基于下一代四星转轮式编队系统精确和快速反演FSCF地球重力场

第一,由于重力卫星编队轨道的稳定性设计是建立下一代高精度和高空间分辨率地球重力场模型的关键,因此为保证下一代四星转轮式编队系统的稳定性,轨道根数的最优设计如下:(1)轨道半长轴a、轨道偏心率e、轨道倾角i和升交点赤经Ω保持不变;(2)每对卫星的近地点幅角ω和平近点角M分别相差180°;(3)初始近地点辐角ω设置于赤道处,初始平近点角M设计于极点处;(4)卫星编队系统椭圆轨道的半长轴和半短轴之比为2:1. 第二,基于下一代四星转轮式编队系统,利用星间速度插值法,通过相关系数(激光干涉测量系统的星间速度0.85、GPS接收机的轨道位置和轨道速度0.95、星载加速度计的非保守力0.90)、观测时间30天和采样间隔10 s,反演了120阶FSCF-1/2/3/4(Four-Satellite Cartwheel Formation)地球重力场,在120阶处累计大地水准面精度为1.162×10^-4 m,较目前GRACE地球重力场精度至少提高一个数量级. 第三,下一代四星转轮式编队系统具有低轨道高度、高精度测量、全张量观测、弱混频效应和强时变信号的优点.     

基于GRACE Follow-On卫星重力梯度法精确反演地球重力场

由于GRACE Follow-On双星系统等效于基线长为星间距离的一维水平重力梯度仪,因此本文基于GRACE Follow-On卫星重力梯度法开展了精确和快速反演下一代地球重力场的可行性论证研究. 研究结果表明：第一,基于GRACE Follow-On卫星重力梯度法（GFO-SGGM）,利用卫星轨道参数（轨道高度250 km、星间距离50 km、轨道倾角89°、轨道离心率0.001）、关键载荷测量精度（星间距离10^-6 m、星间速度10^-7 m·s^-1、星间加速度10^-10 m·s^-2、轨道位置10^-3 m、轨道速度10^-6 m·s^-1、非保守力10^-11 m·s^-2）、观测时间30天和采样间隔10 s反演了120阶地球重力场,在120阶处累计大地水准面精度为9.331×10^-4 m. 第二,在120阶内,利用将来GRACE Follow-On双星反演地球重力场精度较现有GRACE双星平均提高61倍,因此GRACE Follow-On卫星重力梯度法是进一步提高地球重力场反演精度的优选方法. 第三,下一代GRACE Follow-On计划较当前GRACE计划的优点如下：轨道高度更低（200~300 km）、载荷精度更高（10^-7 ~10^-9 m·s^-1）和星间距离更短（50~100 km）.     

基于残余星间速度法精确和快速反演下一代GRACE Follow-On地球重力场

基于新型残余星间速度法(RIRM)反演了120阶GRACE Follow-On地球重力场.第一,由于GPS定轨精度相对较低,通过将激光干涉测距仪的高精度残余星间速度(测量精度10-7 m·s-1)引入残余轨道速度差分矢量的视线分量构建了新型RIRM观测方程.第二,基于2点、4点、6点和8点RIRM公式对比论证了最优的插值点数.如果相关系数和采样间隔一定,随着插值点数的增加,卫星观测值的信号量被有效加强,而卫星观测值的误差量也同时增加.因此,6点RIRM公式是提高下一代地球重力场精度的较优选择.第三,相关系数对地球重力场精度的影响在不同频段表现为不同特性.随着相关系数的逐渐增大,地球长波重力场精度逐渐降低,而地球中长波重力场精度逐渐升高.第四,基于6点RIRM公式,通过30天观测数据和采样间隔5s,分别利用星间速度和残余星间速度观测值,在120阶次处反演下一代GRACE Follow-On累计大地水准面精度为1.638×10-3 m和1.396×10-3 m.研究结果表明:(1)残余星间速度观测量较星间速度对地球重力场反演精度更敏感;(2)GRACE FollowOn地球重力场精度较GRACE至少高10倍.     

联合串行式和钟摆式卫星编队精确建立下一代HIP-3S地球重力场模型

第一,基于扰动星间距离观测量对地球重力场反演精度的敏感性优于星间距离观测值的特性,本文构建了新型扰动星间距离法(DIRM).第二,有效检验了下一代HIP-3S编队的轨道稳定性,结果表明:HIP-3S编队较稳定,有利于提高地球重力场反演精度.第三,基于扰动星间距离法,分别利用当前GRACE-2S串行式双星编队和下一代HIP-3S复合式三星编队精确反演了120阶地球重力场,在120阶处累计大地水准面精度为2.271×10~(-1)m和1.923×10~(-3)m,结果表明:HIP-3S复合式三星编队有利于建立下一代高精度和高空间分辨率的地球重力场模型.     

