .روند شمار مي به) مدارها بازيابي ميدان جاذبه از آغاز دوره پرتاب ماهواره

كاربرد اين روش براي ).1957اكيف، (صورت گرفت است نشان داده شده CHAMPو GRACEهاي مأموريت

هاي ها را گروه اين روش). 2003، همكارانربلت و (

توان به تحقيقات در اين زمينه مي. اند كار برده زيادي به، همكارانربلت و ( ،)1957اكيف، ( صورت گرفته

گرلاچ و همكاران، (، )2004، درديتمار و وان (، )2003كلر و (، )2003هان، (، )2002هان و همكاران، (، )2003

.اشاره كرد) 2002اسنيو و همكاران، (و ) 2005شريفي، به روش انتگرال انرژي، به ابي ميدان گرانيبراي بازي

براي . نياز است) مشتق اول بردار موقعيت( سرعت ماهوارهگيري عددي استفاده هاي مشتق اين منظور از روش

به توان گيري عددي مي هاي مشتق در زمينه روش .شود ميجكلي، (، )2007ويگلت، (تحقيقات صورت گرفته

، )2002يو وهمكاران، اسن(، )1957اكيف، (، )1999ولف، (و ) 2004ويگلت و اسنيو، (، )2006شريفي، (

هاي گوناگون بررسي تأثير روش. مراجعه كرد )1969هدف اصلي گيري عددي در بازيابي ميدان گراني مشتق

.اين مقاله استبه روش انتگرال 2در راستاي هدف مقاله، در بخش است و در شده انرژي براي بازيابي ميدان جاذبه اشاره

نحوه بنا ساختن دستگاه معادلات با استفاده از 3بخش 4در بخش . است روش كمترين مربعات بيان شده

گيري عددي بيان شده و در انتها در بخش هاي مشتق روش گيري ارائه نتايج عددي به منظور مقايسه و نتيجه 5

.شده است هاي لَخت مختصاتروش انتگرال انرژي در دستگاه 2

و دورانيزمين در يك قانون دوم نيوتن تحت تأثير ميدان گراني

Page 4: 7-final code 5140 - دانشگاه تهران

1391، 4، شماره 38مجلة فيزيك زمين و فضا، دوره 92

ديتمار ( شود صورت زير بيان مي دستگاه مختصات لخَت به :)2002و كلس،

)1 ( ,i i iX g f دهنده دستگاه مختصات ، نشانiكه در آن، بالا انديس

مشتق دوم موقعيت نسبت به (بردار شتاب X. لخَت استنيروهاي غيرپايستار fو ، بردار گرانيg، )زمان

پس از . هستند) هاي ماهواره سنج از شتاب(شده مشاهدهاينكه انتگرال انرژي بر پايه معادلات لژاندر براي حركت

، انتگرال انرژي با )2003گرلاچ و همكاران، (بيان شد . دست آمد گيري مستقيم از رابطه بالا به انتگرال

و بردار iXابتدا ضرب داخلي بين بردار سرعت صورت زير در را در دستگاه مختصات لخَت به iXشتاب :گيريم نظر مي

)2 ( . . ,

. ,

i i i i i

i i

X X X g X t t

X f

تابعي از موقعيت شتاب گراني iX t ) وابسته بهصورت سمت چپ معادله بالا به. است t، و زمان)زمان

:شود زير بيان مي

)3 ( 2

1. .

2

1,

2

i i i i

i

dX X X X

dt

dX

dt

، نسبت به بردار Vبردار جاذبه، گراديان پتانسيل جاذبه :موقعيت است

)4 ( , ,

,,

i

i i i

X

i

i

g X t t V X t t

V X t t

X

با در نظر گرفتن ) 2(عبارت اول سمت راست رابطه :شود صورت زير بيان مي به) 4(رابطه

)5 (

. , . ,

,. ,

i

i i i i i

X

i

ii

X g X t t X V X t t

V X t tX

X

با در نظر گرفتن مشتق ,iV X t t نسبت بهt ،

:خواهيم داشت

)6 (

,

, ,,

i

i ii

i

dV X t t

dt

V X t t V X t tdX t

X dt t

با توجه به اينكه i dX tX

dt

صورت به) 5(، رابطه

:شود زير نوشته مي

)7 (

. ,

, ,,

i i i

i i

X g X t t

dV X t t V X t t

dt t

منجر به رابطه زير ) 2(دررابطه ) 7(جايگذاري رابطه :شود مي

)8 (

21

2

, ,. .

i

i i

i i

dX

dt

dV X t t V X t tX f

dt t

:خواهيم داشت tنسبت به ) 8(گيري از رابطه با انتگرال

)9(

0 0

21,

2

,. ,

i i

it t i i

t t

X V X t t

V X t tdt X f dt C

t

. است) ثابت انرژي سامانه(ثابت انتگرال Cكه در آن، بنابراين، پتانسيل جاذبه در دستگاه مختصات لخَت

:شود صورت زيرمحاسبه مي به

)10 (

0 0

2

,

,1. .

2

i

it ti i i

t t

V X t t

V X t tX X f dt dt C

t

عبارت اول سمت راست، انرژي جنبشي است كه ، دست آوردن آن بايد سرعت را محاسبه كرد براي به

عبارت . كننده اتلاف انرژي است دوم بيانهمچنين عبارت در سوم انرژي ناشي از تغييرات زماني ميدان گراني

تأثير اگر جسم فقط تحت. دستگاه مختصات لخَت استزمين در خلأ سقوط آزاد داشته باشد، بدون ميدان گراني

، دوران زمين و بدون تغييرات زماني در ميدان گراني) 11(شوند و معادله وم حذف ميهاي دوم و س عبارت

:يابد صورت زير تحويل مي به

Page 5: 7-final code 5140 - دانشگاه تهران

93 ... گيري عددي در بازيابي هاي گوناگون مشتق تأثير روش

)11 ( 21, ..

