卫星重力梯度测量中星载重力梯度仪潜在测量精度研究

目前卫星重力梯度测量精度主要受限于核心载荷重力梯度仪的噪声.要提高卫星重力梯度测量的精度,首先要发展更高精度的星载重力梯度仪.在该背景下,本文一方面针对已成功搭载GOCE卫星飞行的静电式重力梯度仪,基于静电控制的工作原理,探讨了静电式重力梯度仪测量精度的根本受限因素,分析表明,通过改进敏感探头的设计以及降低动态范围,静电重力梯度仪的极限测量分辨率可达0.3 m E/Hz1/2;另一方面,建议发展原子干涉型的星载重力梯度仪,在空间微重力环境下,其潜在测量灵敏度高达0.03 m E/Hz1/2,有望为未来完善50~100 km空间分辨率的全球重力场模型提供一种可能的技术途径.     

基于加速度计重力梯度仪分析与设计

目前,重力梯度仪成为重力仪器的主要研究方向,国内尚无此种仪器问世.本文利用加速度计在旋转载体中测量公式,推导出基于加速度计重力梯度仪测量公式.分析利用此公式进行重力梯度测量时需要注意的问题.然后以美国Bell/Aero公司生产的重力梯度仪为例,导出旋转加速度计式重力梯度仪测量结果.最后总结出基于加速度计重力梯度仪设计过程中存在的各种误差,并给出解决这些问题的方案.为国内重力梯度仪的研究工作提供理论依据.     

卫星重力梯度观测数据L1级构建方法

高精度重力梯度观测数据 L1 级构建的系统方法是推进我国自主重力卫星任务重要的基础数据处理技术.本文以GOCE卫星L1 级数据预处理技术和关键载荷原始数据为参考,面向我国发展的梯度测量卫星的任务需要,系统研究并初步实现了卫星重力梯度观测数据 L1 级构建方法,主要包括加速度计电压数据转换、多星敏感器联合姿态数据的角速度重建、卫星重力梯度分量构建等技术内容.计算结果表明,加速度计超灵敏轴精度为 10－10～10－11 m·s－2·Hz－1/2 ,达到重力梯度仪设计精度要求;多星敏感器联合解算最佳姿态角速度wy 、wz 在 10～100 mHz内精度约提升 1 个量级,其精度约达到 10－5 rad·s－1·Hz－1/2量级,能够有效抑制低精度角速度分量在坐标系转换中导致的噪声传播;基于维纳滤波方法恢复的角速度在 5～100 mHz频段内的平方根功率谱密度提升了(5.21～6.56)×10－11 rad·s－1·Hz－1/2 ,显示了基于高精度角速度解算重力梯度分量的必要性;构建重力梯度各分量计算值与全球重力场和海洋环流探测器(GOCE)官方公布的重力梯度分量精度相当,其梯度张量的迹在 20～100 mHz频段范围内约为10 mE·Hz－1/2 ,验证了本文构建方法的有效性.研究工作可为下一步我国推进实施民用重力梯度测量卫星任务提供自主的原始数据处理技术支撑与储备.     

旋转加速度计重力梯度仪原理及其应用

简要介绍了美国Bell宇航分公司旋转加速度计重力梯度仪、重力梯度仪测量原理、重力梯度测量系统及国内的研究现状，并对重力梯度仪及其测量系统的应用情况也作用了简要的介绍。     

