利用CHAMP卫星轨道和加速度计数据恢复重力场方法概述

回顾了目前利用CHAMP卫星轨道和加速度计数据恢复地球重力场模型的各种方法；从观测值、观测方程和解算方法三个方面，对现有各种CHAMP重力场模型恢复方法进行了详细的归纳与分类，并指出了各方法的优缺点。     

地球重力场模型在平面控制网中的应用

现在精密工程测量中GPS与全站仪的共用是普遍存在的事实,这必然存在法线系统与垂线系统的转换问题,以往由于重力场模型精度较低,未能充分顾及到这种差别,而利用现有最新的地球重力场模型,能较精确地计算垂线偏差并将其应用于精密工程测量。本文提出了顾及垂线偏差的GPS与全站仪的精密数据处理方法,通过"三差改正"将全站仪观测值转化为法线系统下的观测值,与GPS数据统一处理,利用某隧道算例验证了地球重力场模型对平面控制网数据处理的影响不容忽视。     

用GRACE星间速度恢复地球重力场

本文首先给出了用星间速度恢复地球重力场的数学模型,然后用GRACE卫星30天的星间速度观测值计算了一个100阶的地球重力场模型DQM2006S2。为了对这一模型的精度进行评述,将它与EGM 96,EIGEN-CHAMP03S和GGM01S3个地球重力场模型作了比较,并用这一模型计算了高程异常与GPS/水准实际观测值进行了比较,结果表明:DQM2006S2模型精度优于EGM 96和EIGEN-CHAMP03S模型精度,但是不及GGM01S模型精度。精度不及GGM01S的原因是GGM01S模型使用了111天的星间速度数据,其数据量约为DQM2006S2模型使用数据量的4倍。     

GOCE实测数据反演高阶重力场模型的Torus方法

不同于当前广泛使用的空域法、时域法、直接解法,本文尝试采用Torus方法处理GOCE实测数据,利用71 d的GOCE卫星引力梯度数据反演了200阶次GOCE地球重力场模型,实现了对参考模型的精化。首先,采用Butterworth零相移滤波方法加移去—恢复技术,处理引力梯度观测值中的有色噪声,并利用泰勒级数展开和Kriging方法对GOCE卫星引力梯度数据进行归算和格网化,计算得到了名义轨道上格网点处的引力梯度数据。然后,利用2D-FFT技术和块对角最小二乘方法处理名义轨道上数据,获得了200阶次的GOCE地球重力场模型GOCE_Torus。利用中国和美国的GPS/水准数据进行外部检核结果说明,GOCE_Torus与ESA发布的同期模型的精度相当;GOCE_Torus模型与200阶次的EGM2008模型相比,在美国区域精度相当,但在中国区域精度提高了4.6 cm,这充分体现了GOCE卫星观测数据对地面重力稀疏区的贡献。Torus方法拥有快速高精度反演卫星重力场模型的优势,可以在重力梯度卫星的设计、误差分析及在轨快速评估等方面得到充分应用。     

由GOCE引力梯度张量不变量确定卫星重力模型的半解析法

提出了利用半解析方法解算重力场与稳态海洋环流探测器(gravity field and steady-state ocean circulation explorer,GOCE)引力梯度张量不变量观测值来恢复全球卫星重力模型的方法,该方法比最小二乘方法效率高,同样可给出模型的验后方差。推导了半解析法快速解算引力梯度张量不变量的理论公式,给出了该方法利用卫星重力梯度观测数据快速求解重力场模型的基本步骤。利用89.5°倾角圆形严格重复轨道上的模拟梯度观测值验证了半解析方法用于张量不变量解算的理论严密性,并利用GOCE任务61d梯度仪坐标系(gradiometer reference frame,GRF)下无噪声和有噪声的I2和Vzz模拟观测值进行了模型反演和结果分析。结果表明,利用I_2观测值求解模型的精度略优于仅用Vzz分量解算模型的精度。     

卫星跟踪卫星技术确定地球重力场的加速度法研究

地球重力场是地球的基本物理场,表征着地球物质空间分布、运动和变化,一直是大地测量学科的核心科学任务之一。随着卫星重力测量技术的飞速发展,21世纪初国际卫星重力探测计划,CHAMP、GRACE和GOCE先后成功实施,提供了大量高低卫星跟踪卫星、低低卫星跟踪卫星以及卫星重力梯度观测数据,为研究地球重力场精细结构和构建高精度全球重力场模型提供精确的长波信息。其中,基于卫星跟踪卫星观测值恢复高精度中长波重力场被各国学者广泛而深入地研究。在此背景下,本文研究由卫星跟踪卫星技术利用加速度法确定地球重力场模型的理论与方法。     

