卫星重力梯度数据重力异常的精度分析

针对GOCE卫星确定的地球重力场模型精度的不确定性,对比分析GOCE位模型与多个不同重力场模型确定的重力异常,并将其分别与船测重力数据、南极航空重力数据、北极重力数据以及美国和中国台湾地面重力数据比较研究。结果表明:GOCE位模型的内符合精度最高,与地面重力观测数据符合最优;与船测以及航空重力测量符合相对较差、精度较低。研究表明,在一定精度前提下,GOCE卫星确定的重力数据可用于无人区,从而提高重力观测数据的覆盖率。     

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。     

重力卫星主要有效载荷指标分析与确定

在介绍重力卫星发展计划的基础上 ,研究讨论了重力卫星上的主要有效载荷。从重力测量的基本原理出发 ,推导了卫星轨道高度、有效荷载的精度需求、所能恢复的重力场最大空间分辨率和相应重力场参数精度之间粗略的函数关系。最后利用推导的公式计算了CHAMP、GRACE、GOCE卫星上几种主要测量有效载荷的指标 ,并将推得的指标与CHAMP、GRACE、GOCE卫星设计的指标进行了比较 ,得出了两种指标在量级上一致的结论。     

GOCE卫星重力梯度观测值的时变重力场变化改正及影响分析

GOCE卫星重力梯度观测值为高阶静态重力场反演提供了重要的数据支撑,但其在使用前需考虑扣除时变重力场变化的影响.本文研究了GOCE卫星重力梯度观测值的时变重力场变化改正方法,更新了ESA标准和背景模型,以更好地扣除时变重力场变化的影响,自主实现了由GOCE卫星Level1b重力梯度数据直接进行重力场反演.本文通过3种时变重力场变化改正方案分析了其对高阶静态重力场反演的影响,研究结果表明:从全球大地水准面差异看,时变重力场变化改正对重力场反演是有影响的,其在局部区域对大地水准面的影响值最大可超过1 cm,说明利用GOCE卫星重力梯度数据反演高阶静态重力场时需扣除时变重力场变化改正,同时新标准和背景模型更有利于扣除时变重力场变化的影响.     

应用Slepian局部谱方法解算中国大陆重力场球谐模型

根据经典的球谐函数方法,为满足正交化要求,观测数据需要覆盖整个球面,而对于地表局部测量数据,则无法应用球谐方法解算重力场模型。针对此问题,采用Slepian局部谱分析方法解算中国大陆范围内的实测重力场变化数据,并以GOCE卫星球谐函数解作为已知模型,评估由于实际陆地重力测点的非均匀分布对球谐函数解的误差影响。通过计算多个阶次中国大陆局部范围的Slepian基函数分布;采用GOCE卫星获得重力场模型的前72阶球谐系数作为已知结果,评价实际测点非均匀分布的解算有效性,并针对中国大陆地区采用Slepian基函数进行解算,通过模型对比选择最优截段项数;针对2005—2008年中国大陆地区流动重力测量获得的重力场变化信号进行解算,获得了72阶重力场变化模型。     

联合EGM2008模型重力异常和GOCE观测数据构建超高阶地球重力场模型SGG-UGM-1

本文研究了联合卫星观测数据和重力异常数据确定超高阶重力场模型的理论方法,并使用EGM2008模型重力异常和GOCE（gravity field and ocean circulation explorer）观测数据构建了重力场模型SGG-UGM-1。重点研究了由球面格网重力异常快速构建超高阶重力场模型的块对角最小二乘方法,将OpenMP技术引入到块对角最小二乘中以提高计算效率,并基于模拟数据验证了方法及算法和软件模块的正确性。采用本文制定的联合解算策略,利用GOCE重力卫星观测数据构建的220阶次法方程和EGM2008模型重力异常构建的2159阶次块对角法方程,联合求解了2159阶次的重力场模型SGG-UGM-1。将SGG-UGM-1与EGM2008、EIGEN-6C2、EIGEN-6C4等超高阶模型在频谱域内进行了比较分析,结果表明SGG-UGM-1相对参考模型的系数误差较小,且在220阶次内的系数精度相比EGM2008模型有了提高。采用中国与美国的GPS/水准数据和毛乌素测区的航空重力观测数据对这些模型进行了外符合精度的检验。检核结果表明,在中国区域,SGG-UGM-1模型大地水准面的精度在EIGEN-6C2和EIGEN-6C4两个模型之间,优于GOSG-EGM模型和EGM2008模型,与美国区域几个模型的精度相当。利用毛乌素测区的航空重力数据对几个模型进行了检核,结果表明SGG-UGM-1模型计算的重力扰动精度与EGM2008、EIGEN-6C4模型相当,优于GOSG-EGM模型和EIGEN-6C2模型。     