单加速度计模式下的GOCE卫星重力场建模方法研究

GOCE卫星由于加速度计的特殊安装方式,其非保守力主要由普通模式的组合加速度提供,使得单个加速度计的特征更难提取.本文首次采用实测数据,研究了单加速度计模式下的高低跟踪数据处理.利用GOCE任务2009年(2009-11—2009-12)的实测数据,分别以GOCE卫星梯度仪坐标系三个坐标轴正向的加速度计为研究对象,利用1s间隔的高采样轨道数据,采用动力法同时进行卫星重力场建模和加速度计的精密校准.为了克服两极地区的数据缺失对重力场模型低次系数的影响,即所谓的极空白问题,引入同期GRACE卫星的观测数据,采用方差分量估计方法,建立了GRACE/GOCE卫星跟踪卫星重力场模型WHU-GRGO-SST.该模型完全到100阶次,经6169个美国GPS水准点数据检验,在同阶次上与EGM2008和GGM05S的精度水平相同.分析发现,GOCE卫星的加速度计偏差参数存在显著的漂移,也显示了单加速度计模式处理GOCE高低跟踪数据的优势.本文的研究成果为建立静态高分辨率、高精度的GRACE/GOCE重力场模型提供了更严密的模型与技术方案,同时也为GOCE卫星梯度仪校准,以及梯度数据的深入分析提供了重要的参考信息.     

卫星重力梯度测量与地球引力场的精度研究

本文根据地球引力位的球谐函数展开式,利用重力梯度张量各分量导出了位系数模型的精度估计公式.从三方面进行了研究:假定卫星重力梯度仪测量精度,探讨用重力梯度数据确定地球重力场模型的精度;求出位系数模型和大气阻力引起的重力梯度卫星的轨道误差;最后,反求轨道误差和位系数误差对重力梯度测量值的影响.数值计算表明,与地面技术和常规卫星方法相比,卫星梯度测量可使重力场模型的精度至少提高3-5倍;利用重力梯度张量全分量求得的重力值精度比单用径向分量V_rr的结果提高40％以上;若仅顾及位系数模型和大气阻力误差,则轨道误差对梯度测量值的影响△V_i3（i=3,2,1）至少可分别在1/4和1/3弧圈内达到△V_i3≤σ（仪器精度）.     

卫星重力梯度恢复地球重力场的频谱分析

根据仪器功率谱密度和重力位系数阶方差的定义,本文建立了卫星重力梯度测量噪声功率谱密度与重力场模型的误差阶方差的直接对应关系,并基于此讨论了重力梯度测量精度、卫星轨道高度以及运行时间对地球重力场恢复精度的影响.相比于传统的基于最小二乘法评估卫星载荷噪声对地球重力场恢复精度的影响而言,本文提出的方法简单、直接,有助于快速设计和确定卫星重力测量计划的有关参数.     

GRACE-FO卫星星敏感器/加速度计安装矩阵校准

为了对GRACE-FO卫星入轨后的星敏感器安装矩阵进行校准,本文从相对安装矩阵校准和星敏感器/加速度计绝对安装矩阵校准两方面来实现星敏感器定标.通过统计卫星自发射以来的星敏间的四元数观测值,估计了星敏感器间的相对安装矩阵偏差.将相对安装矩阵偏差应用于星敏主光轴夹角计算和融合定姿,均表明本文采用的相对安装矩阵估计算法的正确性.利用卫星在KBR天线相位中心定标期间的俯仰和偏航机动信号,以星敏感器计算的卫星角加速度为观测值,以加速度计角加速度作为基准值,基于最小二乘算法估计星敏感器/加速度计绝对安装矩阵偏差,在估计时考虑加速度计轴间非正交性因子.获得的星敏感器/加速度计安装矩阵绝对偏差在横滚、俯仰、偏航三个方向分别为0.07°、0.19°、-0.07°,估计精度为0.01°、0.04°、0.04°.同时,研究表明星敏感器/加速度计安装矩阵偏差量与加速度计轴间非正交因子具有很强的耦合特性,同时估计两种参数可以避免参数估计时的耦合效应.     

Spectral analysis for recovering the Earth's gravity potential by satellite gravity gradients

根据仪器功率谱密度和重力位系数阶方差的定义,本文建立了卫星重力梯度测量噪声功率谱密度与重力场模型的误差阶方差的直接对应关系,并基于此讨论了重力梯度测量精度、卫星轨道高度以及运行时间对地球重力场恢复精度的影响.相比于传统的基于最小二乘法评估卫星载荷噪声对地球重力场恢复精度的影响而言,本文提出的方法简单、直接,有助于快速设计和确定卫星重力测量计划的有关参数.     