模拟分析低低跟踪模式重力卫星反演地球重力场的精度

本文利用卫星重力反演与模拟软件ANGELS系统(ANalyst of Gravity Estimation with Low-orbit Satellites)对低低跟踪模式的重力卫星的关键载荷精度指标进行了深入分析.模拟结果表明:(1)对短弧长积分法而言,在低低跟踪模式的关键载荷精度指标中,重力场反演精度对星间距离变率精度最为敏感;(2)通过对目前在轨运行GRACE的载荷指标进行分析,发现轨道数据的误差主要影响重力场的低阶部分(约小于25阶),较高阶次部分(约大于26阶)主要受星间距离变率的误差限制;(3)如果下一代低低跟踪模式的重力卫星的目标之一是把重力异常反演精度较GRACE提高约10倍,则在保持轨道高度和GRACE相同的前提下,轨道、星间距离变率和星载加速度计等关键载荷指标需要达到的最低精度分别约为2cm、10nm·s-1和3.0×10-10 m·s-2;(4)轨道精度和混频误差将是影响下一代低低跟踪模式重力卫星重力场恢复能力进一步提高的主要制约因素,距离变率精度和加速度计精度存在盈余.     

基于新型能量插值法精确建立GRACE-only地球重力场模型

本文基于新型能量插值法,利用美国喷气推进实验室(JPL)公布的2008年的GRACE-Level-1B实测数据,反演了120阶GRACE地球重力场.首先,由于GPS轨道测量精度相对较低,通过将K波段测距仪高精度的星间距离观测量插值引入双星动能差中,进而建立了新型能量插值卫星观测方程.其次,详细对比分析了2点、4点、6点和8点能量插值观测方程对地球重力场反演精度的影响.研究结果表明:基于最优的信噪比,6点能量插值公式有利于提高120阶GRACE地球重力场的反演精度.最后,基于美国、欧洲和澳大利亚的GPS/水准观测数据检验了本文新建立的WHIGG-GEGM03S地球重力场模型的正确性和有效性.     

基于残余星间速度法精确和快速反演下一代GRACE Follow-On地球重力场

基于新型残余星间速度法（RIRM）反演了120阶GRACE Follow-On地球重力场. 第一,由于GPS定轨精度相对较低,通过将激光干涉测距仪的高精度残余星间速度（测量精度10^-7 m·s^-1）引入残余轨道速度差分矢量的视线分量构建了新型RIRM观测方程. 第二,基于2点、4点、6点和8点RIRM公式对比论证了最优的插值点数. 如果相关系数和采样间隔一定,随着插值点数的增加,卫星观测值的信号量被有效加强,而卫星观测值的误差量也同时增加. 因此,6点RIRM公式是提高下一代地球重力场精度的较优选择. 第三,相关系数对地球重力场精度的影响在不同频段表现为不同特性. 随着相关系数的逐渐增大,地球长波重力场精度逐渐降低,而地球中长波重力场精度逐渐升高. 第四,基于6点RIRM公式,通过30天观测数据和采样间隔5 s,分别利用星间速度和残余星间速度观测值,在120阶次处反演下一代GRACE Follow-On累计大地水准面精度为1.638×10^-3 m和1.396×10^-3 m. 研究结果表明：（1）残余星间速度观测量较星间速度对地球重力场反演精度更敏感;（2）GRACE Follow-On地球重力场精度较GRACE至少高10倍.     

新一代GRACE重力卫星反演地球重力场的预期精度

基于低低卫卫跟踪模式,本文主要探讨利用动力学法融合精密轨道数据和星间测距或距离变率数据求解地球重力场的基本原理与方法,该方法既可对两颗低低跟踪卫星的初始状态误差进行有效校正,也可充分利用低轨卫星轨道所包含的低频重力场信息.为探讨适合我国国情的低低跟踪模式下的重力卫星指标,本文以不同星载设备精度指标的组合进行模拟计算,模拟结果显示:(1)把GRACE卫星的星间距离变率指标提高一个量级,其余指标保持与GRACE卫星设计指标一致时,可使地球重力场的精度获得同量级的提高;(2)若星间距离变率为1.0×10^-8 m·s^-1,轨道高度为300 km,加速度计精度为3.0×10^-10 m·s^-2,轨道精度为0.03 m, 星间距离100 km,与利用GRACE的设计指标反演出的重力场精度相比,可提高约121倍,并建议我国未来低低跟踪重力卫星计划参考此指标.     

