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中国科学院知识创新工程信息化建设专项 “超级计算环境建设与应用”项目 “科学计算平台建设”应用课题2005科学计算平台集成与验收预备会议报告
地球重力场仿真系统研究
课 题 编 号： INF105-SCE-02-22 课题承担单位：中科院测量与地球物理研究所
课 题 负责人： 陆 洋
2005年8月3-5日北京平谷 IGG
10wk.baidu.com
20
30
40
50
60
70
80
Degree
不同模型之间位系数差对应大地水准 面起伏 (m)
与国际的 GRACE模型 差异较小
时间变化重力场
1、利用GRACE资料解算了12阶/天 随时间变化的地球重力场 （2003.01-12）。
2、地球重力场位系数的时变性及其 地球物理机制。
3、海洋质量变化引起的重力场变化 值解算
GRACE卫星恢复的重力场模型比较 双卫星跟踪+加速度计
解算的GRACE卫星重力模型与其它模型比较结果
m
0.16 0.14 0.12 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00
0
CDS02-EGM96 CDS02-EIGEN-GRACE02S CDS02-GGM01C CDS02-EIGEN3P
水文模型资料推算水高（GFZ）
海洋质量变化引起的时变重力重力异常
2003年1-12月海洋质量变化引起的重力场月变化值。
IGG
甚高阶次重力场模型并行软件
1、构造甚高阶次模型计算的可行性理 论及实际运算分析 2、甚高阶次模型系数解算以及应用并 行软件
IGG
构建甚高阶次模型计算的可行性理论及实际运算分析
MJD 图7.3 C 的变 化
90
GRACE时变地球重力场与全球水质量变化分布
利用14个月GRACE资料得到的随时间变化的地球重力场， 反演了陆地水和海水的季节性质量变化分布，与陆地水和 水文观测资料推算的质量变化分布基本吻合，表明GRACE 能测定出大尺度水质量变化，反之亦然。
GRACE资料推算水高(IGG)
u cos S means Southern
N means Northern
勒让德函数数值计算稳定性检验
理论值:
Tp
1E-005
n
TP [Pnm (u)]2 (2n 1) 0 m0
1E-007
1E-009
1E-011
1E-013
1E-015 1E-017 1E-019
up to 1800 degrees by double precision up to 3600 degrees by double precision up to 3600 degrees by quod precision up to 5400 degrees by quod precision
IGG
课题总体设计框图
长波模型
甚高阶仿真模型
时变仿真模型
综合应用
IGG
本期课题设计的主要建设（研发）内容：
重力卫星资料解算高精度地球重力场方法、软件开发 甚高阶重力场仿真模型（1800-5400阶次）计算及并行化处理 时变地球重力场仿真模型的表示方法、算法设计及软件开发
（1）课题总体工作进展情况
本期课题预期目标：
利用地面和空间不同类型重力资料,研制地球 重力场仿真系统基础软件。
课题研究最终目标： 开发研制高计算效率的地球重力场仿真软件系统
科学目标: 超高分辨率、时变地球重力场模型 应用目标: 把地面与空间的海量数据变为人们可以理解和直
接应用的信息，全方位提供地面应用、空间以及水下 航行器安全运行的参考数据。
-0 .1 5
-0.2 0
20000
40000
60000
GPS SECONDS
80000
与GFZ轨道差（m） (从上向下分别为X、Y和Z轴方向)
100000 100000 100000
不同重力场模型之间位系数差异之累计差
CDS01 ← CHAMP 60阶 CDS02 ← GRACE 80阶
CHAMP卫星恢复的重力场模型比较 单颗卫星+加速度计
IGG
大气质量分布变化与地球引力场位系数变化
10-10
10-10
0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 -0.2 -0.4 -0.6
52860
Air GRACE
52870
52880
52890
MJD
图7.5 C80的变 化
52900
0.6
Air
0.4
GRACE
0.2
0.0
-0.2
-0.4
-0.6 52810 52820 52830 52840 52850 52860 52870 52880 52890
• 超级计算机的出现使我们可以解决大规模 数值计算问题.
• 并行计算的应用大大缩减的计算时间. • 64位计算机可以解决超高阶次勒让德函数
及其积分的收敛问题.