基于地面重力的卫星重力梯度检校方法

卫星重力梯度仪在轨检校是提高梯度模式重力卫星观测质量的关键.本文面向中国未来梯度模式重力卫星规划任务,研究提出一种基于地面重力的卫星在轨检校方法,该方法顾及卫星设计指标,从地面先验重力数据的精度、空间尺度以及卫星重力梯度仪的观测噪声等卫星检校要素开展分析研究,成功实现地面数据与卫星观测数据的比对检校.研究结果表明,在12°×12°的地面检校区域内,利用精度优于1 mGal的地面重力观测数据即可实现噪声低于10 mE的重力梯度仪高精度在轨检校.     

卫星重力梯度测量及其应用前景探讨

卫星重力梯度测量是研究空间重力梯度探测与应用的新领域,特别适于检测地球重力场的短波特征.目前它尚处在研制超灵敏张量梯度仪器和应用预研究的阶段.本文考察了卫星梯度测量的重要性和优越性.阐述了它在惯性导航和地球重力场模型精化中的作用;探讨了卫星梯度测量在重力勘探、地球动力学与地震预测研究中的多种用途;讨论了它在检测微重力环境、检验重力场延拓理论和改善飞行器轨道受力分析中的重要意义.     

基于非全张量卫星重力梯度数据的张量不变量法

在非全张量卫星重力梯度观测数据的处理过程中,由于卫星姿态角误差、梯度观测数据误差和非全张量观测等原因,重力梯度值从卫星重力梯度仪系转换到地固系后,精度损失严重.本文研究了张量不变量法以解决上述问题.首先在重力梯度张量不变量线性化的基础上,建立了基于卫星轨道面的不变量观测模型,完整地推导了两类重力梯度张量不变量的球近似和...     

内编队重力场测量系统轨道参数与载荷指标设计方法

内编队系统通过构造内卫星纯引力轨道完成高精度重力场测量,实现了不依赖于加速度计的重力卫星实施新途径.针对内编队系统轨道参数和载荷指标设计任务,从定性的角度分析了轨道高度、轨道倾角、偏心率等轨道参数的选择原则,以及外卫星定轨精度、内外卫星相对状态测量精度、内卫星非引力干扰抑制精度、系统采样率等载荷指标对内编队重力场测量性能的影响,并建立了这些参数之间的匹配关系.为获取内编队系统轨道参数和载荷指标的定量设计结果,给出了内编队重力场测量数据模拟和反演计算方法.结合轨道参数和载荷指标对重力场测量性能的影响及其匹配关系,提出了由解析推导和数值计算相结合的方法,获取重力场最高反演阶数、大地水准面精度、重力异常精度等重力场测量性能与轨道参数、载荷指标之间的解析关系,并给出了该解析关系的具体数学形式.与解析法、半解析法相比,该公式由解析推导和大量数值计算得到,因而考虑的影响因素更加全面,计算结果更加合理,可用于快速准确设计内编队系统轨道参数和载荷指标.     

GOCE卫星SGG数据系统误差的综合标定方法

介绍了GOCE卫星重力梯度数据系统误差的常用求定方法,提出了一种联合卫星轨迹交叉点不符值和现有重力场模型的系统误差综合标定方法.给出了分步解算和整体平差两种解算方法及相应的计算步骤.分步解算是先利用卫星轨迹交叉点不符值确定含尺度影响的偏差漂移项,然后对观测值进行偏差漂移改正,并利用现有重力场模型计算尺度和偏差,最后对偏...     

联合多种测高资料确定西太平洋海域2′×2′重力梯度

从地球重力场基本理论出发,导出了大地水准面上局部切平面坐标下的重力梯度矢量水平分量和垂直分量的计算公式,利用由多颗测高卫星联合反演的2'×2'海洋重力异常和垂线偏差资料,计算了西太平洋海域2'×2'重力梯度矢量水平分量和垂直分量.将计算的重力垂直梯度和现有资料进行比较,标准差为9.99E,并对重力梯度的空间分布特征进行了初步分析.     