利用解析法有效快速估计将来GRACE Follow-On地球重力场的精度

本文首次利用解析法有效快速估计了将来GRACE（Gravity Recovery and Climate Experiment） Follow-On地球重力场的精度. 第一,基于功率谱原理分别建立了新的GRACE Follow-On卫星激光干涉星间测量系统星间速度、GPS接收机轨道位置和轨道速度以及加速度计非保守力误差影响累计大地水准面的单独和联合解析误差模型. 第二,利用提出的GRACE卫星关键载荷匹配精度指标和美国喷气推进实验室（JPL）公布的GRACE Level 1B实测精度指标的一致性,以及估计的GRACE累计大地水准面精度和德国波兹坦地学研究中心（GFZ）公布的EIGEN-GRACE02S地球重力场模型实测精度的符合性,验证了本文建立的解析误差模型是可靠的. 第三,论证了GRACE Follow-On卫星不同关键载荷匹配精度指标和轨道高度对地球重力场精度的影响. 在360阶处,利用轨道高度250 km、星间距离50 km、星间速度误差1×10^-9m/s、轨道位置误差3×10^-5m、轨道速度误差3×10^-8m/s和非保守力误差3×10^-13m/s²,基于联合解析误差模型估计累计大地水准面的精度为1.231×10^-1 m. 本文的研究不仅为当前GRACE和将来GRACE Follow-On地球重力场精度的有效快速确定提供了理论基础和计算保证,同时对国际将来GRAIL（Gravity Recovery and Interior Laboratory）月球卫星重力测量计划的成功实施具有重要的参考意义.     

插值公式、相关系数和采样间隔对GRACE Follow-On 星间加速度精度的影响

本文基于星间加速度法开展了插值公式、相关系数和采样间隔对GRACE Follow-On星间加速度精度影响的研究. 模拟结果表明:1)适当增加数值微分公式的插值点数可有效提高插值精度. 基于9点Newton插值公式,星间加速度的插值误差为4.401×10^-13 m·s^-2,分别基于7点、5点和3点插值公式,插值误差增加了1.192倍、6.912倍和274.029倍. 2)适当增大相关系数可有效降低星间加速度的误差. 基于相关系数0.99,星间加速度方差为3.777×10^-24 m²·s^-4,分别基于相关系数0.90、0.70、0.50和0.00,方差增加了9.780倍、22.404倍、26.217倍和26.820倍. 3)随着采样间隔增大,星间加速度方差逐渐降低,但卫星观测值的空间分辨率也同时降低,因此合理选取采样间隔有利于地球重力场精度的提高. 4)基于9点Newton插值公式、相关系数(K波段测量系统星间距离和星间速度0.85、GPS轨道位置和轨道速度0.95、星载加速度计非保守力0.90)和采样间隔10 s,利用预处理共轭梯度迭代法,精确和快速反演了120阶GRACE Follow-On地球重力场,在120阶处累计大地水准面精度为4.602×10^-4 m.     

基于时空域混合法利用Kaula正则化精确和快速解算GOCE地球重力场

为了研究卫星重力梯度技术对中高频地球重力场反演精度的影响,本文基于时空域混合法,利用Kaula正则化反演了250阶GOCE地球重力场.模拟结果表明:第一,时空域混合法是精确和快速求解高阶地球重力场的有效方法;第二,Kaula正则化是降低正规阵病态性的重要方法;第三,基于改进的预处理共轭梯度迭代法可快速求解大型线性方程组...     

CHAMP型卫星定轨顾及非线性改正的轨道扰动方程

本文针对CHAMP型卫星建立了顾及非线性改正的轨道扰动方程定轨理论与方法.首先从卫星运动的二阶微分方程出发,引入了正常引力位以及相应的参考轨道,然后分别推导了线性化轨道扰动方程与顾及非线性改正的轨道扰动方程,同时说明了建立的线性化轨道扰动方程与目前处理CHAMP卫星数据的动力学定轨方法是等价的.其次分别对线性化轨道扰动方程与顾及非线性改正的轨道扰动方程的精度进行了估计,在卫星定位精度为3cm与非惯性力测量精度为3×10~(-10)m·s~(-2)的前提下证明了下列结论:当参考轨道与实际轨道之间的距离ρ≤4.7m时线性化轨道扰动方程的精度能达到非惯性力的测量精度以及当ρ≤4.14×10~3m时顾及非线性改正的轨道扰动方程能达到非惯性力的测量精度.由此便可得出结论:相对于线性化轨道扰动方程,顾及非线性改正的轨道扰动方程具有更高的精度,且适合在更长的时间弧段上建立关于引力场位系数的法方程组,特别是针对CHAMP卫星计划进行的模拟计算也完全验证了该结论.最后利用叠加原理,给出了顾及非线性改正的轨道扰动方程的求解方法.此外,还针对GRACE卫星计划利用顾及非线性改正的轨道扰动方程进行了恢复引力场的模拟计算,结果表明:分段建立位系数的法方程组时子弧段分别取值2h、1d、6 d对恢复引力场的结果几乎不产生影响,这表明在处理GRACE数据时能够以6d的弧长来建立法方程组.     

