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.     

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.     

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.     

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.     

基于引力位系数相对权重的卫星重力场测量分析

卫星重力场测量已成为最有效的全球重力场测量手段.本文结合典型的重力卫星和重力卫星研究计划,分析了卫星重力测量的三种原理,并基于各阶位系数的相对权重讨论了各种原理的应用优势.分析可知,卫星受摄轨道适用于恢复长波重力场,低轨星间距离变化率适用于恢复中长波重力场,重力梯度适用于恢复中短波重力场.针对中长波高精度重力场测量的需要,设计了综合获取低轨星间距离变化率与受摄轨道的重力卫星方案,该方案由两组内编队组成星星跟踪复合编队,轨道高度为250km,星间距离为50～100km.     

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.     

联合不同类型重力测量数据确定地球重力场模型的迭代法

不同的重力测量数据包含了不同波段的地球重力场信息,因此要恢复更高精度的地球重力场模型,就必须对不同类型的重力测量数据进行联合处理.以地面重力异常Δg为例,推导了利用迭代法联合不同类型重力测量数据反演地球重力场模型的基本原理公式,并给出了其具体实现步骤,接着采用全球的重力异常Δg数据和扰动位T数据,基于迭代法对卫星重力梯度SGG数据解算的重力场模型进行了进一步的精化.结果表明,初始的卫星重力梯度SGG模型和经过全球重力异常Δg数据精化后的模型,其对应的累计大地水准面误差分别达到1.128cm和0.048cm、累计重力异常误差分别达到0.416mGal和0.018mGal的精度;在经过全球扰动位T数据进一步精化后的模型,其对应的累计大地水准面误差达到0.043cm、累计重力异常误差达到0.016mGal的精度.     

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.     

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...     

重力－重力梯度边值问题的准解

依据超定边值问题的准解理论，推导出关于重力－重力梯度边值问题的准解，其简洁易算的解析形式给联合重力和卫星重力梯度数据精化地球重力场提供了一种新方法．     

一种卫星重力梯度数据的ARMA最优滤波模型构建方法

由于卫星重力梯度观测的有色噪声特性和海量观测特征,在利用直接法进行重力场模型的最小二乘求解时,观测值的协方差阵为超大型的非对角阵,这给数值求解带来了极大困难.本文提出了一种基于先验误差功率谱密度的最优ARMA滤波模型构建方法,结合法方程的分块求解策略,可实现对卫星重力梯度观测值的高效滤波处理.数值仿真结果表明,利用最优ARMA滤波器进行时域滤波后,法方程的态性得到了明显改善,重力梯度观测值中的有色噪声得到了有效的"白化"处理,大地水准面精度得到了显著提升.     

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）.     

Satellite gravity gradiometry: Secular gravity field change over polar regions

The ESA Gravity and steady state Ocean and Circulation Explorer, GOCE, mission will utilise the principle of satellite gravity gradiometry to measure the long to medium wavelengths in the static gravity field. Previous studies have demonstrated the low sensitivity of GOCE to ocean tides and to temporal gravity field variations at the seasonal scale. In this study we investigate the sensitivity of satellite gradiometry missions such as GOCE to secular signals due to ice-mass change observed in Greenland and Antarctica. We show that unaccounted ice-mass change signal is likely to increase GOCE-related noise but that the expected present-day polar ice-mass change is below the GOCE sensitivity for an 18-month mission. Furthermore, 2–3 orders of magnitude improvement in the gradiometry in future gradiometer missions is necessary to detect ice-mass change with sufficient accuracy at the spatial resolution of interest.     

航空重力测量研究进展

近十几年来,航空重力测量技术的研究和应用日趋活跃,业已成为地球重力场研究中最为热门的领域之一．航空重力测量可分为航空标量重力测量、航空矢量重力测量和航空梯度重力测量．本文概述了航空标量重力测量的研究现状及发展动态,传统航空重力测量系统的改进,新型系统方案的研究,从GPS中导出加速度的理论和方法．滤波和估算方法及航空重力数据的应用等五个方面的重要研究成果．文中最后介绍了我国自行研制的航空重力测量系统的概况。     

GOCE Data Processing: The Spherical Cap Regularization Approach

Due to the sun-synchronous orbit of the satellite gravity gradiometry mission GOCE, the measurements will not be globally available. As a consequence, using a set of base functions with global support such as spherical harmonics, the matrix of normal equations tends to be ill-conditioned, leading to weakly determined low-order spherical harmonic coefficients. The corresponding geopotential strongly oscillates at the poles. Considering the special configuration of the GOCE mission, in order to stabilize the normal equations matrix, the Spherical Cap Regularization Approach (SCRA) has been developed. In this approach the geopotential function at the poles is predescribed by an analytical continuous function, which is defined solely in the spatially restricted polar regions. This function could either be based on an existing gravity field model or, alternatively, a low-degree gravity field solution which is adjusted from GOCE observations. Consequently the inversion process is stabilized. The feasibility of the SCRA is evaluated based on a numerical closed-loop simulation, using a realistic GOCE mission scenario. Compared with standard methods such as Kaula and Tikhonov regularization, the SCRA shows a considerably improved performance.     

Interpretation of general geophysical patterns in Iran based on GRACE gradient component analysis

Only with satellites it is possible to cover the entire Earth densely with gravity field related measurements of uniform quality within a short period of time. However, due to the altitude of the satellite orbits, the signals of individual local masses are strongly damped. Based on the approach of Petrovskaya and Vershkov we determine the gravity gradient tensor directly from the spherical harmonic coefficients of the recent EIGEN-GL04C combined model of the GRACE satellite mission. Satellite gradiometry can be used as a complementary tool to gravity and geoid information in interpreting the general geophysical and geodynamical features of the Earth. Due to the high altitude of the satellite, the effects of the topography and the internal masses of the Earth are strongly damped. However, the gradiometer data, which are nothing else than the second order spatial derivatives of the gravity potential, efficiently counteract signal attenuation at the low and medium frequencies. In this article we review the procedure for estimating the gravity gradient components directly from spherical harmonics coefficients. Then we apply this method as a case study for the interpretation of possible geophysical or geodynamical patterns in Iran. We found strong correlations between the cross-components of the gravity gradient tensor and the components of the deflection of vertical, and we show that this result agrees with theory. Also, strong correlations of the gravity anomaly, geoid model and a digital elevation model were found with the diagonal elements of the gradient tensor.     

A comparison of satellite systems for gravity field measurements

A detailed and accurate Earth gravity field model is important both to geophysical progress and to the precise tracking necessary for interpretation of geophysical experiments. Various satellite techniques which may be used to determine the Earth's gravity field are compared and their ability to recover the long wavelength and short wavelength features of the field are described.A high-low configuration satellite-to-satellite tracking mission is recommended for the determination of the long wavelength portion of the gravity field. Satellite altimetry and satellite gradiometry experiments are recommended for determination of the short wavelength portion of the gravity field.