2i iX V X t t C const

اين بدان معنا است كه مجموع انرژي جنبشي و انرژي ثابت است و اين همان اصل ) با علامت منفي(پتانسيل

علامت منفي در عبارت پتانسيل مربوط . بقاي انرژي است . ريف پتانسيل و ميدان استبه تع

ناشي از دوران زمين است ) 10(عبارت سوم رابطه كه پتانسيل دوراني ناشي از دوران پتانسيل در دستگاه مختصات لخَت ناميده شده است كه با

صورت زير خواهد بود يك تقريب منطقي به ):1999جكلي، (

)12 ( 0

,,

it i i i i

e 1 2 2 1t

V X t tdt x x x x

t

، سرعت دوراني زمين، eكه در آن، 1 2 3, ,i i i iX x x x و 1 2 3, ,i i i iX x x x است.

، انتگرال انرژي )10(معادله انتگرالي رابطه شود كه در هر دستگاه مختصات اختياري ناميده مي

روش انتگرال انرژي . ديگر نيز قابل بيان است در امتداد توان براي محاسبه پتانسيل گراني را مي

، GPSخط سير هر ماهواره يا حتي هواپيماي حامل كار برد سنج نيز به گرهاي ارتفاع سنج و حس شتاب

).2004ان اك، فديتمار و ( روابط انتگرال انرژي براي جفت ماهواره 2-1

روابطي كه تاكنون براي روش انتگرال انرژي بيان ماهواره بود، اما بوط به مشاهدات تكرشد، م

، اختلاف پتانسيل GRACEكميت مشاهداتي ماهواره . )2004ان اك، فديتمار و ( بين دو ماهواره است

GRACEهاي ماهواره KBRاين كميت از مشاهدات و بردارهاي موقعيت وسرعت در دستگاه مختصات

منظور محاسبه در واقع به. لخَت قابل محاسبه است GRACEاختلاف پتانسيل از مشاهدات ماهواره

بايد از مشاهده دقيق و كليدي ماهواره يعني استفادهگرلاچ و (مدل تقريبي زير در اين خصوص در. كرد

)1995نرم، (و ) 1994نرم و همكاران، (، )2003همكاران، :عرضه شده است

)13( 12 1 2 1 12

iV V V X

اين مدل كامل نيست زيرا براي مثال، اثر دوران زمين روي تغييرات ميدان جاذبه در اين مدل در نظر گرفته نشده

و ) 2002ديتمار و كلس، (تري را هاي كامل مدل. استدر اين مقاله از . اند عرضه كرده )1996لرچ و همكاران، (

كه بر اساس ) 2002ديتمار و كلس، ( مدل معرفي شده دراختلاف پتانسيل بين دو ماهواره بازآرايي شده، استفاده

:صورت زير است اين مدل به. شده است

)14(

0

012 1 12 1 2 3 4 12

2 2 1 1 12. . ,t

t

T r VR

r f r f dt C

:كه در رابطه بالا داريم

)15 (

0 0 01 2 1 12 12

0 02 1 12 1 12 12

3 1 12

2

4 12

. ,

. . ,

. ,

1,

2

r r e r

r r r e r

r r

r

1 2 2 1 2 1 2 2 1 1

12 0 0 0 0 0 0 0 01 2 2 1 2 1 2 2 1 1

;r r r r r r r r

VRr r r r r r r r

، اشاره به كميت ميدان مرجع معلوم 0كه در آن، انديس ، اشاره به كميت افزايشي بين ميدان واقعي دارد و نماد

.و ميدان مرجع دارد بازيابي ميدان جاذبه زمين در مقياس جهاني با 3

استفاده از روش كمترين مربعاتتوان دست آمده در روابط قبلي مي به 12Tبا استفاده از

صورت ضرايب هماهنگ كروي به ميدان جاذبه را به :سازي كرد كمك روابط زير مدل

Page 6: 7-final code 5140 - دانشگاه تهران

1391، 4، شماره 38مجلة فيزيك زمين و فضا، دوره 94

)16(

12 1 1 1 2 2 2 1 1 1 1 2 2 2 2

1

1 11

1

2 22

1

1 11

1

2 22

, , , , , , , , ,

cos cos

cos cos

cos sin

cos sin

n

nm

nmn

nm

n

nm

nmn

nm

T r r T r T r

RP m

rC

RP m

rGM

R RP m

rS

RP m

r

2 0

n

n m

:اند از كه در رابطه بالا پارامترها عبارت

GM :ضرب ثابت جهاني جاذبه در جرم زمين، حاصل R: ،شعاع ميانگين زمين 1 1 1, ,r و 2 2 2, ,r :

وم، مختصات كروي نقطه نقطه مشاهداتي ماهواره اول و دnmP :شده لژاندر، هاي نرمال تابع

nmc و nms :شده از درجه هاي كروي نرمال ضرايب هماهنگn و مرتبهm در رابطه بالا داريم. هستند:

)17 ( 800 0, 2,4,6,8,10

nm

GRSnm n

nm

C

C C m n

C otherwise

nm nmS S ضرايب هماهنگ كروي

nmc وnms مجهولات

مسئله هستند كه در يك فرايند سرشكني به روش كمترين .شوند مربعات برآورد مي

نهايت براي هركدام از مشاهدات ماهواره در هر درصورت زير راستا به يك دستگاه معادلات خطي به