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。     

多源卫星重力场模型精度与频谱分析

针对新一代卫星重力探测技术对地球重力场的频谱贡献问题,该文提出了一种基于GPS/水准数据获取多源卫星重力场模型频谱变化特征的方法。采用GPS/水准外符合检验,有效分析评估了多源卫星重力场模型在中国东、西部地区的精度水平。研究结果表明,以CHAMP、GRACE和GOCE卫星为代表的高-低卫星跟踪卫星、低-低卫星跟踪卫星和卫星重力梯度技术,对地球重力场的频谱贡献分别集中在600km以上的长波和中长波、300km以上的中波、200~350km之间的中短波部分。     

不同重力场模型对青藏高原莫霍面反演的影响

针对当前少有学者研究不同重力场模型对莫霍面地形反演的影响,该文利用Parker-Olderburg方法深入讨论纯GRACE重力场模型、纯GOCE重力场模型以及GRACE和GOCE混合重力场模型对青藏高原地区莫霍面反演的影响。实验结果表明,不同重力场模型所反演的莫霍面地形整体空间分布上比较一致,但也存在10 m量级的细微差异;该地区莫霍面地形分布呈顺时针旋转模式,可以较好反映主要构造结构的特点;最深的莫霍面约为70 km,远超过了其他地区正常地壳的厚度。     

联合GRACE/GOCE重力场模型和GPS/水准数据确定我国85高程基准重力位

GRACE、GOCE卫星重力计划的实施,对确定高精度重力场模型具有重要贡献。联合GRACE、GOCE卫星数据建立的重力场模型和我国均匀分布的649个GPS/水准数据可以确定我国高程基准重力位,但我国高程基准对应的参考面为似大地水准面,是非等位面,将似大地水准面转化为大地水准面后确定的大地水准面重力位为62 636 854.395 3m~2s~(-2),为提高高阶项对确定大地水准面的贡献,利用高分辨率重力场模型EGM2008扩展GRACE/GOCE模型至2190阶,同时将重力场模型和GPS/水准数据统一到同一参考框架和潮汐系统,最后利用扩展后的模型确定的我国大地水准面重力位为62 636 852.751 8m~2s~(-2)。其中组合模型TIM_R4+EGM2008确定的我国85高程基准重力位值62 636 852.704 5m~2s~(-2)精度最高。重力场模型截断误差对确定我国大地水准面的影响约16cm,潮汐系统影响约4~6cm。     

联合高低卫-卫跟踪和卫星重力梯度数据恢复地球重力场的谱组合法

GOCE采用的高低卫-卫跟踪和卫星重力梯度测量技术在恢复重力场方面各有所长并互为补充,如何有效利用这两类观测数据最优确定地球重力场是GOCE重力场反演的关键问题。本文研究了联合高低卫-卫跟踪和卫星重力梯度数据恢复地球重力场的最小二乘谱组合法,基于球谐分析方法推导并建立了卫星轨道面扰动位T和径向重力梯度Tzz、以及扰动位T和重力梯度分量组合{Tzz-Txx-Tyy}的谱组合计算模型与误差估计公式。数值模拟结果表明,谱组合计算模型可以有效顾及各类数据的精度和频谱特性进行最优联合求解。采用61天GOCE实测数据反演的两个180阶次地球重力场模型WHU_GOCE_SC01S（扰动位和径向重力梯度数据求解）和WHU_GOCE_SC02S（扰动位和重力梯度分量组合数据求解）,结果显示后者精度优于前者,并且它们的整体精度优于GOCE时域解,而与GOCE空域解的精度接近,验证了谱组合法的可行性与有效性。     

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。     

利用GOCE卫星轨道数据恢复地球重力场模型方法的分析

欧空局早期公布的时域法和空域法解算的GOCE模型均采用能量守恒法处理轨道数据, 但恢复的长波重力场信号精度较低, 而且GOCE卫星在两极存在数据空白, 利用其观测数据恢复重力场模型是一个不适定问题, 导致解算的模型带谐项精度较低, 需进行正则化处理。本文分析了基于轨道数据恢复重力场模型的方法用于处理GOCE数据的精度, 对最优正则化方法和参数的选择进行研究。利用GOCE卫星2009-11-01—2010-01-31共92 d的精密轨道数据, 采用不依赖先验信息的能量守恒法、短弧积分法和平均加速度法恢复GOCE重力场模型, 利用Tikhonov正则化技术处理病态问题。结果表明, 平均加速度法恢复模型的精度最高, 能量守恒法的精度最低, 短弧积分法的精度稍差于平均加速度法。未来联合处理轨道和梯度数据时, 建议采用平均加速度法或短弧积分法处理轨道数据, 并且轨道数据可有效恢复120阶次左右的模型。Kaula正则化和SOT处理GOCE病态问题的效果最好, 并且两者对应的最优正则化参数基本一致, 但利用正则化技术不能完全抑制极空白问题的影响, 需要联合GRACE等其他数据才能获得理想的结果。     

