融合GOCE和GRACE卫星数据的无约束重力场模型Tongji-GOGR2019S

本文在法方程层面融合GOCE卫星的V_xx、V_yy、V_zz和V_xz重力梯度分量观测数据和GRACE卫星观测数据,采用直接法解算了220阶次的重力场模型Tongji-GOGR2019S.首先利用ⅡR带通滤波器在5~41 mHz的重力梯度带宽范围内对约24个月的GOCE重力梯度观测方程进行无相移滤波处理,并组成解算220阶次重力场模型的法方程,各梯度分量根据相对于参考模型统计精度进行定权;然后与13.5 a GRACE数据建立的180阶次Tongji-Grace02s重力场模型的法方程进行叠加,解算了220阶次的无约束纯卫星重力场模型Tongji-GOGR2019S.利用EIGEN-6C4重力场模型、GNSS/水准数据、DTU15重力异常数据以及欧洲区域似大地水准面模型EGG2015等数据对Tongji-GOGR2019S模型精度进行全面的检核评定,结果表明：引入GOCE卫星梯度数据后,高于72阶的位系数精度优于Tongji-Grace02s模型,Tongji-GOGR2019S模型的整体精度接近同阶次的DIR-R6等GOCE卫星第6代模型.     

融合GOCE和GRACE卫星数据的无约束重力场模型Tongji-GOGR2019S

本文在法方程层面融合GOCE卫星的V_(xx)、V_(yy)、V_(zz)和V_(xz)重力梯度分量观测数据和GRACE卫星观测数据,采用直接法解算了220阶次的重力场模型Tongji-GOGR2019S.首先利用IIR带通滤波器在5～41 mHz的重力梯度带宽范围内对约24个月的GOCE重力梯度观测方程进行无相移滤波处理,并组成解算220阶次重力场模型的法方程,各梯度分量根据相对于参考模型统计精度进行定权;然后与13.5 a GRACE数据建立的180阶次Tongji-Grace02s重力场模型的法方程进行叠加,解算了220阶次的无约束纯卫星重力场模型Tongji-GOGR2019S.利用EIGEN-6C4重力场模型、GNSS/水准数据、DTU15重力异常数据以及欧洲区域似大地水准面模型EGG2015等数据对Tongji-GOGR2019S模型精度进行全面的检核评定,结果表明:引入GOCE卫星梯度数据后,高于72阶的位系数精度优于Tongji-Grace02s模型,Tongji-GOGR2019S模型的整体精度接近同阶次的DIR-R6等GOCE卫星第6代模型.     

基于卫星轨道扰动理论的重力反演算法

为了更充分利用低轨重力卫星的高精度观测数据,根据卫星轨道的扰动理论,导出了应用卫星轨道与星间距离观测值联合反演地球重力场模型的算法.该算法的实质是将牛顿运动方程在卫星轨道处进行展开,转化为第二类Volterra积分方程,并采用基于移动窗口的9次多项式内插公式进行数值求解.给出了该算法的观测方程,用QR分解法消去局部参数矩阵,最后采用预条件共轭梯度法求解法方程.利用GRACE卫星2008-01-01~2008-08-01时间段内的轨道及星间距离观测数据,解算了120阶次的地球重力场模型SWJTU-GRACE01S,该模型在120阶处的阶方差为1.58×10^-8,大地水准面差距累计误差为22.29 cm,与美国GPS水准网比较的标准差为0.793 m,结果表明:SWJTU-GRACE01S模型精度介于EIGEN-GRACE01S与EIGEN-GRACE02S模型之间,从而验证了该算法的有效性.     