:خواهيم رسيد)18 ( 1 1M u u MA X l

عبارت است از تعداد معادلات كه Mي بالا، در رابطهدر عمل بسط . همان تعداد نقاط مشاهداتي ماهواره است

خاتمه maxNي خاصي مثل خود را بايد در درجه و مرتبه:صورت زير خواهد بود در نتيجه تعداد مجهولات به. دهيم

)19 ( 2max( 1)u N

در فرايند بازسازي ميدان جاذبه مقادير ضرايب مرتبه گيريم و از فهرست صفر و يك را معلوم در نظر مي

در نتيجه تعداد مجهولات . كنيم مشاهدات خود حذف مي :صورت زير خواهد بود به)20 ( 2

max( 1) 4u N

اگر از ديدگاه هندسي به مسئله خود نگاه كنيم، دستگاه معادلات مربوط، قابل حل خواهد بود اگر

M u با برآورده شدن اين شرط فقط ضرايب . باشدخوبي قابل برآورد هستند چرا كه به مداريهماهنگ

در (عرض جغرافيايي مشاهدات ماهواره فقط در راستاي .توزيع همگني دارند) النهارها راستاي نصف

كلر و شريفي، ( shanonبرداري با توجه به نظرية نمونه . گيري باشد بايد حداقل دو برابر بيشينه بسامد اندازه )2005

كه بسامد بيش از حد بسامد نايكوئيست زماني) aliasing(باشد، تداخل سيگنال ) دو برابر بيشينه بسامد(

كردن شرط بنابراين برآورده. رخ خواهد داد برداري، براي بازيابي طيف كامل ميدان نظرية نمونه

. )1990سانسو، (جاذبه بسيار مهم و حياتي خواهد بود مشكل ديگر كه منجر به بازيابي نشدن كامل و صحيح ميدان جاذبه با استفاده از روش كمترين مربعات

با بالاي بسط يعني شود، جايگزيني حد ميmaxN در واقع اين جايگزيني باعث ايجاد نوع . است

شود ديگري از تداخل سيگنال در برآورد ضرايب مي .)2005كلر و شريفي، (

گيري عددي هاي مشتق روش 4

روش تفاضل هاي محدود با استفاده از بسط 1- 4 سري تيلور

فرض كنيد تابع f x به اندازه كافي مشتق پيوسته داشتهبسط تابع . باشد f x صورت زير است به سري تيلور به:

Page 7: 7-final code 5140 - دانشگاه تهران

95 ... گيري عددي در بازيابي هاي گوناگون مشتق تأثير روش

)21(

2 3

'

" "' ...2! 3!

f x h f x hf x

h hf x f x

حل اين معادله برحسب 'f x به رابطه زير منجر :شود مي

)22(

2

'

" "' ...2 6

f x h f xf x

h

h hf x f x

گيري به روش نيوتن مشتق 2- 4

بعدي معمولا شامل برآورد تابع يابي يك مسئله درون f x اي با يك چندجمله f x متناسب درجهn ُام

است كه برحسب ii xff 0,1. به ازا,...,i n هاي اي مزبور در شكل اگرچه چندجمله. آيد دست مي به

مقادير مجزاي تابع، يك 1nمختلف بيان شود، اين صورت مشابه، به. كنند اي واحد را تعريف مي چندجمله

اي را براي محاسبه مشتق تابع به توان تابع چند جمله مياي كه مقادير مشتقات در نقاط شبكه درصورتي. كاربرد

nxxx ,..., موردنياز باشد، نيازي به يافتن تابع 10اي چندجمله if x نيست در اين حالت خاص و براي

اُمين مشتق تابع h ،kاطلاعات با فاصله يكنواخت xf 2006شريفي، (عبارت است از:(

)23...( ... 0

nk k ks s

i ij jj

f x h a f x o h

كه در آن، ik xf مشتق مرتبه ،k امُ تابع در نقطه

،)Truncation error(است، خطاي برش ixاي شبكه sho از درجهsمثابة با بيان اخير، مشتق تابع به. است

اي بيان يك تركيب خطي از مقادير تابع در نقاط شبكهksكه ضرايب بنابراين درصورتي. شود مي

ija معين شده . راحتي مشتق تابع را محاسبه كرد توان به باشند، مي

در عمل براي ارزيابي مشتقات هر نقطه از شبكه، شود و ، در نظر گرفته ميnمتقارن به طول اي پنجره

. شوند مشتقات فقط براي نقاط مركزي محاسبه ميمعادلات زير براي نمونه براي مشتقات مرتبه اول و مرتبه

:شوند دوم نه نقطه اي داده مي

)24(

14 0 1

2 3 5

6 7 8

1 4

280 1501 4 4

5 5 51 4 1

5 150 280

hf x f x f x

f x f x f x

f x f x f x

)25 (

24 0 1

2 3 4 5

6 7 8

1 1

1120 791 4 121 4

10 5 85 51 1 1

10 79 1120

hf x f x f x

f x f x f x f x

f x f x f x

يابي اسپيلاين درون 3- 4

گيري نيوتني مقادير گونه كه ملاحظه شد در مشتق همانگسسته از تابع xf اي در تعداد محدودي نقاط شبكه

nxxxx هدف محاسبه . اند داده شده 210...كه قبلا بيان طور همان. مشتقات تابع در نقاط شبكه است

تقريب nاي درجه توان با يك چندجمله شد، تابع را مي nتوان از صورت يكه مي جاي تقريب تابع به به. زد

كه در شرايط mاي هركدام از درجه اي تكه چندجمله ):2006شريفي، ( كنند استفاده كرد زير صدق مي

براي - 1 1, ii xxx و xsxs i 2 - iii xfxs و 11 iii xfxs

مشتقات تا مرتبه 1m موجود و در نقاط گرهي شبكه .پيوسته باشد

)26 ( 1 11

m mi i i is x s x

تابع xs تابع اسپيلاين از درجه ، m شود ناميده مي .

