65N21 Inverse problems
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Nowadays one of the major objectives in geosciences is the determination of the gravitational field of our planet, the Earth. A precise knowledge of this quantity is not just interesting on its own but it is indeed a key point for a vast number of applications. The important question is how to obtain a good model for the gravitational field on a global scale. The only applicable solution - both in costs and data coverage - is the usage of satellite data. We concentrate on highly precise measurements which will be obtained by GOCE (Gravity Field and Steady State Ocean Circulation Explorer, launch expected 2006). This satellite has a gradiometer onboard which returns the second derivatives of the gravitational potential. Mathematically seen we have to deal with several obstacles. The first one is that the noise in the different components of these second derivatives differs over several orders of magnitude, i.e. a straightforward solution of this outer boundary value problem will not work properly. Furthermore we are not interested in the data at satellite height but we want to know the field at the Earth's surface, thus we need a regularization (downward-continuation) of the data. These two problems are tackled in the thesis and are now described briefly. Split Operators: We have to solve an outer boundary value problem at the height of the satellite track. Classically one can handle first order side conditions which are not tangential to the surface and second derivatives pointing in the radial direction employing integral and pseudo differential equation methods. We present a different approach: We classify all first and purely second order operators which fulfill that a harmonic function stays harmonic under their application. This task is done by using modern algebraic methods for solving systems of partial differential equations symbolically. Now we can look at the problem with oblique side conditions as if we had ordinary i.e. non-derived side conditions. The only additional work which has to be done is an inversion of the differential operator, i.e. integration. In particular we are capable to deal with derivatives which are tangential to the boundary. Auto-Regularization: The second obstacle is finding a proper regularization procedure. This is complicated by the fact that we are facing stochastic rather than deterministic noise. The main question is how to find an optimal regularization parameter which is impossible without any additional knowledge. However we could show that with a very limited number of additional information, which are obtainable also in practice, we can regularize in an asymptotically optimal way. In particular we showed that the knowledge of two input data sets allows an order optimal regularization procedure even under the hard conditions of Gaussian white noise and an exponentially ill-posed problem. A last but rather simple task is combining data from different derivatives which can be done by a weighted least squares approach using the information we obtained out of the regularization procedure. A practical application to the downward-continuation problem for simulated gravitational data is shown.
Die Bestimmung des Erdgravitationspotentials aus den Meßdaten des Forschungssatelliten CHAMP lässt sich als Operatorgleichung formulieren (SST-Problem). Dieser Ansatz geht davon aus, dass ein geometrischer Orbit des Satelliten CHAMP vorliegt. Mittels numerischer Differentiation unter Einsatz eines geeigneten Denoising Verfahrens kann dann aus dem geometrischen Orbit der Gradient des Potentials längs der Bahn bestimmt werden. Damit sind insbesondere die Radialableitung (und der Flächengradient) auf einem Punktgitter auf der Bahn bekannt. In einem erdfesten System stellt sich dies als eine nahezu vollständige Überdeckung der Erde (bis auf Polar Gaps) mit einem ziemlich dichten Datengitter auf Flughöhe des Satelliten dar. Die Lösung der SST-Operatorgleichung (Bestimmung des Potentials auf der Erdoberfläche aus Kenntnis der Radialableitung auf einem Datengitter auf Flughöhe) ist ein schlecht gestelltes inverses Problem, das mit einer geeigneten Regularisierungstechnik gelöst werden muß. Im vorliegenden Fall wurde eine solche Regularisierung mit Hilfe von nicht-bandlimitierten Regularisierungsskalierungsfunktionen und Regularisierungswavelets umgesetzt. Diese sind stark ortslokalisierend und führen daher auf ein Potentialmodell, welches eine Linearkombination stark ortslokalisierender Funktionen ist. Ein solches Modell kann als Lokalmodell auch aus nur lokalen Daten berechnet werden und bietet daher gegenüber Kugelfunktionsmodellen wie EGM96 erhebliche Vorteile für die moderne Geopotentialbestimmung. Die Diskretisierung und numerische Umsetzung der Berechnung eines solchen Modells erfolgt mit Splines, die hier ebenfalls Linearkombinationen stark ortslokalisierender Funktionen sind. Die großen linearen Gleichungssysteme, die zur Berechnung der glättenden oder interpolierenden Splines gelöst werden müssen, können auf schnelle und effiziente Weise mit dem Schwarzschen alternierenden Algorithmus in Verbindung mit schnellen Summationsverfahren (Fast Multipole Methods) gelöst werden. Eine Kombination des Schwarzschen alternierenden Algorithmus mit solchen schnellen Summationsverfahren ermöglicht eine weitere erhebliche Beschleunigung beim Lösen dieser Gleichungssysteme. Zur Bestimmung von Glättungsparametern (Spline-Smoothing) und Regularisierungsparametern kann die L-Curve Method zum Einsatz kommen.