未来地球系统构建中的六边形网格重力场北大核心CSCD

为提升大地测量学科在服务人类社会活动方面的能力,应集成包括地球重力场在内的,实现模型与观测资料融合的地球系统,以最大限度地提高地球系统仿真和预测的效益,极大地推动地球系统科学的发展和增强领域服务能力。顾及地球六边形网格体系在地球系统中的广泛应用及其在实现地球重力场建模、数据处理、多源数据融合中的自身优势,本文总结了传统地理网格系统下地球重力场求解的局限性及球面六边形网格在重力场求解中的优势和潜力。六边形网格体系下的地球重力场研究,将会对地球重力场求解效率和精度的提升、多地球系统模型之间的统一发挥重要作用。     

动力学法的卫星重力反演算法特点与改进设想

根据卫星轨道计算的积分公式,导出了以参考轨道为初值的线性化解算地球重力场的观测方程,给出了其系数矩阵的积分计算公式,阐明了动力学法本质上是观测值相对于参考轨道的线性摄动方法,因此其变分方程力模型参数的偏导数初值必定为0。在此公式的基础上,分析了动力学法观测方程的主要特点,即线性化误差随轨道弧段增长而快速增大,其观测方程的性质也随弧段增长而变差,且积分计算误差将是下一代重力卫星数据处理的重要瓶颈问题。提出了进一步提高动力学法重力反演精度的方法,主要归结为:改进以几何轨道为初值的线性化方法以减小线性化误差,改变参数化方式以改善观测方程的性质,综合应用解析公式与数值积分公式以提高轨道计算精度。     

卫星重力测量数据处理软件系统的设计

介绍了自主开发的卫星重力测量数据处理软件--GRASTAR,给出了该软件的整体设计框架和功能.该软件主要采用动力学法实现,应用CHAMP卫星和GRACE卫星的观测数据反演地球重力场模型.利用模拟方法验证了该软件的正确性,并利用GRASTAR处理了126 d的CHAMP卫星数据,解算出直到40阶次重力场模型的初步结果.     

卫星重力测量数据处理软件系统的设计

介绍了自主开发的卫星重力测量数据处理软件GRASTAR,给出了该软件的整体设计框架和功能。该软件主要采用动力学法实现,应用CHAMP卫星和GRACE卫星的观测数据反演地球重力场模型。利用模拟方法验证了该软件的正确性,并利用GRASTAR处理了126 d的CHAMP卫星数据,解算出直到40阶次重力场模型的初步结果。     

GOCE卫星重力梯度数据反演重力场的滤波器设计与比较分析

地球重力场和海洋环流探测（gravity field and steady-state ocean circulation explorer,GOCE）卫星重力梯度数据有色噪声和低频系统误差的滤波处理是反演高精度地球重力场的一个关键问题。针对GOCE卫星重力梯度数据的滤波处理,基于移动平均（moving average,MA）方法和CPR(circle per revolution)经验参数方法设计了两类低频系统误差滤波器,并分别将这两类滤波器与基于自回归移动平均（auto-regressive and moving average,ARMA）模型设计的有色噪声滤波器组合起来形成级联滤波器。为了分析滤波器处理的实际效果,基于空域最小二乘法采用70 d的GOCE观测数据,并联合重力恢复与气候实验（gravity recovery and climate experiment,GRACE）数据分别反演了224阶次的重力场模型GOGR-MA(MA+ARMA级联滤波)和GOGR-CPR(CPR+ARMA级联滤波)。将反演模型与采用同期数据求解的第一代GOCE系列模型及GOCE和GRACE联合模...     