اسپيلاين مكعبي 3m مشهورترين شكل اسپيلاينزير nضرايب مجهول براي 4nدر چنين حالتي . است

2nبنابراين تعداد معادلات مشاهدات، . فاصله داريم

Page 8: 7-final code 5140 - دانشگاه تهران

1391، 4، شماره 38مجلة فيزيك زمين و فضا، دوره 96

علاوه، شرط پيوسته بودن مشتقات تا مرتبه دوم به. است 213 اي داخلي در نقاط شبكه 1n تشكيل 12 n

.دهد معادله از نوع معادلات كانسترينت يا تحميل ميتوانيم يك دستگاه خطي با بنابراين، مي 122 nn

هاي اسپيلاين تابع. مجهول تشكيل دهيم 4nمعادله با مكعبي گوناگوني وابسته به چگونگي ثابت كردن دو

. شرط آزاد وجود دارد

مكعبي طبيعي اسپيلاين-3-1- 4شرايط تحميلي اسپيلاين مكعبي تعريف شده با

1 11 0 0ns x f x و nnn xfxs 11 باشد كه مي

مشتقات مرتبه اول و دوم آن با تعيين ضرايب مجهول براي تنظيم دستگاه خطي معادلات با شرط . شوند تعيين مي

چون تابع از . كنيم پيوستگي مشتق مرتبه دوم شروع مي .مشتق مرتبه دوم آن تابعي خطي است ،است 3درجه

)27 ( 2 11

i ii i i

x x x xs x a a

h h

1,0,...,1براي ni .بنابراين:

)28 (

2

21 1

2 21

i i i

i i i

i i i i i

s x a

s x a

s x s x a

نتايج عددي 5ها يك مدار ديناميكي سازي شده ماهواره مدار شبيهعلت .است EGM96مدل ژئوپتانسيلي از همحاسبه شد

سازي مدار، اين است كه در بحث انتخاب اين حالت شبيهصورت ضرايب ژئوپتانسيلي، بازسازي ميدان جاذبه زمين به

كنند كل اثرات ناشي هايي سعي مي ابتدا با استفاده از روشي زمين را از نيروهاي غير از نيروي حاصل از ميدان جاذبه

حذف از روي مشاهدات واقعي ماهواره تا حد امكانشود به با اين كار مسير ماهواره حدوداً تبديل مي. كنند

مسيري كه فقط ناشي از نيروي حاصل از ميدان جاذبه نهايتاً بتوان با آناليز اين مسير و با استفاده زمين است كه در

.هاي موجود، ميدان جاذبه زمين را بازسازي كرد از روشر از جاذبه كه حذف اثرات ناشي از نيروهاي غي آنجا از

هاي مشاهداتي واقعي ماهواره مشكل زمين از روي دادهاست و از جهت ديگر به دليل اينكه هدف اين مقاله،

گيري استفاده شده در هاي گوناگون مشتق مقايسه روشها با استفاده از بازيابي ميدان جاذبه است، شبيه سازي داده

ي گير هاي انتگرال روش(هاي عددي توليد مدار روشاي صورت كه با استفاده از نقطه اوليه اين به. است) عددي

است، مدار را ها آمده كه در برگه توضيحات همراه دادهصورت عددي در ميدان جاذبه حاصل از ضرايب به

. كنند توليد مي 300تا درجه و مرتبه EGM96ژئوپتانسيلي است از صورت عددي عبارت خروجي توليد مدار به

موقعيت و سرعت در دستگاه لخَت كه سپس با بردارهايهاي لازم، بردار شتاب را نيز در استفاده از روابط و تبديل

هاي هاي ماهواره داده. آورند دست مي دستگاه لخَت بهGRACE بردارهاي موقعيت و سرعت و و شامل زمان

ها در پروندة قالب داده. شتاب در دستگاه لخَت است :است صورت زير مربوط به

time x y z x y z x y z بردارهاي موقعيت و سرعت در دستگاه لخَت با

هاي لازم به دستگاه استفاده از روابط موجود و تبديل .شوند مختصات كروي محلي ماهواره منتقل مي

هاي قبل و ابتدا با استفاده از روابط ذكر شده درقسمتاه معادلات با ابعاد با استفاده از روش انتگرال انرژي، دستگ

تعداد . مجهول تشكيل شده است 5038معادله و 86400مجهولات در اين حالت يكي بيشتر است و اين مجهول اضافي مربوط به ثابت انرژي سامانه است كه در فرايند

منزلة يك مجهول اضافي برآورد برآورد ضرايب بهسپس براي تحليل نتايج با استفاده از ضرايب . شود مي

تا EGM96 برآورد شده و نيز با استفاده از ضرايب مدل ، ارتفاع ژئوئيد روي يك مرتبة منظم 70درجه و مرتبه

. دست آمده است درجه در كل جهان به درجه در يك يك

Page 9: 7-final code 5140 - دانشگاه تهران

97 ... گيري عددي در بازيابي هاي گوناگون مشتق تأثير روش

در زير نتايج مربوط به بازيابي ميدان جاذبه زمين با استفاده گيري آورده شده و در انتها هاي گوناگون مشتق از روش

