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.     

基于下一代三向车轮双星编队改善地球重力场空间分辨率研究

由于当前GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment)串行式编队存在"南北向条带误差"等缺陷,因此本文基于星间速度插值法开展了利用下一代三向车轮双星编队ACR(Along-Cross-Radial)-Cartwheel提高地球重力场空间分辨率的可行性研究论证.第一,采用GRACE卫星轨道参数和关键载荷精度,利用三向车轮双星编队ACR-Cartwheel-A/B反演了120阶地球重力场.结果表明:基于ACR-Cartwheel-A/B双星编队反演地球重力场的模拟精度较德国波茨坦地学研究中心(GFZ)公布的EIGEN-GRACE02S地球重力场模型的实测精度平均提高2.6倍,从而检验了基于下一代三向车轮双星编队ACR-Cartwheel-A/B反演地球重力场精度优于当前GRACE串行式双星编队的可行性.第二,通过星间速度插值法,采用卫星轨道参数(初始轨道高度350km、平均星间距离100km、初始轨道倾角89°、初始轨道离心率0.0046)、卫星关键载荷精度指标(星间速度10-7 m·s-1、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10s,基于经向车轮双星编队Lo-AR(Longitudinal-Along-Radial)-Cartwheel-A/B、纬向车轮双星编队La-AR(Latitudinal-Along-Radial)-Cartwheel-A/B和三向车轮双星编队ACR-Cartwheel-A/B,分别反演了120阶地球重力场;在120阶处,累计大地水准面精度分别为5.115×10-4 m、4.923×10-4 m和3.488×10-4 m.结果表明:(1)由于La-AR-Cartwheel-A/B编队的轨道稳定性优于Lo-AR-Cartwheel-A/B编队,因此基于La-AR-Cartwheel-A/B编队反演重力场精度高于Lo-AR-CartwheelA/B编队;(2)由于ACR-Cartwheel-A/B编队可以同时获得轨向、垂向和径向的重力场信息,卫星观测数据具有各向同性优点,因此ACR-Cartwheel-A/B编队是建立下一代高精度和高空间分辨地球重力场模型的优化选择.     

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）.     

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.     

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.     

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.     

数值模拟估算低低卫-卫跟踪观测技术反演地球重力场的空间分辨率

从两个方面模拟研究了低低卫-卫跟踪观测技术恢复地球重力场的空间分辨率. 利用重力位系数作为扰动量，积分30天的轨道，研究重力位系数变化引起低低卫-卫跟踪星间距离和速率变化，结果表明，对于地球重力场模型EGM96的前120阶，998%和97%的位系数扰动引起星间距离和速率变化的均方差大于1×１０-５m和１×１０-７m/s，并且星间距离观测值对地球重力场的反应更为敏感. 不考虑非保守力误差的影响，用随机误差为１×１０－５m和１×１０－６m/s的星间距离和速率变化作模拟观测量，恢复了78阶地球重力场位系数，结果表明，采用随机误差为１×１０－５m的星间距离恢复地球重力场的精度明显高于１×１０－６m/s的星间速率结果，但是如果考虑非保守力误差影响，则星间测速的优越性大大增强.     

卫星重力反演的短弧长积分法研究

给出了统一求解球谐位系数、弧段边界轨道改正向量、有偏距离改正及加速度计偏差的短弧长积分法,通过对力模型梯度改正减弱了轨道误差对反演地球重力场的影响.采用GRACE卫星1个月的实测轨道及星间距离数据计算表明,短弧长积分法加了梯度改正的精度比不加梯度改正整体提高了近一倍,且该方法在高阶次位系数的精度优于动力学法.基于GRA...     

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.     

空间跟踪技术的发展对月球重力场模型的改进

本文基于绕月卫星跟踪技术的三种模式,即地面跟踪模式、高低跟踪模式和低低跟踪模式,将月球重力场的发展历程分为四个阶段.分别介绍了各阶段跟踪模式的主要原理、技术特点以及所获取的具有代表性的重力场模型,并对这些模型的精度特征进行了评述.进而,通过分析不同阶段重力场模型所获取的月球重力异常特征和精度、不同阶段重力场模型的定轨精度,阐明了:空间跟踪技术的进步,极大地提高了月球重力场模型的精度,并且,有效地促进了对月球物质结构特征的认识和绕月卫星定轨的可靠性.最后对月球重力场模型中尚存在的问题以及探测技术的发展前景进行了分析和展望.     

Integral inversion of SST data of type GRACE

Satellite missions CHAMP and GRACE dedicated to global mapping of the Earth’s gravity field yield accurate satellite-to-satellite tracking (SST) data used for recovery of global geopotential models usually in a form of a finite set of Stokes’s coefficients. The US-German Gravity Recovery And Climate Experiment (GRACE) yields SST data in both the high-low and low-low mode. Observed satellite positions and changes in the intersatellite range can be inverted through the Newtonian equation of motion into values of the unknown geopotential. The geopotential is usually approximated in observation equations by a truncated harmonic series with unknown coefficients. An alternative approach based on integral inversion of the SST data of type GRACE into discrete values of the geopotential at a geocentric sphere is discussed in this article. In this approach, observation equations have a form of Green’s surface integrals with scalar-valued integral kernels. Despite their higher complexity, the kernel functions exhibit features typical for other integral kernels used in geodesy for inversion of gravity field data. The two approaches are discussed and compared based on their relative advantages and intended applications. The combination of heterogeneous gravity data through integral equations is also outlined in the article. panovak@kma.zcu.cz     