利用先验重力场模型对GOCE卫星重力梯度观测值进行校准分析

GOCE卫星任务搭载了高灵敏度的重力梯度仪,其观测值用于恢复高精度高分辨率的地球重力场。本文利用EIGEN-5C、EGM2008、GOTIM3、GGM03S高精度全球重力场模型,确定了GOCE引力梯度张量的对角分量观测值(Vxx、Vyy、Vzz)的校准参数,分析了比例因子的稳定性,并讨论了相同模型不同阶次、同阶次不同模型以及是否估计漂移参数对比例因子、偏差参数及校准观测值的影响。研究表明比例因子的稳定性在10-4的量级,利用250阶的EIGEN-5C模型和EGM2008模型校准得到观测值的差异小于10-4 E,远远小于观测误差,以1d为周期估计校准参数时,是否估计漂移对校准结果的影响达到0.4E。同时,校准前后观测值差异的频谱说明校准过程主要影响Vxx、Vyy、Vzz观测值的低频部分,即来自先验重力场模型的中低(150)阶次,考虑到GOCE引力梯度的观测频带,校准后的观测值可用于恢复中高频的重力场信号。     

天问一号拓展任务对火星低阶重力场解算的潜在贡献分析

天问一号是中国首次独立开展的行星际探测任务,实现了对火星的环绕、着陆、巡视探测。天问一号正常科学任务阶段环绕以极轨设计为主,与历史火星任务类似,对当前火星重力场模型精度改进有限,因此其拓展任务轨道选取至关重要。通过对极轨圆轨道和近赤道大偏心率轨道进行仿真模拟,分析两种典型轨道构型对现有火星重力场模型改进的可能性,基于不同误差考量仿真解算了对应6个重力场模型。借助重力场功率谱分析,发现在测量噪声为0.1 mm/s的情况下,不论采用极轨还是近赤道轨道,一个月的跟踪数据均可较好地反演出42阶次的火星重力场模型;考虑综合误差影响之后,发现两种轨道对于重力场解算精度类似,其中实施近赤道大偏心率轨道对35阶次以上约束略强。     

利用残差地形模型空域法精化局部地球重力场

陆地高分辨率重力数据是超高阶重力场模型及其应用研究的基础,但现有的观测技术和手段限制了陆地重力测量的覆盖区域,全球仍有大量的重力测量空白地区.采用残差地形模型空域法,利用高通滤波技术提取航天飞机雷达地形测绘任务(shuttle radar topography mission,SRTM)分辨率3"×3"的V4.1数据短...     

利用先验重力场模型求定GOCE卫星重力梯度仪校准参数

重力梯度仪校准参数的确定是GOCE重力梯度观测数据处理的关键环节。本文对GOCE卫星重力梯度观测值中的时变信号与粗差进行了分析,利用高精度全球重力场模型,确定了GOCE重力梯度观测值各分量的尺度因子与偏差,并对校准结果进行了精度评定。结果表明,在测量带宽内,海潮对重力梯度观测值影响在mE量级,与重力梯度仪的精度水平相当,陆地水等非潮汐重力场时变信号略小于海潮,量级约为10~(-4)E;各分量重力梯度观测值的粗差比例均大于0.2%;除EGM96模型外的其他模型对GOCE重力梯度仪进行校准后,Vxx、Vyy、Vzz、Vyz分量上尺度因子的稳定性均在10~(-4)量级,Vxz分量能达到10~(-5)量级,Vxy分量为10~(-2)量级,这与梯度观测值各分量的精度水平一致。     

应用全张量重力梯度组合识别并提取中国南海断裂

断裂构造研究是重力解释的一项重要工作,与构造单元划分密切相关。全张量重力梯度数据以其信息量大、含有更高频的信号成分,能更好地描述小的异常特征等优点在地球物理领域中得到广泛应用。基于全张量重力梯度组合研究中国南海断裂识别及提取方法。首先,比较多种重力梯度边界识别方法,包括直接利用重力梯度三分量法和全张量梯度组合法,分析它们的优缺点。通过对比分析,传统重力梯度三分量方法不能有效地均衡深浅异常的振幅,当异常中同时出现正负异常可能产生假的边界结果。全张量重力梯度组合法不仅可以有效地避免传统方法的缺陷,而且获得的边界还具有良好的连续性和收敛性。其次,利用改进的边缘检测计算理论边界提取法确定断裂的精确平面位置,得到了与全张量梯度组合法一致的结果。由此推断,南海断裂以北东走向和北西走向为主,北东东、北西、东西和近南北走向为辅。     

木星探测器Juno精密定轨分析及低阶引力场解算

随着中国深空测控技术的进步和深空探测计划的推进,木星探测计划已经进入日程,木星探测器的精密定轨和木星的引力场的解算是木星探测中的重要研究内容。首先给出了木星探测器的坐标系统和动力学模型,并利用已公布的朱诺号木星探测器精密星历数据进行验证,动力学拟合结果与参考星历的位置偏差在10 m量级,速度偏差小于6 mm/s;然后利用深空多普勒测量模型处理已经发布的朱诺号无线电测量数据进行精密定轨,结果与参考星历的差距在数百米量级;最后利用仿真数据验证引力场系数解算的可靠性,并利用朱诺号探测器4个近木点附近的实测数据解算引力场系数,得到了截至8阶的带谐项系数。     