.است جدولي براي مقايسه نتايج عرضه شدهضرايب برآورد شده و همچنين ضرايب 1در شكل

EGM96 صورت به 70تا درجه و مرتبهdegree Variance

هاي مربوط به اين دو به نمايش گذاشته شده و تفاوت هاي ژئوئيد اختلاف ارتفاع 2همچنين در شكل . است

70درجه و مرتبه تاEGM96 محاسبه شده از ضرايب مدل هاي محاسبه شده از ضرايب برآورد شده به و ارتفاع

كه مربوط به بازيابي 2درشكل .نمايش گذاشته شده استميدان جاذيه با روش انتگرال انرژي است بيشينه اختلاف

هاي ژئوئيد براي روش نيوتن در نقطه ارتفاع , 90,306 طه و كمينه اين اختلاف در نق

, 88,306 بيشينه و كمينه اين اختلاف . است .متر است 0.41-و 0.35ترتيب ارتفاع در ايران به

گفته در مورد با استفاده از روابط پيش 4در شكل روش انتگرال انرژي، برآورد ضرايب صورت گرفته

در اين مرحله با استفاده از مشاهدات ماهواره در . است زمان ضرايب برآورد شده صورت هم هر سه راستا به

ضرايب برآورد شده و همپچنين ضرايب 3در شكل . است Degree صورت به 70تا درجه و مرتبه EGM96مدل

variance هاي و اختلافات مربوط به اين دو در حالت 4همچنين در شكل . متفاوت نمايش داده شده است

هاي ژئوئيد محاسبه شده از ضرايب مدل اختلاف ارتفاعEGM96 هاي محاسبه شده از و ارتفاع 70تا درجه و مرتبه

.ضرايب برآورد شده به نمايش گذاشته شده است

).اند مشتقات با روش نيوتن محاسبه شده( GRACEروزه ماهواره 30مشاهدات با استفاده از شبه 70ضرايب ژئوپتانسيلي برآورد شده تا درجه و مرتبه .1شكل

با استفاده از مشاهدات 70وضرايب برآورد شده تا درجه و مرتبه 70درجه و مرتبهتا EGM96 دست آمده از مدل هاي ژئوئيد به اختلاف ميان ارتفاع .2شكل

).اند مشتقات با روش نيوتن محاسبه شده() واحد برحسب متر( GRACEروزه ماهواره 30 سازي شده شبيه

0 10 20 30 40 50 60 7010

−11

10−10

10−9

10−8

10−7

10−6

10−5

10−4

10−3

Spherical harmonic degree

Deg

ree

varia

nces

EGM96 Degree VariancesEstimated Degree Variancesdifferences

Page 10: 7-final code 5140 - دانشگاه تهران

1391، 4، شماره 38مجلة فيزيك زمين و فضا، دوره 98

مشتقات با روش اسپلاين محاسبه ( GRACEماهواره روزه 30مشاهدات با استفاده از شبه 70ضرايب ژئوپتانسيلي برآورد شده تا درجه و مرتبه . 3شكل

).اند شده

با استفاده از مشاهدات 70و ضرايب برآورد شده تا درجه و مرتبه 70تا درجه و مرتبهEGM96 دست آمده از مدل هاي ژئوئيد به اختلاف ميان ارتفاع .4شكل

).اند با روش اسپلاين محاسبه شدهمشتقات () واحد برحسب متر( GRACEروزه ماهواره 30سازي شده شبيه

اي محاسبه نقطه 7مشتقات با روش تيلور ( GRACEروزه ماهواره 30مشاهدات با استفاده از شبه70ضرايب ژئوپتانسيلي برآورد شده تا درجه و مرتبه .5شكل

).اند شده

بيشينه اين اختلاف براي روش اسپلاين در نقطه , 90,306 و كمينه اين اختلاف در نقطه , 88,306 كه 1است كه در مقايسه با شكل

مربوط به روش نيوتن است، بيشينه و كمينه اختلاف . در نقاطي مشابه رخ داده است هاي ژئوئيد دقيقاً ارتفاع

0.30ترتيب بيشينه و كمينه اين اختلاف ارتفاع در ايران به .متر است 0.39-و

ضرايب برآورد شده و همچنين ضرايب 5در شكل EGM96 صورت به 70تا درجه و مرتبهdegree Variance

ين دو به نمايش گذاشته شده و اختلافات مربوط به ا هاي ژئوئيد اختلاف ارتفاع 6همچنين در شكل . است

تا درجه و EGM96 د محاسبه شده از ضرايب مدلهاي محاسبه شده از ضرايب برآورد شده و ارتفاع 70مرتبه

.به نمايش گذاشته شده است

0 10 20 30 40 50 60 7010

−11

10−10

10−9

10−8

10−7

10−6

10−5

10−4

10−3

Spherical harmonic degree

Deg

ree

varia

nces

EGM96 Degree VariancesEstimated Degree Variancesdifferences

Page 11: 7-final code 5140 - دانشگاه تهران

99 ... گيري عددي در بازيابي هاي گوناگون مشتق تأثير روش

براي EGM 96مدل از آمده دست هاي ژئوئيد به و ارتفاع برآورد شده با روش انتگرال انرژي هاي ژئوئيد ارتفاع بين اختلاف به مربوط آماري اطلاعات. 1جدول ).واحد برحسب متر است( وفهمشاهدات بدون ن

كمينه بيشينه ميانگين انحراف معيار روش

1,1858- 1,1169 0,0016 0,2392 نيوتن

2.3849- 2,2130 0,0016- 0,3798 اسپلاين

2.1759- 1,7093 0,0010- 0,2502 تيلور

هاي ژئوئيد بيشينه اختلاف ارتفاع 5با توجه به شكل

براي روش تيلور در نقطه , 90,306 و كمينه اين اختلاف در نقطه , 119,273 در مقايسه . است

ترتيب مربوط به روش كه به 1 و 3هاي با شكل 5شكل نيوتن و اسپلاين هستند، بيشينه اختلاف در همان نقطه رخ

گفته كه كمينه اين اختلاف با دو روش پيش داده درحاليمتفاوت بوده و در نقطه , 119,273 رخ داده است .