单加速度计模式下的GOCE卫星重力场建模方法研究

GOCE卫星由于加速度计的特殊安装方式,其非保守力主要由普通模式的组合加速度提供,使得单个加速度计的特征更难提取.本文首次采用实测数据,研究了单加速度计模式下的高低跟踪数据处理.利用GOCE任务2009年(2009-11—2009-12)的实测数据,分别以GOCE卫星梯度仪坐标系三个坐标轴正向的加速度计为研究对象,利用1s间隔的高采样轨道数据,采用动力法同时进行卫星重力场建模和加速度计的精密校准.为了克服两极地区的数据缺失对重力场模型低次系数的影响,即所谓的极空白问题,引入同期GRACE卫星的观测数据,采用方差分量估计方法,建立了GRACE/GOCE卫星跟踪卫星重力场模型WHU-GRGO-SST.该模型完全到100阶次,经6169个美国GPS水准点数据检验,在同阶次上与EGM2008和GGM05S的精度水平相同.分析发现,GOCE卫星的加速度计偏差参数存在显著的漂移,也显示了单加速度计模式处理GOCE高低跟踪数据的优势.本文的研究成果为建立静态高分辨率、高精度的GRACE/GOCE重力场模型提供了更严密的模型与技术方案,同时也为GOCE卫星梯度仪校准,以及梯度数据的深入分析提供了重要的参考信息.     

基于重力卫星几何轨道线性化的地球重力场反演方法

传统动力学法的观测方程以6个初始轨道参数和先验力模型为初值进行线性化,其线性化误差随积分弧长拉长而增大.本文直接以重力卫星的几何观测轨道为初值进行线性化,其线性化误差与轨道弧长无关,且不需要初始重力场模型和初始轨道参数.导出了基于卫星轨道观测值反演重力场模型的相关公式,利用JPL公布的RL02版本2008年全年的GRACE双星轨道数据和加速度计数据解算了90阶次的地球重力场模型TJGRACE01S,并以EGM2008模型为基准与其他模型进行了比较分析,结果表明:TJGRACE01S模型直到90阶次的大地水准面累积误差为17.6 cm,优于同阶次的EIGEN-CHAMP03S和EIGEN-CHAMP05S模型,前27阶位系数整体精度优于EIGEN-GRACE01S,前15阶位系数整体精度与EIGEN-GRACE02S模型精度大致相当.利用美国8221个GPS水准点数据的分析结果也表明,本文模型也优于同阶次的EIGEN-CHAMP03S和EIGEN-CHAMP05S模型.     

GRACE/GOCE扩展重力场模型确定我国1985高程基准重力位的精度分析

高精度高程基准重力位的确定往往依赖于高精度全球重力场模型,其对全球和区域高程基准的高精度统一非常关键,GRACE、GOCE卫星重力计划极大地提高了全球重力场模型中长波的精度.本文首先对GRACE/GOCE卫星重力场模型的内符合和外符合精度进行讨论分析,结果说明卫星重力模型的截断误差影响可达到分米级水平,在确定高程基准重力位时该影响不可忽略.利用EGM2008模型扩展GRACE/GOCE卫星重力场模型至2190阶,可有效减弱卫星重力模型的截断误差影响,但不同模型扩展时的最优拼接阶次不同,其中DIR-1、DIR-5模型对应的最优拼接阶次分别为180阶和220阶,以GPS水准数据检验,扩展模型在中国区域的精度均优于18cm.最后,基于最优拼接阶次获得的扩展重力场模型对我国1985高程基准重力位进行了估计,DIR-5和TIM-5模型对应数值分别为62636853.47m~2·s~(-2)和62636853.49m~2·s~(-2),精度均为1.51m~2·s~(-2);发现在中国区域模型大地水准面与GPS/水准数据的差值存在微弱的系统性倾斜,东西向倾斜约为9cm,南北向倾斜约为1.4cm,考虑倾斜改正后基于DIR-5和TIM-5模型估计我国1985高程基准重力位的精度提高了0.16m~2·s~(-2).     