勒让德函数数值计算稳定性检验
规则1.勒让德函数 Pnm 稳定性检验
n
Tp [Pnm (u)]2 (2n 1) 0 m0
规则2.勒让德函数积分 Inm 稳定性检验 TI [Inm (uS ,u) Inm (u,uN )] Inm (uS ,uN ) 0
定轨精度——与GFZ比较
0 .1 0 .0 5
0 -0 .0 5
-0.1 -0 .1 5
-0.2 0
0 .4
20000
40000
60000
GPS SECONDS
80000
0 .2
0
-0.2
-0.4 0
0 .1
20000
40000
60000
GPS SECONDS
80000
0 .0 5
0
-0 .0 5
-0.1
1．完成程序编制工作，模拟计算全面通过 2．初步完成各文档编写工作 3．正在进行软件集成工作
IGG
（2）课题已经取得的成果
长波重力场模型
重力卫星定轨：完成利用星载GPS资料 对卫星进行精密定轨软件, 确定轨 道的径向定轨精度好于5厘米，三维 精度在12厘米左右。
重力卫星长波模型：完成利用CHAMP、 GRACE卫星资料解算地球重力场的软 件。解算了36阶CHAMP地球重力场模 型CDS01、80阶GRACE地球重力场模 型CDS02。
完成利用星载 GPS资料对卫 星进行精密定 轨软件, 确定 轨道的径向定 轨精度好于5 厘米，三维精 度在12厘米左 右。
NORMAL DIFFERENCE WRT GFZ PSO(m)
TANGENTIAL DIFFERENCE WRT GFZ PSO(m)
RADIAL DIFFERENCE WRT GFZ PSO(m)
地球重力场仿真系统研究
课 题 编 号： INF105-SCE-02-22 课题承担单位：中科院测量与地球物理研究所
课 题 负责人： 陆 洋
2005年8月3-5日北京平谷 IGG
10wk.baidu.com
20
30
40
50
60
70
80
Degree
不同模型之间位系数差对应大地水准 面起伏 (m)
与国际的 GRACE模型 差异较小
时间变化重力场
1、利用GRACE资料解算了12阶/天 随时间变化的地球重力场 （2003.01-12）。
2、地球重力场位系数的时变性及其 地球物理机制。
3、海洋质量变化引起的重力场变化 值解算
GRACE卫星恢复的重力场模型比较 双卫星跟踪+加速度计
解算的GRACE卫星重力模型与其它模型比较结果
m
0.16 0.14 0.12 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00
0
CDS02-EGM96 CDS02-EIGEN-GRACE02S CDS02-GGM01C CDS02-EIGEN3P
水文模型资料推算水高（GFZ）
海洋质量变化引起的时变重力重力异常
2003年1-12月海洋质量变化引起的重力场月变化值。
IGG
甚高阶次重力场模型并行软件
1、构造甚高阶次模型计算的可行性理 论及实际运算分析 2、甚高阶次模型系数解算以及应用并 行软件
IGG
构建甚高阶次模型计算的可行性理论及实际运算分析
MJD 图7.3 C 的变 化
90
GRACE时变地球重力场与全球水质量变化分布
利用14个月GRACE资料得到的随时间变化的地球重力场， 反演了陆地水和海水的季节性质量变化分布，与陆地水和 水文观测资料推算的质量变化分布基本吻合，表明GRACE 能测定出大尺度水质量变化，反之亦然。
GRACE资料推算水高(IGG)
u cos S means Southern
N means Northern
勒让德函数数值计算稳定性检验
理论值:
Tp
1E-005
n
TP [Pnm (u)]2 (2n 1) 0 m0
1E-007
1E-009
1E-011
1E-013
1E-015 1E-017 1E-019
up to 1800 degrees by double precision up to 3600 degrees by double precision up to 3600 degrees by quod precision up to 5400 degrees by quod precision
IGG
课题总体设计框图
长波模型
甚高阶仿真模型
时变仿真模型
综合应用
IGG
本期课题设计的主要建设（研发）内容：
重力卫星资料解算高精度地球重力场方法、软件开发 甚高阶重力场仿真模型（1800-5400阶次）计算及并行化处理 时变地球重力场仿真模型的表示方法、算法设计及软件开发
（1）课题总体工作进展情况
本期课题预期目标：
利用地面和空间不同类型重力资料,研制地球 重力场仿真系统基础软件。
课题研究最终目标： 开发研制高计算效率的地球重力场仿真软件系统
科学目标: 超高分辨率、时变地球重力场模型 应用目标: 把地面与空间的海量数据变为人们可以理解和直
接应用的信息，全方位提供地面应用、空间以及水下 航行器安全运行的参考数据。
-0 .1 5
-0.2 0
20000
40000
60000
GPS SECONDS
80000
与GFZ轨道差（m） (从上向下分别为X、Y和Z轴方向)
100000 100000 100000
不同重力场模型之间位系数差异之累计差
CDS01 ← CHAMP 60阶 CDS02 ← GRACE 80阶
CHAMP卫星恢复的重力场模型比较 单颗卫星+加速度计
IGG
大气质量分布变化与地球引力场位系数变化
10-10
10-10
0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 -0.2 -0.4 -0.6
52860
Air GRACE
52870
52880
52890
MJD
图7.5 C80的变 化
52900
0.6
Air
0.4
GRACE
0.2
0.0
-0.2
-0.4
-0.6 52810 52820 52830 52840 52850 52860 52870 52880 52890
• 超级计算机的出现使我们可以解决大规模 数值计算问题.
• 并行计算的应用大大缩减的计算时间. • 64位计算机可以解决超高阶次勒让德函数
及其积分的收敛问题.
勒让德函数数值计算稳定性检验
规则1.勒让德函数 Pnm 稳定性检验
n
Tp [Pnm (u)]2 (2n 1) 0 m0
规则2.勒让德函数积分 Inm 稳定性检验 TI [Inm (uS ,u) Inm (u,uN )] Inm (uS ,uN ) 0
定轨精度——与GFZ比较
0 .1 0 .0 5
0 -0 .0 5
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-0.2 0
0 .4
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40000
60000
GPS SECONDS
80000
0 .2
0
-0.2
-0.4 0
0 .1
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60000
GPS SECONDS
80000
0 .0 5
0
-0 .0 5
-0.1
1．完成程序编制工作，模拟计算全面通过 2．初步完成各文档编写工作 3．正在进行软件集成工作
IGG
（2）课题已经取得的成果
长波重力场模型
重力卫星定轨：完成利用星载GPS资料 对卫星进行精密定轨软件, 确定轨 道的径向定轨精度好于5厘米，三维 精度在12厘米左右。
重力卫星长波模型：完成利用CHAMP、 GRACE卫星资料解算地球重力场的软 件。解算了36阶CHAMP地球重力场模 型CDS01、80阶GRACE地球重力场模 型CDS02。
完成利用星载 GPS资料对卫 星进行精密定 轨软件, 确定 轨道的径向定 轨精度好于5 厘米，三维精 度在12厘米左 右。
NORMAL DIFFERENCE WRT GFZ PSO(m)
TANGENTIAL DIFFERENCE WRT GFZ PSO(m)
RADIAL DIFFERENCE WRT GFZ PSO(m)