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地球重力場是反映地球物質空間分布、運動和變化，且制約地球和鄰近空間的一件基本實體事件，它不僅是一種實體場，還是地球固有實體特性之一。地表中，海洋的覆寫率達到地球表面積的百分之七十，于是海洋重力場構成了地球重力場的關鍵部分，成為了一門研究地球科學中的重要研究課題，也為完善地球重力場提供不可忽視的研究價值。
如今，海洋重力場在海底深度預測、闆塊構造和岩石圈結構研究、海底火山研究、石油勘探、極地冰蓋層監測、慣性導航領域、全球氣候以及海平面變化動态監測等方面都發揮着較為重要的應用價值。
衛星測高技術的發展
19世紀70年代，美國國家航空航天局首次提出一個設想，即利用測高技術反映海洋大地水準面資訊。然而，由于前期航空領域發展水準有限，直到20世紀70年代，衛星測高以一門新型技術而迅速發展後，測高技術才開始應用于廣闊海域精确海面高的擷取。
1971年，美國宇航局（NASA）發射了第一顆搭載高度計的實驗衛星Skalab，是以在測高衛星上搭載高度計的模式正式開啟。1975年，美國宇航局發射第一顆專門用于海面高度測定的海面地形衛星GEOS-3，該衛星有效解決了廣闊海域錯綜複雜的海面地形問題。如圖所示，由于衛星測高技術領域的快速發展，測高衛星數量也有較大變化，特别是航天實力較強的西方國家，測高衛星數量占到80%以上，截至目前，據統計的測高衛星數量近20顆。
衛星測高技術反演海洋重力場進展
目前國際上全球海洋重力場模型主要有兩大系列：美國斯克利普斯海洋研究所建構的SS系列模型；丹麥科技大學建構的KMS-DNSC-DTU系列模型。通常測高技術反演海洋重力場模型的品質主要由其精度和空間分辨率兩個因素決定，而影響這兩個方面因素主要由以下5個方面：衛星測高精度；衛星軌迹覆寫密集程度；各種軌道定軌技術；相關誤差濾波處理技術；引入的相關修正模型精度。
由于航空空間技術的迅速發展，測高衛星資料逐漸積累、定軌精度逐漸提升、資料處理技術日益完善、高階次和高精度重力場模型及海面地形模型的引入等因素使得海洋重力場模型的空間分辨率和精度逐漸提升，于是在海洋學、地球實體學、大地測量學、地球動力學等各領域的應用都具有較好的前景。
衛星測高原理
衛星測高技術的原理主要是先利用測高衛星搭載的雷達高度計發射的脈沖信号反射到接收天線确定所需要的時間，然後利用光在空氣中的傳播速度來計算衛星到海面反射點處的距離值。具體示意圖如圖所示。
參考軌迹的選取
由于共線處理是把很多軌迹資料歸算到一條軌迹上，這條軌迹即是參考軌迹。首先，我們需要擷取軌迹上測高資料較優的參考軌迹，因為擷取一個較優的參考軌迹更加有利于計算海面高度。目前常采用軌道參數法和實測資料法進行參考軌迹的選擇，軌道參數法指的是通過測高衛星設定的軌道參數來首先計算衛星星下點軌迹中正常點的位置，然後得到設定的理論參考位置。
然而，理論上計算參考軌迹較為複雜且軌迹較多，較多軌迹并不确定是否在海洋中，這對進一步确定實際參考軌迹又會增加複雜難度，還會擷取較為順滑的衛星軌道，導緻很多實際存在的噪聲不能夠得以展現的問題。相對而言，實測資料法較為簡單，即通常把所有周期的資料進行彙總，選擇其中軌迹資料分布較為均勻且資料量分布較大的一個軌迹作為參考軌迹，但是會有較為明顯的結果随機性并且結果會随着外部環境的變化而改變。
擷取參考軌迹的正常點處海面高值
擷取實驗區域内的參考軌迹後，需要進一步擷取參考軌迹的正常點處的海面高度值。目前，擷取正常點的計算方法主要有兩種：直線拟合法；距離權重平均法。其中，直線拟合法是利用拟合的方法對于共線資料進行拟合，對拟合後的資料進行平均後便得到了參考軌迹上的正常點處的海面高。
然而，距離權重平均法是在非參考軌迹上選擇正常點大小相近的一定數目點數的值歸算到參考軌迹的正常點上，然後對于計算後的資料進行權重平均，便得出參考軌迹上正常點的海平面高資料值。相比于直線拟合法，距離權重平均法參與計算資料量較多，能夠更加逼近軌迹上正常點的實際值，能夠很大程度避免偶然誤差，是以更有利于進行海面高數值的擷取，距離權重平均法具體流程圖見圖。
測高衛星實驗資料
随着空間技術水準的快速發展，測高衛星正源源不斷的增加，這為測高技術反演海洋重力場提供了足夠多的資料源。由于海洋重力場的精度和分辨率不光與測高衛星的資料量有關還與測高衛星資料類型密不可分。具體資料類型見下表。例如，在2012年5月~2013年6月期間，Jason-1測高衛星即将停止運作的時候，通過從赤道間距為315km變為7km，是以空間分布變得更加的密集，對于反演高精度和高空間分辨率的海洋重力場産生了重大的影響。
上表為測高衛星Jason-1的産生的兩種資料模式，不同模式的軌道間距不同也導緻周期發生着變化，具體軌迹分布對比如圖所示。