GOCE卫星数据确定的全球稳态海面地形和海表地转流

利用GOCE卫星235天的观测数据恢复了200阶次的重力场模型SWJTU-GO01S,结合欧空局提供的最新GOCE重力场模型和CNES-CLS 2011平均海面高模型,计算了全球稳态海面地形和海表地转流,并采用GRACE模型、多源数据同化模型和海洋浮标观测数据对GOCE模型的计算结果进行对比分析.结果表明:由于重力场模型精度和分辨率较高,GOCE计算结果所需的滤波半径小于GRACE结果;GOCE和GRACE模型的计算结果与CNES-CLS09稳态海面地形差异的RMS分别为6 cm和7 cm左右;与海洋浮标实测数据对比发现,GOCE和GRACE的计算结果与实测数据差异明显,但GOCE的计算结果优于GRACE结果,而SWJTU-GO01S与DIR-R4和TIM-R4模型在全球范围内具有较好的一致性.整体而言,GOCE比GRACE数据的计算结果可以反映更小尺度地转流,且计算的精度更高;海洋环流结果和水准数据的对比表明SWJTU-GO01S与DIR-R4和TIM-R4模型的精度符合性较好,三者计算的地转流精度基本相当.     

顾及多方向观测值权比反演地球重力场的动力积分法

考虑到不同坐标系下各个方向观测值对反演地球重力场的频谱贡献不同,建立了顾及多方向观测值权比的动力积分法,并利用该方法反演了高精度的GOCE HL-SST卫星重力场模型.首先,分析了不同坐标系下各个方向观测值与地球重力场信息的响应关系,其中惯性系(IRF)下X、Z方向的观测值分别对扇谐系数、带谐系数最为敏感,Z方向的解算精度在全频段均略高于X、Y方向;地固系(EFRF)下各个方向的独立解算精度均与能量守恒法的解算精度相当;局部指北坐标系(LNOF)下X、Z和Y三个方向的解算精度依次递减,且Y方向在47阶附近有明显"驼峰"现象.其次,比较了不同坐标系下顾及三个方向观测值权比的加权解算模型,其中加权联合解算模型精度在20至70阶次均明显优于等权解算模型,在带谐项和共振阶次精度提升明显,且LNOF下的加权联合解算精度要优于IRF和EFRF.最后,比较了GOCE和CHAMP卫星的模型解算精度,采用本文计算方法,仅利用2个月GOCE轨道观测值解算的模型精度优于包含更长观测时段信息的AIUB-CHAMP01S和EIGEN-CHAMP03S模型,且略优于ASU-GOCE-2months模型.     

基于GRACE卫星重力数据确定地球重力场模型WHU-GM-05

基于卫星轨道运动的能量积分方程,可导出利用卫星跟踪卫星数据求解地球重力场的实用公式.本文在Jekeli给出的公式基础上导出了基于能量守恒方程利用两颗低-低卫星跟踪的扰动位差求解重力位系数的严密关系式.基于两颗GRACE卫星的观测数据,采用本文导出的严密能量积分方法求解得到120阶的GRACE地球重力场模型,命名为WHU-GM-05;将WHU-GM-05模型与国际上同类重力场模型EIGEN-GRACE系列和GGM02S分别在阶方差和大地水准面高等方面作了比较,并与美国和中国的部分地区GPS水准观测值进行了精度分析.结果表明基于本文推导的严密双星能量守恒方程得到的WHU-GM-05重力场模型精度与国际上同类重力场模型的精度相当.     

扰动重力梯度张量单分量和组合分量最小二乘配置法模型的建立

建立了利用扰动重力梯度张量T_zz分量和T_xx+T_yy、T_zz-T_xx-T_yy组合分量确定地球重力场的调和分析法模型,进一步推导了扰动重力梯度张量对角线三分量的自协方差和互协方差函数的级数展开式,推导了单分量、组合分量与重力位系数之间协方差函数的实用计算公式,给出了利用单分量和组合分量解算地球重力场模型的最小二乘配置法基本原理公式.结果表明,最小二乘配置法具有一定的抗差能力,随着观测数据误差的不断增大,其恢复的重力场模型有效阶次不断降低,精度也不断下降;T_zz-T_xx-T_yy组合分量解算重力场模型的精度最高,其次为T_zz分量,T_xx+T_yy组合分量最差.     

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.     

