应用精密引潮力位展开建立刚体地球章动序列

通过对Melchior P.潮汐与章动理论的改进，给出了高阶日月引潮力位引起的岁差章动力矩，建立了刚体地球极移和章动的联合动力学方程，由此对天球中间极（CIP）进行了严格的理论定义. 在各阶潮汐力矩的作用下，得到CIP轴岁差章动的表达式. 通过推导发现，奇数阶引潮力位产生的岁差章动力矩使得黄经章动和交角章动出现了异向项（即：黄经章动出现了cos项，交角章动出现了sin项）. 最后利用郗钦文精密引潮力位展开，建立了737项刚体地球章动序列. 新的章动序列是IERS2003采用的刚体地球章动序列REN2000（包含678个日月章动项）的一个补充.     

地球扁率对天体引潮力影响的计算与分析

高精度天体引潮力计算中需要考虑地球扁率的影响.由DE421历表计算得到太阳系各个天体在GCRS中的坐标,基于天球参考系经典的岁差章动转换方法、IERS 2010规范推荐的转换参数以及IERS发布的EOP 08C04数据模型,在综合考虑影响天体坐标转换的各种因素(框架偏差、岁差、章动、地球自转、时间尺度转换、极移)改正后,得到天体在ITRS中的坐标,并由此计算得到1962年至2015年间地球扁率对各天体引潮力位和引潮力影响的具体数值.计算结果表明:地球扁率对天体引潮力的影响,对月球来说不超过1.8898×10~(-11) ms~(-2)(1.8898 nGal),对太阳来说不超过0.0018×10~(-11) ms_(-2)(0.0018nGal),对其他天体来说可完全忽略不计.地球扁率对月球、太阳引潮力影响的变化周期与相应天体的运行周期一致.     

重力场恢复中的基于星载GPS的低轨卫星简化动力学定轨方法研究

低轨重力卫星轨道的精确确定是获得精密地球重力场模型的前提, 而精密重力场模型又是获得高精度定轨结果的保证.本文简述了利用卫星重力方法恢复地球重力场及简化动力学方法确定低轨卫星轨道的数学模型，并简单分析和比较现有的几种重力场模型.用CHAMP实测数据，结合现有的重力场模型，系统分析、研究了不同阶次、不同重力场模型对低轨卫星定轨精度的影响；研究了不同间隔的随机速度脉冲在简化动力学方法中对模型误差的吸收、调节作用.计算结果表明，在定轨中，选择合理阶数的、较精确的重力场模型及合理间隔的随机脉冲参数，不但可以提高计算效率，更能提高定轨精度.     

内核地球自转动力学理论的研究进展(Ⅴ)—— 地球自转耦合运动方程组

本文是序列文章的第五篇，其内容包括：基于连续介质力学的基本理论，在考虑到地球的自引力、液核对核幔边界的压力和外部引潮力的作用下，严格地给出了地幔的角动量方程.利用前文的有关结论，进而给出了整体地球自转的动力学方程和内核地球模型的地球自转耦合运动学方程组.本文顾及了高阶岁差章动力矩对地球自转的影响，因而在理论上扩展了文献〔1〕给出的理论模型.本文的理论对进一步研究在高阶岁差章动力矩作用下的内核地球章动是非常有意义的.     

低轨卫星轨道误差对中性层延迟量影响的模拟研究

GPS掩星监测大气方法中需要载有GPS接收机的卫星的精密定轨信息，而该卫星的轨道 精度对GPS掩星监测大气的效果进行分析是十分必要的. 基于地球大气模式CIRA1986，本文采用三维射线跟踪方法模拟了有代表性的5次完整的GPS掩星事件，得到了卫星的轨道精度 对GPS掩星测量中关键参数的影响的初步结果. 结果表明，该卫星的常规轨道误差对掩星测量的影响较小，完全可以采用差分定位方法来获取掩星测量中所需要的卫星定轨信息.     

基于DORIS数据的JASON-2卫星精密定轨分析

高精度的卫星轨道确定是卫星应用的基础和保证,本文以新一代DORIS接收机观测数据DORIS 3.0的相位观测数据为基础,研究了相位观测数据与传统的DORIS距离变化率数据的转换方法,并以JASON-2卫星为例,基于卫星动力学定轨原理,分析了不同数据类型、不同定轨方案得到的卫星轨道精度.结果表明,1)利用3天弧段的DORIS 2.2格式距离变化率数据和数据文件提供的相位中心偏差改正,或者采用模型对天线相位中心偏差进行改正并同时对地面测站进行偏心改正时,两种方案得到的轨道三维位置精度基本一致,均优于8.7cm,说明新一代DORIS接收机相位中心稳定,变化较小,采用模型进行偏差修正完全能够满足定轨精度要求.2)采用3.0格式的DORIS数据以及天线相位中心偏差修正模型和地面测站偏心改正模型时,得到的卫星定轨精度略有降低,大约为9.2cm;SLR校核残差约为6.5cm(均方根误差).3)采用2.2和3.0两种格式的DORIS数据,利用不同的定轨方案对JASON-2卫星进行精密定轨,均可以达到2cm左右的径向定轨精度,不同的定轨方案对径向定轨精度的影响可忽略不计.因此,对于最关心卫星径向定轨精度的海洋测高卫星而言,采用本文的数据格式转换方法和定轨方案,完全可以满足其定轨任务需求.     

