确定高精度全球重力场模型及局部大地水准面一直都是大地测量领域的基础研究任务之一,也是应对全球气候变暖、极地冰盖融化、海平面上升和重大地质灾害等世界各国和科学家们关注问题的基础地理空间信息。航空重力测量是目前提高重力场空间分辨率及中短波信号精度的一种快速有效的测量手段,是目前快速获取大面积超高分辨率重力观测数据的唯一可行技术,对于解决全球大面积无人区的重力测量起到了重要作用。随着航空重力测量观测精度的不断提高,近年来得到大地测量学家的高度重视,本世纪初多个国家开始实施目的为精化大地水准面或建立全球重力场的航空重力项目,主要采用平台式测量系统,同时捷联式测量系统的实验研究也成为热门。因此,航空重力测量数据处理及其应用研究,已经成为大地测量领域的热点研究方向。本文的研究目标是,在学习总结国内外研究成果的基础上,全面掌握航空重力测量数据处理的实用方法和算法,重点研究误差改正、平台式和捷联式重力数据融合方法、向下延拓方法,形成一套航空重力测量数据综合处理软件系统。本文的主要工作包括以下几个方面:1.评述航空重力测量数据处理及其应用研究在现代大地测量学发展和相关地球科学交叉研究中的作用,总结航空重力测量技术的发展阶段和研究成果,简述各种航空重力测量技术和方法的一般原理和共性,提出目前有待解决的关键性技术问题。2.研究平台式航空重力测量的基本原理,重点研究航空重力测量比力和确定加速度的理论、重力仪摆杆运动方程,并总结误差改正的数学模型。研究捷联式惯性导航系统测量比力原理、惯导解算原理方法,给出航空重力测量对惯性导航系统中加速度计的精度要求,详细分析由加速度计引起零偏误差的分类和成因。3.研究总结航空重力测量的系统误差事后处理方法,分析研究航空重力向下延拓过程中的误差影响,推导系统误差和偶然误差影响的计算公式,为定量分析系统误差和偶然误差影响做准备。重点研究应用半参数模型估计系统误差,并利用实测数据验证其有效性和分析其适用性。4.研制开发航空重力测量数据综合处理软件系统,包括标量数据处理、捷联式与平台式重力数据融合、向下延拓、多种重力数据融合和重力大地水准面确定等功能。本文的主要研究成果与贡献:1.深入研究了航空标量重力测量数据处理理论,发现Arne Olesen博士论文中基于平台建模的倾斜误差改正公式理论上不严密,本文推导了严密的倾斜误差改正公式,实测数据处理结果验证了其正确性。2.在深入分析捷联式和平台式重力测量的缺陷后,提出将平台式和捷联式航空重力数据融合处理的新思路,导出了相应的理论公式。利用南极实测航空重力数据对本文提出的思路进行了验证分析,融合前捷联式航空重力数据精度为4.1mgal,融合后精度提高到3.1mgal。3.推导出航空重力数据系统误差和偶然误差对向下延拓影响的公式,分析了航空重力数据向下延拓过程中两类误差的变化特性,发现它们的影响均与数据格网间隔、向下延拓高度呈线性关系,当格网化间隔较小和延拓高度较高时系统误差影响和偶然误差影响较大。4.提出了基于半参数模型的逆泊松积分方法,该方法采用了补偿最小二乘法和光滑参数的优化算法,可实现“不用外部数据”就可同时估计系统误差和地面重力异常。对路易斯安那州航空重力实测数据和青藏高原模拟数据处理的结果说明,不论是山区还是平坦地区,新方法的向下延拓精度均优于传统的逆泊松积分法。5.提出半参数模型正则化联合算法,该方法可在估计系统误差的同时,又可在一定程度上减弱偶然误差影响,进而提高向下延拓精度。采用路易斯安那州航空重力实测数据对该方法开展了验证,在向下延拓高度11km和格网间隔6’的条件下,联合算法优于仅用半参数模型或正则化算法的结果,向下延拓结果的精度达到2.922mgal。6.比较了本文提出的半参数模型正则化的联合算法和最小二乘配置法,并进行了向下延拓实验,在青藏高原区域结果最小二乘配置法较优,在路易斯安那州联合算法较优,从实验分析发现最小二乘配置法的精度依赖于先验参数的精度,并进行了台湾航空重力数据的向下延拓实验,结果精度达到了 11.653mgal,比黄金维采用的傅里叶变换向下延拓的精度(19.5mgal)提高了近一倍(Hwang et al.,2007)。7.联合GOCE、航空、船测和陆地重力数据确定台湾重力大地水准面,采用最小二乘配置融合多类重力数据,利用残差地形改正计算地形影响,移去恢复重力场模型,使用二维FFT计算Stokes积分确定台湾重力大地水准面,与GPS水准检核后精度为0.126m,与发布的条件相近的台湾重力大地水准面精度相当(Hwang et al.,2007)。8.形成了一套航空重力测量数据综合处理软件系统,包括航空重力标量数据处理、捷联式与平台式重力数据融合、重力数据向下延拓、多种重力数据融合和重力大地水准面确定等功能。