重力卫星精密星间测距系统滤波器技术指标论证

本文基于重力卫星精密星间测距测量模式,从星间测距观测值与地球重力场频谱关系的角度,建立了距离观测值关于重力位系数的敏感矩阵,分析了各阶次重力场位系数对应的敏感矩阵的频谱特性,讨论了星间测距信息中能反应地球重力场信息的有效信号频带,给出了能最大限度保留地球重力场信息的低通滤波器的通带截止频率、通带增益波纹和频率采样率技术指标设计方案,可为我国首期卫星跟踪卫星重力测量计划的主要技术指标的初步设计提供参考.     

利用GRACE重力卫星观测数据反演全球时变地球重力场模型

本文基于短弧长法开发了一套由低轨卫星数据解算重力场的系统ANGELS（ANalyst of Gravity Estimation with Low-orbit Satellites）,成功用GRACE Level1B数据解算出全球时变重力场模型（第一版IGG-CAS系列模型）,并与国际三大知名重力卫星相关研究机构：美国德克萨斯大学空间中心CSR （Center for Space Research）、德国GFZ地学研究中心（GeoForschungsZentrum）和美国宇航局JPL喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory）发布的全球时变重力场模型（RL05模型）进行了详细的比较分析.通过每阶大地水准面差距的对比结果表明,IGG-CAS模型的精度接近RL05模型的精度.对以上四家机构在2004-2010年的时变重力场模型经过相同的去条带和高斯滤波处理,可以发现四家GRACE反演陆地水时变信号的空间分布十分接近,在长江流域反演的陆地水时变信号,两两之间的相关系数均大于0.8.通过反演撒哈拉沙漠干旱地区的时变信号来评估反演的精度水平,IGG-CAS、CSR-RL05、GFZ-RL05和JPL-RL05反演结果的均方差分别为1.5 cm、1.1 cm、1.1 cm和1.2 cm等效水柱高.综合表明IGG-CAS时变重力场反演模型的精度接近于目前国外主要机构最新公布的时变重力场模型.     

What Can be Expected from the GRACE-FO Laser Ranging Interferometer for Earth Science Applications?

The primary objective of the gravity recovery and climate experiment follow-on (GRACE-FO) satellite mission, due for launch in August 2017, is to continue the GRACE time series of global monthly gravity field models. For this, evolved versions of the GRACE microwave instrument, GPS receiver, and accelerometer will be used. A secondary objective is to demonstrate the effectiveness of a laser ranging interferometer (LRI) in improving the satellite-to-satellite tracking measurement performance. In order to investigate the expected enhancement for Earth science applications, we have performed a full-scale simulation over the nominal mission lifetime of 5 years using a realistic orbit scenario and error assumptions both for instrument and background model errors. Unfiltered differences between the synthetic input and the finally recovered time-variable monthly gravity models show notable improvements with the LRI, on a global scale, of the order of 23 %. The gain is realized for wavelengths smaller than 240 km in case of Gaussian filtering but decreases to just a few percent when anisotropic filtering is applied. This is also confirmed for some typical regional Earth science applications which show randomly distributed patterns of small improvements but also degradations when using DDK4-filtered LRI-based models. Analysis of applied error models indicates that accelerometer noise followed by ocean tide and non-tidal mass variation errors are the main contributors to the overall GRACE-FO gravity model error. Improvements in these fields are therefore necessary, besides optimized constellations, to make use of the increased LRI accuracy and to significantly improve gravity field models from next-generation gravity missions.     

利用SWARM卫星高低跟踪探测格陵兰岛时变重力信号

GRACE重力卫星任务即将结束,后续GRACE Follow-On卫星计划于2017年发射,在此期间,迫切需要一个新的卫星计划继续对全球时变重力场进行连续监测,以保证时变重力场信息时间序列的连贯性.SWARM计划包括三颗轨道高为300~500 km的近极轨卫星星座,类似于三颗CHAMP卫星,具有接替时变重力场探测的潜力.本文首先分析SWARM(模拟)、CHAMP、GRACE反演至60阶时变重力场球谐系数的误差特性及不同高斯平滑半径对高频误差的抑制效果,然后分别利用SWARM、CHAMP、GRACE的时变重力场模型恢复全球质量变化,结果表明,SWARM模拟观测数据的高频误差低于CHAMP观测数据,探测时变重力场的整体精度优于CHAMP,略低于GRACE探测精度;其次,对比2003年1月—2009年12月期间CHAMP(hl-SST)和GRACE(ll-SST)时变重力场模型反演格陵兰岛冰盖质量变化趋势,结果显示,CHAMP数据得到格陵兰岛冰盖质量变化趋势为-50.2±2.0 Gt/a,GRACE所得结果为-41.2±1.6 Gt/a,两者相差21.8%;最后,对比2000年1月—2004年12月间SWARM模拟数据和"真实"模型数据反演的格陵兰岛冰盖质量变化趋势,结果表明,两者相差19.2%.本文研究表明,利用SWARM hl-SST数据探测时变重力场可以达到20%相对精度水平,有潜力用于填补GRACE和GRACE Follow-On期间探测地球时变重力场的空白.     

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.