地球自转学科中遗留若干主要难题的解析

近二百多年来的地球自转学科研究中,除岁差和章动的成因依据(万有)引力相互作用理论已经得到解决外,极移(包括长期极移)和日长(l.o.d)的变化问题一直还处在探讨和争论之中,尚遗留如下七个主要难题没有解决:1)极移是欧拉(Eular,1765)根据刚体自转的分析得出地球自转极相对地壳作周期为305天的摆动吗?2)极移周期的定量解释,钱德勒周期为什么不是单值的,约在425~440天之间变化?观测的极移轨迹运动周期为什么也不是单值的,而是在13.0~13.3个月之间变化?3)作为自由运动,钱德勒摆动最终将会逐渐衰减殆尽,为什么二百多年来的天文观测资料却未发现钱德勒振幅有任何渐自减弱的迹象,是什么因素在克服阻尼而维持这种运动呢?它的能量消耗到哪里去了?4)极移的成因机制是什么?5)极移与地震的关系?6)地球自转速度季节性变化的主要原因是什么?7)长期极移的成因及其运动方向?宋贯一(1991,2006,2008,2012)依据大量的宏观事实,发现和证明了自然界还存在有与(万有)引力相互作用相对应的(光压)斥力相互作用.本文依据(光压)斥力相互作用理论去解析上述七个难题,取得了立竿见影的效果.     

大气阻力引起卫星轨道衰减的数值模拟

本文以德国低轨道卫星CHAMP为例,联合考虑地球扁率和大气阻力摄动的影响,对相应摄动方程进行数值积分,计算轨道根数变化,并进而计算得到卫星空间位置,由此模拟考察大气阻力引起的轨道高度衰减.模拟中使用综合考虑了太阳辐射和磁暴等多种因素影响的最新国际大气标准JB2008模式来计算热层大气密度. 选取CHAMP卫星轨道高度自然衰减（无点火提升卫星高度操作）的2005全年进行模拟;为了考察不同年份阻力系数的可能变化,对2002年1—3月处在较大高度的轨道也进行了模拟.考虑到CHAMP卫星的特殊几何构形及飞行高度的热层温度条件,取阻力系数大于2.8,并在一定范围内变化,以求得模拟与实际轨道衰减符合较好.结果表明,对于2005年,阻力系数为2.91时模拟得到的轨道高度的衰减与实际轨道衰减符合得最好,模拟与实际轨道半长轴全年的标准偏差为81m;在卫星高度稍高的2002年,模拟的最佳阻力系数为3.0;模拟所得最佳阻力系数值比传统使用的值2.2大30%以上.由于在模拟中忽略了高阶保守力分量,所得近/远地点高度没有出现实际轨道所显示的周期性起伏.     

先验光压模型对Galileo卫星产品性能的影响分析

光压模型的精确与否对导航卫星的定轨精度起着至关重要的影响.为了分析先验光压模型对Galileo卫星轨道和钟差解算精度的影响,本文利用Galileo/GPS联合数据处理策略对比了先验光压模型加入前后,IOV(In Orbit Validation)卫星和FOC(Full Operational Capability)卫星轨道和钟差解算精度的改善情况.结果显示,先验光压模型对IOV卫星定轨精度改善显著,尤其表现在径向方向,与COM轨道产品比较,定轨精度为1.6 cm,改善率达到68.6%;先验光压模型对FOC卫星定轨精度的改善效果不如IOV卫星,但同样提高了FOC卫星的定轨精度,与COM轨道产品比较,径向定轨精度2.6 cm,改善率为29.7%.此外,先验光压模型也显著改善了IOV卫星和FOC卫星钟差解算的STD结果,与COM钟差产品比较,改善率分别为44%和37%.     