如圖所示，Jason-1測高衛星的第一階段Phase1相比于最後階段的GM資料軌迹來說間距相間過大，也就表明了最後一個階段區域内資料分布較為密集。是以，本文主要對于GM類型的資料進行處理，對于2°×2°的局部海域（區域1：經度112°E~114°E，緯度12°N~14°N，區域2：經度124°E~126°E，緯度24°N~26°N）反演海洋重力場。
垂線偏差
目前來說，由于沒有合适的外部檢驗垂線偏差的模型，目前通常來說主要以EGM2008來進行檢驗，圖中為以EGM2008為參考場擷取的2′×2′的殘餘垂線偏差分量基準圖。
反演結果與海洋重力場模型之間的檢核
為了證明所選擇區域研究結果的正确性，本文對于研究區域擷取的海洋重力場進行外部和内部的檢核。其中内部的檢核主要針對各種全球海洋重力場模型展開的工作，外部檢核主要是把反演結果與船測資料進行對比。
本文選取目前國際上認可較高的丹麥科技大學的Andersen團隊的DTU系列中的DTU17和美國海洋研究所的Sandwell團隊的SS系列的SSV28.1海洋重力場模型，這兩種模型彙總衛星測高資料，船測資料，地球重力場資料，航空重力場資料等，研究區域内海洋重力場模型見下圖。對于船測資料的選擇，主要是采用美國（NGDC）提供的全球海洋重力資料集。
傳統加密重構海洋重力基準圖的理論和方法研究
由于目前利用衛星測高技術反演海洋重力基準圖的基準圖最高空間分辨率為1′×1′，這極大的限制了海洋重力基準圖用于海底資源探尋，水下導航等領域的應用，是以需要對于反演的重力基準圖進行插值重構來獲得精度損失有限但是空間分辨率更高的重力基準圖。下表表示幾種常用的插值重構方法進行插值重構實驗的結果統計。
下表的統計結果展示了傳統克裡金法相比于其它幾種插值重構方法具有較好的結果。然而，傳統克裡金插值方法在海洋重力基準圖的插值重構過程中仍然有較大的精度損失，是以本文将在傳統克裡金插值方法基礎上進行改進，提出一種空間分辨率提高的同時精度損失較小的方法。
基于新型平均海平面三維修正法
平均海平面主要通過衛星測高技術來測量，随着空間定位技術水準的提高，測高技術的研究及應用領域得到進一步的拓展和深化，已經能夠為海洋地區提供具有統一高程基準以及高精度和高空間分辨率的大地水準面。衛星測高技術的間接應用就是進行海洋重力場的反演，通過先擷取平均海平面高值(即除去海面地形的後數值)，然後結合大地水準面轉化重力場公式來擷取海洋重力場。如圖即為大地水準面與平均海平面關系圖。
平均海平面三維修正法驗證
為了進一步驗證基于廣義指數模型的新型平均海平面三維修正法的有效性和可靠性，本文分别對于多種不同空間分辨率海洋重力基準圖進行加密重構實驗，如4′×4′加密為2′×2′和1′×1′、3′×3′加密為1′×1′、2′×2′加密為1′×1′等。
首先，對所選區域用傳統克裡金二維插值法進行實驗，擷取的海洋重力基準圖如圖5-6所示。同時，下圖對應的三維格網點處誤差逼近圖。通過圖中(a)、(b)、(c)和(d)四幅圖對比，發現不同起始空間分辨率資料加密重構後的海洋重力基準圖有較多區域性的差異(如西北區域及其它個别區域)。
然後，對比圖中三維格網點處誤差逼近圖(a)、(b)、(c)和(d)可得，随着原始資料空間分辨率的提升，逼近誤差逐漸縮小。例如，圖(a)的誤差逼近範圍約為-30~15mGal，圖(d)的誤差逼近範圍約為-5~3mGal。
總結
通過共線處理方法對衛星測高資料進行預處理，再進一步利用權重交叉點平差法進行綜合平差處理，可以提高交叉點處海平面高的精度。實驗結果表明，利用該方法可将交叉點處的均方根從6.24cm下降到4.63cm。
在衛星測高資料與處理和權重平差的基礎上，完成了中國南海局部區域的海洋重力場反演工作，得出兩個區域的空間分辨率為2′×2′垂線偏差和重力異常基準圖。其中，垂線偏差與參考重力場EGM2008相比，均方根誤差都小于2角秒，同時在廣闊海域更是優于1角秒。
對于擷取的海洋重力場來說，通過和船測資料進行比較，區域1的精度達到了4.7482mGal，區域2的精度為4.8437mGal，都優于5mGal。于是，該區域性的海洋重力場能夠為大陸船測海洋重力資料不足提供一定參考性的重力資料。
進行了各種海洋重力異常基準圖加密重構研究，提出一種基于傳統克裡金插值算法的新的加密重構方法。将4′×4′、3′×3′和2′×2′的海洋重力異常基準圖加密為1′×1′的海洋重力異常基準圖為例，對改進的新型平均海平面三維修正法進行了實驗驗證，較傳統克裡金二維插值法的精度分别提升了62.25%、140.92%和104.93%。
是以，對于水下重力比對導航需求的高精度和高空間分辨率的重力基準圖具有重要的研究意義。