重力梯度仪的发展及其应用

随着欧空局GOCE项目的进一步深入及相关技术报告的公布,人们对该卫星及其有效载荷有了更多的了解,尤其是倍受关注的核心器件重力梯度仪有了更多认识的机会,本文在跟踪当前欧空局研制中的星载重力梯度仪的测量原理、仪器设计的基础上进行了综合、分析和总结,以期对该领域的研究有更清晰、深入的了解,同时为国内进行该领域研究的机构提供可能的参考.     

旋转式航空重力梯度仪动态测量误差传递模型与事后误差补偿

航空重力梯度测量技术可快速、高效地完成面积性重力梯度数据采集工作,在矿产资源勘查、军事目标探测等诸多科学领域具有广泛的应用.而航空重力梯度动态测量误差补偿方法是重力梯度动态测量数据处理中的一项重要工作.本文首先对旋转式重力梯度仪误差传递机理进行了定量分析,在综合考虑重力梯度仪系统非理想因素相互作用的情况下,建立了多种非...     

基于改进的能量守恒方法恢复CHAMP重力场模型

利用CHAMP卫星轨道和加速度计数据推求地球重力场模型的一种有效方法是能量守恒方法.本文基于能量守恒方程,推导了整体求解尺度、偏差、积分常量和位系数的计算公式,提出了整体求解位系数、积分常量、尺度和偏差参数的重力场恢复方法-改进的能量法.该方法摆脱了目前使用能量法时,必须预先通过其它外部手段标定加速度计数据以及积分常量通过近似计算获取的现状.基于德国慕尼黑技术大学(TUM)提供的约300天的CHAMP卫星几何法轨道和GFZ提供的加速度计数据,计算出了60×60阶地球重力场模型XISM-CHAMP1S,并与EIGEN-CG03C、EIGEN-CHAMP03S、EIGEN2、ENIGN1S、EGM96模型进行了比较.结果表明:XISM-CHAMP1S模型精度明显优于相同阶次EGM96、EIGEN1S和EIGEN2,与同阶次的EIGEN-CHAMP03S模型精度最为接近.     

基于实测重力异常和地形数据确定重力梯度的研究

本文利用澳大利亚北领地West Arnhem Land 地区实测重力异常数据并联合DEM(9")和SRTM3(3")地形高程数据,使用移去-恢复技术和Stokes积分方法计算了该地区两条剖面的重力梯度及其功率谱密度,使用FFT方法解算了整个地区的重力梯度值,结果证明了联合重力异常数据和高分辨率地形高程数据能有效地提高重力梯度的解算精度;功率谱密度的计算结果与国外成熟的重力梯度功率谱密度模型相吻合,表明高于0.3 Hz频率范围的功率谱密度可看做噪声,为重力梯度数据处理中噪声的辨别和剔除提供了借鉴,另外对重力梯度辅助导航基准图的构建以及重力梯度测量系统的标定提供了有益的探索.     

静电悬浮加速度计在轨质心位置的最小二乘估计

本文使用国内首次搭载飞行的静电悬浮加速度计在轨数据与卫星姿态数据,对加速度计与卫星质心的相对位置进行了估计测量.文中分析得到,在卫星姿态机动时,加速度计的输入加速度主要来自于离心加速度及角加速度引入的线加速度.结合卫星姿态机动时陀螺仪的测量数据,使用最小二乘法对加速度计质心位置的三个分量进行了联合估计.结果表明:质心位置的估计精度达到约6 mm水平,主要受限于卫星平台条件和加速度计测量精度限制.利用本文方法对未来重力卫星任务进行了分析,若使用精度为1×10~(-10)m·s~(-2)加速度计以及2角秒分辨率的星敏感器,可将质心位置估计精度提高至4.6×10~(-6)m水平.