基于星载GPS的HY-2卫星高精度精密定轨模拟研究(英文)

HY-2卫星是我国第一颗测高卫星,其径向定轨精度要求厘米量级,搭载了星载GPS接收机。目前HY-2还处于测试阶段,没有公布观测数据。为了确定基于星载GPS的HY-2精密定轨流程及其定轨精度,本文模拟了HY-2卫星星载GPS观测数据,结果表明HY-2星载GPS天线每个历元至少观测7颗GPS卫星。给出了基于星载GPS的精密定轨流程,分别采用简化动力学方法和动态几何法进行了精密定轨实验。对于相位1mm和3mm随机误差的相位观测数据,简化动力学法和动态几何法定轨都能够实现厘米量级的径向精密定轨,几何法定轨精度略低于简化动力定轨。地球重力场模型是影响HY-2卫星精密定轨的重要因素,本文对不同阶次的重力场模型EIGEN2、EGM96、TEG4和GEMT3进行了简化动力学定轨实验,高于50阶次的重力场模型都能够实现厘米级径向精密定轨,主要原因在于大量的高精度星载GPS观测数据和重力场模型精度的提高。     

地球自转周期、极移和章动与全球强震关联分析

目前,人们还无法准确地预报地震。找到地震和某种物理量之间的关系,积极地研究地震的触发因素具有非常深远的意义。漂浮在软流层上的地球板块随地球一起转动,地球自转变化可能对强震有一定的触发作用。统计2000年以后全球M_W7.9以上强震和地球自转周期、极移以及章动的关系,发现全球强震和大约13～15天的日长变化、大约一年周期极移变化以及十几天左右不规则章动有很强的关联性。通过贝叶斯公式分析,强震发生在日长变化拐点处的概率为随机概率的3倍,发生在极移X方向拐点处的概率为随机概率的6倍,发生在极移Y方向拐点处的概率为随机概率的3倍,发生在章动拐点处的概率为随机概率的2倍。这种拐点不是固定周期,它受到各种摄动因素而发生不规则漂移,全球强震往往发生在上述周期变化的拐点处。希望以上结论能对大地震预报提供有益的参考信息。     

精密引潮力的计算及其影响因素分析

天球参考系转换、勒让德函数计算是精密引潮力计算的两个核心工作.为了确保计算结果的准确性,采用两种彼此相互独立的算法公式进行检核计算.对于天球参考系转换,分别采用基于春分点的岁差章动转换和基于CIO的无旋转原点转换两种方法,转换参数分别采用IERS 2003、2010规范推荐的4组参数模型;对于勒让德函数计算,分别采用勒让德函数的递推算法、完全规格化缔合勒让德函数的递推算法两种数学模型;计算结果验证了引潮力计算过程与数据成果的准确性.以德国BFO测站为例,计算得到1962年1月1日至2015年8月1日54年内,时间间隔为1小时的精密引潮力时间序列,统计结果表明引潮力的量值在149459.841×10~(~(-11))ms~(-2)(10~(~(-11))ms~(-2)=1 nGal)以内.同时对精密引潮力计算中的各类影响因素进行计算与分析,计算结果表明:岁差章动模型更新、以及两种天球参考系转换方法之间的差异对引潮力的影响可完全忽略不计;地球扁率、极移、参考框架偏差、历表更新对引潮力影响的量值分别在1.891×10~(~(-11))ms~(-2)、0.586×10~(~(-11))ms~(-2)、0.032×10~(-11)ms~(-2)、0.012×10~(-11)ms~(-2)以内,这些因素在高精度引潮力计算中不能忽略;而地球时与世界时转换、径向法向转换对引潮力的影响分别达到916×10~(-11)ms~(-2)、476×10~(-11)ms~(-2),忽略这两个因素将会导致计算结果错误.     

卫星精密轨道综合自适应抗差滤波技术

首先讨论了动力定轨、几何定轨存在的问题, 进而简要介绍了目前广泛使用的Sage自适应滤波和抗差滤波, 研究了一种综合利用Sage滤波和自适应抗差新的滤波技术. 该技术除自适应地估计卫星状态预报向量的协方差矩阵外, 还能自适应地估计任意历元观测量的权. 计算结果也表明, 新的技术不仅计算简单, 而且能有效地控制卫星几何观测异常和卫星动力学模型噪声异常对卫星轨道参数估值的影响.     

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.     