The gravity field model IGGT_R1 based on the second invariant of the GOCE gravitational gradient tensor

Based on tensor theory, three invariants of the gravitational gradient tensor (IGGT) are independent of the gradiometer reference frame (GRF). Compared to traditional methods for calculation of gravity field models based on the gravity field and steady-state ocean circulation explorer (GOCE) data, which are affected by errors in the attitude indicator, using IGGT and least squares method avoids the problem of inaccurate rotation matrices. The IGGT approach as studied in this paper is a quadratic function of the gravity field model’s spherical harmonic coefficients. The linearized observation equations for the least squares method are obtained using a Taylor expansion, and the weighting equation is derived using the law of error propagation. We also investigate the linearization errors using existing gravity field models and find that this error can be ignored since the used a-priori model EIGEN-5C is sufficiently accurate. One problem when using this approach is that it needs all six independent gravitational gradients (GGs), but the components \(V_{xy}\) and \(V_{yz}\) of GOCE are worse due to the non-sensitive axes of the GOCE gradiometer. Therefore, we use synthetic GGs for both inaccurate gravitational gradient components derived from the a-priori gravity field model EIGEN-5C. Another problem is that the GOCE GGs are measured in a band-limited manner. Therefore, a forward and backward finite impulse response band-pass filter is applied to the data, which can also eliminate filter caused phase change. The spherical cap regularization approach (SCRA) and the Kaula rule are then applied to solve the polar gap problem caused by GOCE’s inclination of \(96.7^{\circ }\). With the techniques described above, a degree/order 240 gravity field model called IGGT_R1 is computed. Since the synthetic components of \(V_{xy}\) and \(V_{yz}\) are not band-pass filtered, the signals outside the measurement bandwidth are replaced by the a-priori model EIGEN-5C. Therefore, this model is practically a combined gravity field model which contains GOCE GGs signals and long wavelength signals from the a-priori model EIGEN-5C. Finally, IGGT_R1’s accuracy is evaluated by comparison with other gravity field models in terms of difference degree amplitudes, the geostrophic velocity in the Agulhas current area, gravity anomaly differences as well as by comparison to GNSS/leveling data.     

星载原子干涉技术用于地球重力场测量及其精度评估

重力梯度卫星GOCE通过搭载静电式重力梯度仪,将全球静态重力场恢复至200阶以上。目前GOCE卫星已结束寿命,亟须发展下一代更高分辨率的卫星重力梯度测量来完善200~360阶的全球静态重力场模型。原子干涉型的重力梯度测量在空间微重力环境下可获得较长的干涉时间,因此具有很高的星载测量精度,是下一代卫星重力梯度测量的候选技术之一。本文针对未来更高分辨率全球重力场测量的科学需求,提出了一种适用于空间微重力环境下的原子干涉重力梯度测量方案,其梯度测量噪声可低至0.85mE/Hz1/2。文中对不同类型的卫星重力梯度测量方案进行了重力场反演精度的对比评估,仿真结果表明,相比于现有静电式卫星重力梯度测量,原子干涉型的卫星重力梯度测量有望将重力场的恢复阶数提升至252~290阶,对应的累积大地水准面误差7~8cm,累积重力异常误差3×10-5 m/s2。     

A parametric study on the impact of satellite attitude errors on GOCE gravity field recovery

In the recent design of the Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer (GOCE) satellite mission, the gravity gradients are defined in the gradiometer reference frame (GRF), which deviates from the actual flight direction (local orbit reference frame, LORF) by up to 3–4°. The main objective of this paper is to investigate the effect of uncertainties in the knowledge of the gradiometer orientation due to attitude reconstitution errors on the gravity field solution. In the framework of several numerical simulations, which are based on a realistic mission configuration, different scenarios are investigated, to provide the accuracy requirements of the orientation information. It turns out that orientation errors have to be seriously considered, because they may represent a significant error component of the gravity field solution. While in a realistic mission scenario (colored gradiometer noise) the gravity field solutions are quite insensitive to small orientation biases, random noise applied to the attitude information can have a considerable impact on the accuracy of the resolved gravity field models.