位场球谐分析的基本理论.doc

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1、2007.5692007.5692007.569第二章位场球谐分析的基本理论球谐分析是卫星重力和磁场数据分析解释主要工具。地球外部的重力场可以表示成球谐级数形式，同时，通过不同阶次的球谐展开，可以对地球重力场进行分析，以达到显示地球重力场特征，进而研究地球重力异常各种成因的目的。本章主要介绍论文所涉及的球谐分析的一些基本理论。§2.1位场拉普拉斯方程的解可以证明，地球外部引力场是调和的，其满足拉普拉斯方程。在不同的坐标系中，拉普拉斯方程有不同的形式，为了便于讨论，本节分别对直角坐标系和球坐标系中拉普拉斯

2、方程的求解进行讨论。2.1.1直角坐标系中拉普拉斯方程的解假设V表示地球引力位，其为直角坐标系中空间点(x,y,z)的调和函数，则有Ñ2V=0，即(2-1)用分离变量法解方程，令代入方程（2-1）则有2007.569式中X²,Y²,Z²分别为X,Y,Z对x,y,z的二次导数。解方程，得V(x,y,z)的一般表达式其中为待定常数，根据边界条件来确定。2.1.1球坐标系中拉普拉斯方程的解在球坐标系中，引力位V可表示为空间点(r,q,l)的函数，即V(r,q,l)，其中r为点的坐标径向距离，q为余纬度，l为经

3、度，如图2-1所示。引力位V的拉普拉斯方程可表示成(2-2)图2-1球坐标系同理，可以用分离变量法解方程(2-2)，即令2007.569代入方程(2-2)，则有(2-2a)上式中只第三项与有关，则第三项是一常数。令(2-3)其中m是整数，可解得代入方程(2-2)，则有(2-4)从上式可以看出，左边第一项只与有关，第二项只与有关，则两项都是常数。令(2-5)这里n为整数。解方程(2-5)，可得2007.569当r→¥时，V有限，可知C=0.将(2-4)和(2-5)代入方程(2-2a)，则有(2-6)方程(

4、2-6)解的形式为其中为连带勒让德函数，其中m是整数，是常参数。当m,n取不同的整数值时，方程(2-3)和(2-5)的解是特解，考虑到位场的叠加性质，将所有这些特解累加起来，的一般表达式可写成(2-7)其中和是常参数。可以证明，地球外部引力位的球谐表达式可以写成(2-8)其中和是通常所称的球谐系数。§2.2勒让德函数与连带勒让德函数2.2.1勒让德与连带勒让德函数的一般形式及其递推公式2007.569勒让德函数球谐函数的核心组成部分。根据上一节方程(2-6)，把解代入，可得当m＝0时，把x=cosq代入

5、，可得到勒让德方程，即（2-9）解方程(2-9)，可得勒让德函数表达式，即显然，勒让德函数的级数表达形式为(2-10)其中为中最大的整数值。如图2-2所示，勒让德函数具有以下性质：(1)当是偶数时是偶函数，是奇数时是奇函数;(2)在[–1，+1]的区域内有个零点。2007.569图2-2(a)函数P0(x)~P6(x)在区间[-1,1]上的图形；(b)函数P6(x)在球面上的图形，其中x=cosq，灰色和白色分别代表正负区域。当m¹0时，把x=cosq代入，方程(2-9)变成连带勒让德方程，即解方程可得

6、连带勒让德函数微分表达式为连带勒让德函数级数展开形式可写成(2-11)2007.569利用(2-10)及(2-11)式可以计算勒让德函数。然而，计算高阶勒让德多项式时不方便的，需要导出其递推公式。由(2-12)(2-13)(2-14)由此可知，把m＝0代入(2-13)即可得到(2-12)，因此(2-13)是一个通式。由此可得，与勒让德多项式导数有关的四个基本递推公式为(2-15)(2-16)(2-17)(2-18)其中表示对多项式的求导。与连带勒让德函数有关的四个基本递推公式为(2-19)2007.56

7、9(2-20)(2-21)(2-22)当时，则令。2.2.1球函数的规格化勒让德函数与连带勒让德函数在[-1，1]区间都是非规格化的正交系。可以证明，勒让德函数和连带勒让德函数随着增大函数值也增大，对于连带勒让德函数来所，特别是当时，更是如此，这对实际应用是不方便的。为了避免这种现象，总是将它规格化，即使得这里是规格化后的连带勒让德函数。规格化前后有下列关系为式中为克罗内克符号，当k=0时值为2，当k>0时值为1.假如有一个函数，它在整个单位球面上（）函数值时已知，如果展成N阶球谐函数，则有2007.5

8、69(2-23)其中上式即为规格化前后的球谐系数之间的互换关系。§2.3球谐变换从前面的讨论可知，若已知球谐系数，就可以确定球谐函数。但如果已知球谐系数，也可以通过积分获得球谐系数，这种互换的过程通常称为球谐变换。2.3.1球谐系数的求取根据方程(2-23)，球函数展开成球谐级数，其中区间为[0,2p]，q区间为[0,p]，其表达式为(2-23a)其中为规格化连带勒让德函数，，为规格化球谐系数。假设为两个与有关的参数，根据求取傅立叶级数系数