0.31ترتيب ارتفاع در ايران بهبيشينه و كمينه اين اختلاف .متراست 0.39- و

گيـري هاي مشـتق منظور مقايسه تأثير روش به 1جدول اســتفاده شــده در بازيــابي ميــدان جاذبــه بــه روش انتگــرال

ــرژي آورده شــده اســت ــدين. ان ــه، ب ــينه، كمين منظــور بيشهـاي ژئوئيـد اختلاف ميان ارتفـاع ميانگين و انحراف معياردسـت هاي ژئوئيـد بـه ها و ارتفاع مربوط به هريك از روش

بـا توجـه بـه . اسـت نشان داده شده EGM96آمده از مدل هاي عرضه شده براي روش انتگـرال انـرژي، نتايج و شكل

روش نيــوتن و ســپس روش تيلــور بــا داشــتن انحــراف اند و روش نشان داده تر، بهترين نتايج را معيارهاي كوچك

.اسپلاين از نظر دقت در آخرين جايگاه واقع شده است

هـاي نتايج مربوط روش انتگـرال انـرژي بـا داده 5-2 آغشته به اشتباه

ــدود ده ــن بخــش ح ــتباه وارد در اي ــاهدات اش درصــد مشگيــري بــا وجــود ايــن هــاي مشــتق انــد تــا تــأثير روش شــده

اشــتباهات بــه انــدازه . شــودمشــاهدات اشــتباه نيــز بررســي هـاي مربـوط بـه روش انتگـرال شـكل . متر هسـتند سانتي10

در انتهـا جـدولي ترسـيم شـده اسـت تـا . انرژي آمده است .راحتي بتوان نتايج را مقايسه كرد به

با استفاده از مشاهدات 70وضرايب برآوردشده تا درجه و مرتبه 70تا درجه و مرتبهEGM96 دست آمده از مدل هاي ژئوئيد به اختلاف ميان ارتفاع .6شكل

).اند اي محاسبه شده نقطه 7مشتقات با روش تيلور () متر واحد برحسب سانتي( GRACEروزه ماهواره 30سازي شده شبيه

Page 12: 7-final code 5140 - دانشگاه تهران

1391، 4، شماره 38مجلة فيزيك زمين و فضا، دوره 100

مشتقات با ( انتگرال انرژيبا استفاده از روش GRACE روزه ماهواره 30مشاهدات با استفاده از شبه 70ضرايب ژئوپتانسيلي برآورد شده تا درجه و مرتبه .7شكل

).اند روش نيوتن محاسبه شده

هاي آغشته به ضرايب برآورد شده براي داده 7در شكل 70تا درجه و مرتبه EGM96همچنين ضرايب نوفه و

و اختلافات مربوط به اين دو degree Varianceصورت بهاختلاف 8همچنين در شكل . به نمايش گذاشته شده است

تا EGM96هاي ژئوئيد محاسبه شده از ضرايب مدل ارتفاعهاي محاسبه شده از ضرايب و ارتفاع 70درجه و مرتبه

.گذاشته شده است برآورد شده به نمايشبيشينه اين اختلاف براي روش نيوتن در نقطه

, 90,306 و كمينه اين اختلاف در نقطه , 88,306 بيشينه و كمينه اين اختلاف ارتفاع . است

.متر است 0.42-و 0.35ترتيب در ايران بههاي آغشته به ضرايب برآورد شده براي داده 9در شكل

70تا درجه و مرتبه EGM96نوفه و همچنين ضرايب و اختلافات مربوط به اين دو degree Varianceصورت به

اختلاف 10همچنين در شكل . به نمايش گذاشته شده استتا EGM96 هاي ژئوئيد محاسبه شده از ضرايب مدل ارتفاع

هاي محاسبه شده از ضرايب و ارتفاع 70درجه و مرتبه .برآورد شده به نمايش گذاشته شده است

بيشينه اين اختلاف براي روش اسپلاين در نقطه , 90,306 و كمينه اين اختلاف در نقطه , 88,306 7 شكل با شكل در مقايسه اين. است

كه مربوط به روش نيوتن بود، بيشينه و كمينه اختلافات در بيشينه و كمينه اين اختلاف ارتفاع در . نقاط مشابه رخ دادند

.متر است 0.43-و 0.35ترتيب ايران به هاي ضرايب برآورد شده براي داده 11در شكل

تا درجه و EGM96ن ضرايب آغشته به نوفه و همچني و اختلافات degree Varianceصورت به 70مرتبه

همچنين . مربوط به اين دو به نمايش گذاشته شده استهاي ژئوئيد محاسبه شده از اختلاف ارتفاع 12در شكل

هاي و ارتفاع 70تا درجه و مرتبهEGM96 ضرايب مدل گذاشته محاسبه شده از ضرايب برآورد شده به نمايش

.شده است

با استفاده از مشاهدات 70و ضرايب برآورد شده تا درجه و مرتبه 70تا درجه و مرتبهEGM96 دست آمده از مدل هاي ژئوئيد به اختلاف ميان ارتفاع .8شكل

).واحد برحسب متر() اند نيوتن محاسبه شده مشتقات با روشكه مربوط به روش انتگرال انرژي( GRACEروزه ماهواره 30سازي شده شبيه