基于半解析法有效和快速估计GRACE全球重力场的精度

首先基于半解析法建立了新的GRACE卫星K波段测量系统星间测速、GPS接收机轨道位置和加速度计非保守力误差联合影响累计大地水准面的误差模型;其次,基于各关键载荷精度指标的匹配关系,论证了误差模型的可靠性;最后,基于美国喷气动力实验室（JPL）公布的2006年的GRACE Level 1B实测误差数据,有效和快速地估计了120阶全球重力场的精度,在120阶处累计大地水准面的精度为18.368 cm,其结果和德国地学研究中心（GFZ）公布的EIGEN-GRACE02S全球重力场模型符合较好. 本文的研究为将来国际卫星重力测量计划（如GRACE Follow-On, 360阶）中高阶全球重力场模型精度的有效和快速估计提供了理论基础和计算保证.     

联合星载GPS和KBRR星间测速数据反演GRACE时变重力场模型

高精度GRACE卫星时变重力场反演一直是卫星重力测量中的难题.为了恢复高精度的时变地球重力场模型,本文联合GRACE卫星的星载GPS和KBR星间测速观测数据,在对GRACE卫星进行精密定轨的同时,解算出60阶月平均地球重力场模型.通过对GRACE卫星的定轨精度、星载GPS相位和KBR星间测速数据的拟合残差以及时变地球重力场模型解算精度等分析,表明:(1)与美国宇航局喷气推进实验室(JPL)发布的约化动力学精密轨道相比,本文确定GRACE卫星轨道三维位置误差小于5 cm.(2)星载GPS相位数据拟合残差为5~8 mm,KBR星间测速数据拟合残差为0.18~0.30μm·s~(-1).(3)解算的月平均重力场模型与美国德克萨斯大学空间研究中心(CSR)、德国地学研究中心(GFZ)和JPL发布的RL05模型精度接近,时变信号在全球范围内具有很好的空间分布一致性.通过计算亚马逊流域和长江流域的水储量变化,本文与上述三个机构的计算结果无明显差异,且相关系数均达0.9以上.可见,本文建立的卫星轨道与重力场同解算法具有反演高精度GRACE时变重力场能力,为我国卫星重力场反演提供了重要的技术支持.     

一种新型重力测量卫星系统确定全球重力场的性能分析

本文设计了一种高-低卫星跟踪卫星、低-低卫星跟踪卫星和卫星重力梯度测量相结合的新型重力测量卫星系统,其可在一定程度上发挥卫星重力梯度和低低卫星跟踪卫星两种测量模式各自的优势.基于重力卫星系统指标设计的半解析法,深入分析了不同重力测量卫星系统配置和不同观测量及其不同白噪声水平情况下,新型卫星重力测量模式反演重力场模型的能力.数值模拟分析结果表明：在观测值精度和星间距离相同的条件下,轨道高度是影响重力场反演精度的关键因素;随着星间距离的增大,高频重力场信号反演精度会先提高后降低,轨道高度在200~350 km之间时,星间距离在150~180 km之间时反演精度最优;星间距离变率和卫星重力梯度两类观测值仅在某些精度配置时可达到优势互补,如果某一类观测值精度很高,则另一类观测值在联合解算时贡献非常小或者没有贡献.在300 km轨道高度,若以GRACE和GOCE任务的设计指标1 μm·s^-1/√Hz和5 mE/√Hz来配置新型重力测量卫星系统中星间距离变率和引力梯度观测值的精度,联合两类观测值解算200阶次模型大地水准面的精度比独立解算分别提高1.2倍和2.8倍.如果以实现100 km空间分辨率1~2 cm精度大地水准面为科学目标,考虑卫星在轨寿命,建议轨道高度选择300 km,星间距离变率和卫星重力梯度的精度分别为0.1 μm·s^-1/√Hz和1 mE/√Hz.本文的研究成果可为中国研制自主的重力测量卫星系统提供参考依据.