基于新型能量插值法精确建立GRACE-only地球重力场模型

本文基于新型能量插值法,利用美国喷气推进实验室(JPL)公布的2008年的GRACE-Level-1B实测数据,反演了120阶GRACE地球重力场.首先,由于GPS轨道测量精度相对较低,通过将K波段测距仪高精度的星间距离观测量插值引入双星动能差中,进而建立了新型能量插值卫星观测方程.其次,详细对比分析了2点、4点、6点和8点能量插值观测方程对地球重力场反演精度的影响.研究结果表明:基于最优的信噪比,6点能量插值公式有利于提高120阶GRACE地球重力场的反演精度.最后,基于美国、欧洲和澳大利亚的GPS/水准观测数据检验了本文新建立的WHIGG-GEGM03S地球重力场模型的正确性和有效性.     

基于卫－卫跟踪观测技术利用能量守恒法恢复地球重力场的数值模拟研究

根据卫－卫跟踪观测技术的测量原理，基于能量守恒法建立了一种新的双星相互跟踪和三星相互跟踪的卫星观测方程. 通过数值模拟，采用预处理共轭梯度法恢复120阶地球重力场. 模拟结果表明：第一，双星相互跟踪恢复地球重力场的精度和美国喷气动力实验室公布的EIGEN GRACE02S的结果相符合；第二，三星相互跟踪恢复地球重力场的精度较双星提高约2倍.     

海潮对卫星重力场恢复的影响

本文讨论了海潮对卫星重力测量的影响问题. 首先介绍了海潮对卫星重力测量影响的基本理论；采用FES02和TPXO6海潮模型计算了海潮负荷对卫星重力结果前60阶的影响；并用两个模型之间的差异作为海潮模型精度的估计量，据此计算了海潮模型误差对卫星重力结果的影响. 与GRACE恢复的重力场精度的比较说明：海潮对重力场40阶以下的影响都超过了目前重力场恢复精度；尽管由于卫星测高技术的发展，海潮模型的精度有了很大的提高，但目前的全球海潮模型用于GRACE重力场恢复的前12阶的改正还是不够精确. 另外，我们也利用中国东海和南海潮汐资料以及FES02海潮模型讨论了中国近海潮汐效应对GRACE观测的影响. 结果说明该影响与海潮模型的误差相当. 这反映了当前海潮模型的不确定度，因此通过结合全球验潮站资料有望提高海潮对卫星重力测量的改正精度.     

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5 s,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 Follow-On地球重力场精度较GRACE至少高10倍.     

用GRACE卫星跟踪数据反演地球重力场

利用141天GRACE卫星观测资料，包括K波段、星载加速度和卫星轨道数据，反演了80阶地球重力场模型IGGGRACE01S，该模型在半波长为500km的空间分辨率上，确定大地水准面的精度约为0012m，中长波(<80阶)精度优于重力卫星发射以前研制的重力场模型. 与EIGEN_GRACE02S、EIGEN_CHAMP03S和EGM96模型的位系数相比，该模型系数最接近于EIGEN_GRACE02S，与另两个模型差异较大. 比较几种模型确定的全球重力异常和大地水准面起伏，结果发现IGGGRACE01S与EIGEN_GRACE02S模型的计算结果比较接近，与EGM96模型结果差异较大，差别较大地区主要在南极等地区. 对于中国大陆，比较IGGGRACE01S模型（前72阶）计算的重力异常和NIMA重力异常数据（25°×25°网格），两者之间的标准偏差为48mGal.     

GOCE卫星SGG数据系统误差的综合标定方法

介绍了GOCE卫星重力梯度数据系统误差的常用求定方法,提出了一种联合卫星轨迹交叉点不符值和现有重力场模型的系统误差综合标定方法.给出了分步解算和整体平差两种解算方法及相应的计算步骤.分步解算是先利用卫星轨迹交叉点不符值确定含尺度影响的偏差漂移项,然后对观测值进行偏差漂移改正,并利用现有重力场模型计算尺度和偏差,最后对偏...     

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.     

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.