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。     

Accuracy analysis for SST gravity field model in China

IntroductionThe high-accauary and high-resolution Earth’sgravity field can be recovered with satellite-to-satellite tracking (SST) technique , the preciseintersatellite tracking technique . The SSTtech-nique has been studied since 1960’s . The modesof S…     

Accuracy analysis for SST gravity field model in China

Taking China as the region for test the potential of the new satellite gravity technique, satelliteto-satellite tracking for improving the accuracy of regional gravity field model is studied. With WDM94 as reference, the gravity anomaly residuals of three models, the latest two GRACE global gravity field model (EIGEN_GRACE02S, GGM02S) and EGM96, are computed and compared. The causes for the differences among the residuals of the three models are discussed. The comparison between the residuals shows that in the selected region, EIGEN_GRACE02S or GGM02S is better than EGM96 in lower degree part (less than 110 degree). Additionally, through the analysis of the model gravity anomaly residuals, it is found that some systematic errors with periodical properties exist in the higher degree part of EIGEN and GGM models, the results can also be taken as references in the validation of the SST gravity data.     

Comparison of present SST gravity field models

Taking the main land of Europe as the region to be studied, the potential of the new satellite gravity technique: satellite-to-satellite tracking (SST) and improving the accuracy of regional gravity field model with the SST models are investigated. The drawbacks of these models are discussed. With GPM98C as the reference, the gravity anomaly residuals of several other models, the latest SST global gravity field models (EIGEN series and GGM series), were computed and compared. The results of the comparison show that in the selected region, some systematic errors with periodical properties exist in the EIGEN and GGM's S series models in the high degree and order. Some information that was not shown in the classic gravity models is detected in the low and middle degree and order of EIGEN and GGM's S series models. At last, the effective maximum degrees and orders of SST models are suggested.     

Comparison of present SST gravity field models

IntroductionSince 2000 , with the launch of CHAMP satellite,several series of high-accuracy and high-resolutionstatic Earth’s gravityfield models have been createdbased on aboundent SST data. With these models ,the research in solid geophysics ,oceangraphy,andgeodesy can be promoted greatly[1].In this paper ,the SSTgravity models’accura-cyin various frequently domainis studied.First-ly,the difference among these models is compu-ted and compared,and then their accuracyis an-alyzed. Fina…     

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.     

Geoid and high resolution sea surface topography modelling in the mediterranean from gravimetry,altimetry and GOCE data: evaluation by simulation

The determination of local geoid models has traditionally been carried out on land and at sea using gravity anomaly and satellite altimetry data, while it will be aided by the data expected from satellite missions such as those from the Gravity field and steady-state ocean circulation explorer (GOCE). To assess the performance of heterogeneous data combination to local geoid determination, simulated data for the central Mediterranean Sea are analyzed. These data include marine and land gravity anomalies, altimetric sea surface heights, and GOCE observations processed with the space-wise approach. A spectral analysis of the aforementioned data shows their complementary character. GOCE data cover long wavelengths and account for the lack of such information from gravity anomalies. This is exploited for the estimation of local covariance function models, where it is seen that models computed with GOCE data and gravity anomaly empirical covariance functions perform better than models computed without GOCE data. The geoid is estimated by different data combinations and the results show that GOCE data improve the solutions for areas covered poorly with other data types, while also accounting for any long wavelength errors of the adopted reference model that exist even when the ground gravity data are dense. At sea, the altimetric data provide the dominant geoid information. However, the geoid accuracy is sensitive to orbit calibration errors and unmodeled sea surface topography (SST) effects. If such effects are present, the combination of GOCE and gravity anomaly data can improve the geoid accuracy. The present work also presents results from simulations for the recovery of the stationary SST, which show that the combination of geoid heights obtained from a spherical harmonic geopotential model derived from GOCE with satellite altimetry data can provide SST models with some centimeters of error. However, combining data from GOCE with gravity anomalies in a collocation approach can result in the estimation of a higher resolution geoid, more suitable for high resolution mean dynamic SST modeling. Such simulations can be performed toward the development and evaluation of SST recovery methods.