0 10 20 30 40 50 60 7010

−12

10−10

10−8

10−6

10−4

10−2

Spherical harmonic degree

Degr

ee v

aria

nces

EGM96 Degree VariancesEstimated Degree Variancesdifferences

Page 13: 7-final code 5140 - دانشگاه تهران

101 ... گيري عددي در بازيابي هاي گوناگون مشتق تأثير روش

مشتقات با ( انتگرال انرژيبا استفاده از روش GRACEروزه ماهواره 30مشاهدات با استفاده از شبه70ضرايب ژئوپتانسيلي برآورد شده تا درجه و مرتبه . 9شكل

).اند روش اسپلاين محاسبه شده

با استفاده از مشاهدات 70وضرايب برآورد شده تا درجه و مرتبه 70تا درجه و مرتبهEGM96 دست آمده از مدل هاي ژئوئيد به اختلاف ميان ارتفاع .10شكل

).اند كه مشتقات با روش اسپلاين محاسبه شده مربوط به روش انتگرال انرژي() واحد برحسب متر( GRACE روزه ماهواره 30سازي شده شبيه

مشتقات با ( انتگرال انرژيبا استفاده از روش GRACEروزه ماهواره 30مشاهدات با استفاده از شبه 70ضرايب ژئوپتانسيلي برآورد شده تا درجه و مرتبه .11شكل

).اند روش تيلور محاسبه شده

با استفاده از مشاهدات 70و ضرايب برآورد شده تا درجه ومرتبه 70مرتبهتا درجه و EGM96 دست آمده از مدل هاي ژئوئيد به اختلاف ميان ارتفاع. 12شكل

).اند كه مشتقات با روش تيلور محاسبه شده مربوط به روش انتگرال انرژي() واحد برحسب متر( GRACEروزه ماهواره 30سازي شده شبيه

0 10 20 30 40 50 60 7010

−12

10−10

10−8

10−6

10−4

10−2

Spherical harmonic degreeDe

gree

varia

nces

EGM96 Degree VariancesEstimated Degree Variancesdifferences

0 10 20 30 40 50 60 7010

−11

10−10

10−9

10−8

10−7

10−6

10−5

10−4

10−3

Spherical harmonic degree

Degr

ee va

rianc

es

EGM96 Degree VariancesEstimated Degree Variancesdifferences

Page 14: 7-final code 5140 - دانشگاه تهران

1391، 4، شماره 38مجلة فيزيك زمين و فضا، دوره 102

براي 96EGM مدل از آمده دست به هاي ژئوئيد و ارتفاع انتگرال انرژيبرآورد شده با روش هاي ژئوئيد ارتفاع بين اختلاف به مربوط آماري اطلاعات .2جدول ).واحد برحسب متر(هاي آلوده به اشتباه داده

كمينه بيشينه ميانگين انحراف معيار روش

1.5766- 1,4233 0,0023 0,2608 نيوتن

2.6044- 2.4415 0.0019- 0,4473 اسپلاين

2.9949- 1,7562 0,0028- 0,2984 تيلور

بيشينه اين اختلاف براي روش تيلور در نقطه

, 90,306 و كمينه اين اختلاف در نقطه , 119,273 هاي با شكل 11در مقايسه شكل . است

ترتيب مربوط به روش نيوتن و اسپلاين هستند، كه به 7و 9كه كمينه اين بيشينه اختلاف در همان نقطه رخ داده درحالي

گفته متفاوت بوده و در نقطه اختلاف با دو روش پيش , 119,273 بيشينه و كمينه اين . رخ داده است

.متر است0.42-و 0.36ترتيب ارتفاع در ايران به اختلاف

گيـري هـاي مشـتق منظور مقايسه تـأثير روش به 2جدول استفاده شده در بازيابي ميدان جاذبه به روش انتگرال انـرژي

منظــور بيشــينه، كمينــه، ميــانگين و بــدين. آورده شــده اســتهـاي ژئوئيـد مربـوط بـه ر اختلاف ميـان ارتفـاع انحراف معيا

دست آمده از مدل هاي ژئوئيد به ها و ارتفاع هريك از روشEGM96 اند نشان داده شده.

با توجه به جدول بالا در بازيابي به روش انتگرال انرژي نيـوتن بيشـترين دقـت را بـا داشـتن هـا، روش براي ايـن داده

ترتيـب كمترين انحراف معيار داشـته اسـت و پـس از آن بـه روش تيلور و در انتها روش اسپلاين بيشـترين دقـت را نشـان

بازيــابي ميــدان جاذبــه بــه روش انتگــرال بنــابراين در . دادنــد .گيري عددي روش نيوتن است انرژي بهترين روش مشتق

گيري نتيجه 6

براي بازيابي ضرايب هارمونيك كروي ميدان جاذبه از مشاهدات بدون نويز و نيز مشاهدات آغشته به نويز ماهواره

GRACE با توجه به . از روش انتگرال انرژي استفاده شد هاي ژئوئيد ارتفاع بين اختلافكه نشان دهنده 2و 1جداول

د هاي ژئوئي و ارتفاع برآورد شده با روش انتگرال انرژي

راي مشاهدات ه ترتيب ببEGM 96مدل از آمده دست بهتوان مي ،و مشاهدات آغشته به اشتباه مي باشند فهبدون نو

.نتايج را بررسي نمودهاي عرضه شده براي روش و شكل 1جدول با توجه به روش نيوتن و سپس روش تيلور با به تربيب انتگرال انرژي،

تر، بهترين نتايج را نشان داشتن انحراف معيارهاي كوچكاند و روش اسپلاين از نظر دقت در آخرين جايگاه واقع داده