联合星载GPS和KBRR星间测速数据反演GRACE时变重力场模型

高精度GRACE卫星时变重力场反演一直是卫星重力测量中的难题.为了恢复高精度的时变地球重力场模型,本文联合GRACE卫星的星载GPS和KBR星间测速观测数据,在对GRACE卫星进行精密定轨的同时,解算出60阶月平均地球重力场模型.通过对GRACE卫星的定轨精度、星载GPS相位和KBR星间测速数据的拟合残差以及时变地球重力场模型解算精度等分析,表明:(1)与美国宇航局喷气推进实验室(JPL)发布的约化动力学精密轨道相比,本文确定GRACE卫星轨道三维位置误差小于5 cm.(2)星载GPS相位数据拟合残差为5~8 mm,KBR星间测速数据拟合残差为0.18~0.30μm·s~(-1).(3)解算的月平均重力场模型与美国德克萨斯大学空间研究中心(CSR)、德国地学研究中心(GFZ)和JPL发布的RL05模型精度接近,时变信号在全球范围内具有很好的空间分布一致性.通过计算亚马逊流域和长江流域的水储量变化,本文与上述三个机构的计算结果无明显差异,且相关系数均达0.9以上.可见,本文建立的卫星轨道与重力场同解算法具有反演高精度GRACE时变重力场能力,为我国卫星重力场反演提供了重要的技术支持.     

大地震对地球自转的影响

地震会改变地球的形状,引起内部物质的重新分布,从而导致地球的惯性张量产生变化.依据角动量守恒定律,地球的自转将会发生变化.为了探究大地震对地球自转的影响,本文基于简正模和点源位错两种不同的理论,应用PREM地球模型,以2000年至今的10个8.3级以上的大地震为例,分别计算了地震发生后地球重力场的斯托克斯系数、地球的总惯性张量、地球扁率等的变化.讨论了简正模方法叠加的收敛性问题,并对震级的影响进行了简单的分析,着重探究了深度变化对地球极移和日长变化的影响.结果表明:在相同的地球模型下,利用简正模和位错两种理论计算的日长和极移的结果是一致的;简正模方法的收敛速度比较快,只需叠加3个左右的低频简正模就已经收敛;对于震级大于4.5级的地震,极移激发的方向出现在120°E~160°E的概率大一些;通常情况下,越深源的和震级较大的地震,极移激发的幅度和日长变化量越大.此外,在0~700 km深度区间内,随着深度的增加,极移激发的幅度和日长变化总体表现为增加的趋势.     

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.     

基于CHAMP短弧长动力学轨道的地球重力场模型

讨论了基于CHAMP卫星动力学轨道数据以及加速度计数据推求地球重力场模型的动力学法，推导了将加速度计观测数据的尺度和偏差以及卫星初始状态向量与地球重力场位系数一起求解的数学模型. 采用CHAMP卫星120天的动力学轨道数据和加速度数据解算出50阶次的地球重力场模型TJCHAMP01S,并利用各种方法对该模型进行了检核，结果表明：TJCHAMP01S模型精度优于相同阶次的EGM96和EIGEN_1S模型.     

CHAMP型卫星定轨顾及非线性改正的轨道扰动方程

本文针对CHAMP型卫星建立了顾及非线性改正的轨道扰动方程定轨理论与方法.首先从卫星运动的二阶微分方程出发,引入了正常引力位以及相应的参考轨道,然后分别推导了线性化轨道扰动方程与顾及非线性改正的轨道扰动方程,同时说明了建立的线性化轨道扰动方程与目前处理CHAMP卫星数据的动力学定轨方法是等价的.其次分别对线性化轨道扰动方程与顾及非线性改正的轨道扰动方程的精度进行了估计,在卫星定位精度为3cm与非惯性力测量精度为3×10~(-10)m·s~(-2)的前提下证明了下列结论:当参考轨道与实际轨道之间的距离ρ≤4.7m时线性化轨道扰动方程的精度能达到非惯性力的测量精度以及当ρ≤4.14×10~3m时顾及非线性改正的轨道扰动方程能达到非惯性力的测量精度.由此便可得出结论:相对于线性化轨道扰动方程,顾及非线性改正的轨道扰动方程具有更高的精度,且适合在更长的时间弧段上建立关于引力场位系数的法方程组,特别是针对CHAMP卫星计划进行的模拟计算也完全验证了该结论.最后利用叠加原理,给出了顾及非线性改正的轨道扰动方程的求解方法.此外,还针对GRACE卫星计划利用顾及非线性改正的轨道扰动方程进行了恢复引力场的模拟计算,结果表明:分段建立位系数的法方程组时子弧段分别取值2h、1d、6 d对恢复引力场的结果几乎不产生影响,这表明在处理GRACE数据时能够以6d的弧长来建立法方程组.     

地球扁率在其历史上的变化

地球的形状变化是地球演化研究的基本问题之一.为了确定地球形状的变化需要了解各个地质历史时期其扁率的变化.根据地球的扁率公式,得到扁率与地球的半径、质量和角速度关系.通过推测地球的半径、质量和角速度的变化量,计算出地球各个时期的扁率.地球的扁率自形成以来总体趋势在减小.地球是个固液混合的椭球体,在各个地质历史时期中地球扁率的真实值应该小于计算的扁率值.