.شده استدر بازيابي به روش انتگرال انرژي 2با توجه به جدول

نيوتن بيشترين دقت را ، روشي آغشته به اشتباهها براي دادهاشتن كمترين انحراف معيار داشته است و پس از آن با دترتيب روش تيلور و در انتها روش اسپلاين بيشترين دقت به

اين در با توجه به نتايج ارائه شده بنابراين. را نشان دادندبازيابي ميدان جاذبه به روش انتگرال انرژي بهترين مقاله، در

البته اين باشد كه ميروش نيوتن ،گيري عددي روش مشتقباشد و ممكن است نتيجه مختص روش انتگرال انرژي مي

هاي ديگر با نتايج متفاوتي در بازيابي ميدان جاذبه به روشهاي ديگري مانند توان روش به عنوان پيشنهاد مي .روبرو شد

گيري مورد مطالعه ويولت و كالمن فيلترينگ را براي مشتق .قرار داد

منابعDitmar, P. and Klees, R., 2002, A method to

compute the earth’s gravity field from SGG/SST data to be acquired by the GOCE satellite,(http://www.geo.tudelft.nl/fmr/publicationspresentations/delftuniversitypress/book_GOCE_data_inversion.pdf), Delft University Press, Delft.

Ditmar, P., van Eck van der Sluijs, A. A., 2004, A technique for modeling the earth’s gravity field

Page 15: 7-final code 5140 - دانشگاه تهران

103 ... گيري عددي در بازيابي هاي گوناگون مشتق تأثير روش

on the basis of satellite accelerations, J.Geodesy, 78(1-2),12-33.

Gerlach, C., Sneeuw, N., Visser, P. and Svehla, D., 2003, CHAMP gravity field recovery using the energy balance approach, (available at:http://www.copernicus.org/egu/adgeo/2003/l/adg-l 73.pdf), Adv Geosci, 1, 73-80.

Han, S. C., Jekeli, C. and Shum, C. K., 2002, Efficient gravity field recovery using in situ disturbing potential observables from CHAMP, Geophys Res Lett, 29(16), 36.1-36.4.

Han, S. C., 2003, Efficient global gravity determination from satellite to satellite tracking (SST) Rep 467, Department of Geodetic Science, the Ohio State University, Columbus.

Heiskanen, W. A. and Moritz, H., 1984, Physical geodesy, Institute of Physical Geodesy Technical University Graz, Austria, 19-26.

Jekeli, C., 1999, The determination of gravitational potential differences from satellite-to-satellite tracking, Celestial Mechanics and Dynamical Astromomy, 75, 85-101.

Keller, W. and Sharifi, M. A., 2005, Satellite gradiometry using a satellite pair, J. Geodesy, 78, 544-557.

Lerch, J. A., Marshall, S. M., Klosko, N., Pavlis, K. and Williamson, R. G., 1996, The joint gravity model-3, Journal of Geophysical Research, 101(B12), 28029-28049.

Nerem, R. S., Lerch, F. J., Marshall, J. A., Pavlis, E. C., Putney, B. H., Tapley, B. D., Eanes, R. J., Ries, J. C., Schutz, B. E., Shum, C. K., Watkins, M. M., Chan, J. C., Klosko, S. M., Luthcke, S. B., Patel, G. B., Pavlis, N. K., Williamson, R. G., Rapp, R. H., Biancale, R. and Nouel, F., 1994, Gravity model development for TOPEX/POSEIDON: Joint gravity models 1 and 2, Journal of Geophysical Research, 99(C12), 24421-24448.

Nerem, R. S., 1995, Terrestrial and planetary gravity fields, U. S. National Report to IUGG, 1991-1994, compiled by the NASA/Goddard Space Flight Center, Reviews of Geophysics,

Suppl., American Geophysical Union, 31-33. O Keefe, J. A., 1957, An application of Jacobi

sintegral to the motion of an earth satellite, Astron. J, 62(1252), 265-266.

Reigber, Ch., 1989, Gravity field recovery from satellite tracking data. In F. Sans`o and R. Rummel eds. theory of satellite geodesy and gravity field determination, Lecture Notes in Earth Sciences, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg New York, 25, 197-234.

Reubelt, T., Austen, G. and Grafarend, E. W., 2003, Harmonic analysis of the earth’s gravitational field by means of semi-continuous ephemerides of a low earth orbiting GPS-tracked satellite, Case study: CHAMP, Journal of Geodesy, doi 10.1007/s00190-003-0322-9, 77, 257-278.

Sanso, F., 1990, On the aliasing problem in the spherical harmonic analysis, Bulletin Géodésique, 64, 313-330.

Sharifi, M. A., 2006, Satellite to satellite tracking in the space-wise approach, Faculty of Aerospace Engineering and Geodesy, University of Stuttgart.

Sneeuw, N. J., Gerlach, C., Svehla, D. and Gruber, C., 2002, A first attempt at time-variable gravity recovery from CHAMP using the energy balance approach(http://olimpia.topo.auth.gr/gg2002/session3/sneeuw.pdf).In: Tziavos In (ed) Proc 3rd Meeting of the International Gravity and Geoid Commission, Thessaloniki, August, 26-30.

Weigelt, M. and Sneeuw, N., 2004, Numerical velocity determination and calibration methods for CHAMP using the energy balance approach, 5-9.

Weigelt, M. L., 2007, Global and local gravity field recovery from satellite-to-satellite tracking, PhD dissertation, Department of Geomatics Engineering, University of Calgary.

Wolff, M., 1969, Direct determination of gravitational harmonics from low-low gravsat data, J. Geophysics. Res., 88, 10309-10321.