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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

利用GOCE和GRACE卫星观测数据确定静态重力场模型

高精度静态卫星重力场模型在全球海洋环流研究、全球/区域数字高程基准面确定等领域有重要应用,本文研究仅利用GOCE卫星和联合GRACE卫星观测数据确定高精度高阶次静态重力场模型.利用GOCE卫星全周期高精度引力梯度分量(V_xx、V_yy、V_zz和V_xz)观测值基于直接最小二乘法构建300阶次的SGG(Satellite Gravity Gradiometry)法方程,并利用卫星跟踪卫星观测值基于点域加速度法构建130阶SST(Satellite-to-Satellite Tracking)法方程,然后利用方差分量估计联合SGG和SST法方程确定300阶次纯GOCE卫星重力场模型GOSG02S.利用全周期GRACE观测数据由动力学方法解算了180阶次的SWPU-GRACE2021S模型,并将其对应法方程与GOCE卫星法方程联合解算了GRACE和GOCE的联合模型WHU-SWPU-GOGR2022S.分别基于XGM2019模型和GPS水准数据对本文解算的三个模型GOSG02S、SWPU-GRACE2021S...     

基于改进的预处理共轭梯度法和三维插值法精确和快速解算GRACE地球重力场

本文首先对比分析了基于直接最小二乘法(DLSP),预处理共轭梯度法(PCCG)和三维插值法(TDIM)解算卫星观测方程的优缺点;其次,基于能量守恒法分别利用改进的PCCG和TDIM反演了120阶GRACE地球重力场,在120阶处累计大地水准面精度为17.316 cm和15.421 cm;最后,通过和德国波兹坦地学研究中...     

基于改进的能量守恒方法恢复CHAMP重力场模型

利用CHAMP卫星轨道和加速度计数据推求地球重力场模型的一种有效方法是能量守恒方法.本文基于能量守恒方程,推导了整体求解尺度、偏差、积分常量和位系数的计算公式,提出了整体求解位系数、积分常量、尺度和偏差参数的重力场恢复方法-改进的能量法.该方法摆脱了目前使用能量法时,必须预先通过其它外部手段标定加速度计数据以及积分常量通过近似计算获取的现状.基于德国慕尼黑技术大学(TUM)提供的约300天的CHAMP卫星几何法轨道和GFZ提供的加速度计数据,计算出了60×60阶地球重力场模型XISM-CHAMP1S,并与EIGEN-CG03C、EIGEN-CHAMP03S、EIGEN2、ENIGN1S、EGM96模型进行了比较.结果表明:XISM-CHAMP1S模型精度明显优于相同阶次EGM96、EIGEN1S和EIGEN2,与同阶次的EIGEN-CHAMP03S模型精度最为接近.     

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.     

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.     

地球重力场恢复中的位旋转效应

分析了地球自转引起的位旋转效应公式中采用近似速度的影响. 对一组GFZ的快速科学轨道、一组TUM的约化动力法轨道以及一组GFZ的事后科学轨道，计算了星历提供的速度与只有地球引力场对卫星产生作用时的卫星速度的差值，其中参考重力场模型分别采用EGM96、EIGEN2和EIGEN_CG01C. 通过比较得出：轨道数据与EIGEN2地球重力场模型的自恰性优于EGM96和EIGEN_CG01C地球重力场模型. 速度差各分量的变化具有很明显的周期性且与卫星轨道的运行周期相吻合. 当要求在卫星轨迹处获得1m2/s2精度的扰动位时，也即要求位旋转效应公式中卫星速度的近似精度小于2mm/s时，GFZ的快速科学轨道、TUM的约化动力法轨道只需要剔除那些速度精度不满足要求的卫星轨迹点；当要求在卫星轨迹处获得05m2/s2精度的扰动位时，应当重新估算上述轨道的速度信息，或采用精度更高的GFZ事后科学轨道.     

利用CHAMP卫星几何法轨道恢复地球重力场模型

介绍了利用CHAMP几何法轨道恢复地球重力场模型的基本原理和算法,提出了基于牛顿数值微分公式并辅助移去-恢复方法计算卫星速度的算法.利用现有重力场模型标定CHAMP加速度计数据的差分算法,采用Technical University of Munich（TUM）提供的CHAMP几何法轨道,计算出了三组50×50地球重力场模型.与GRIM5_C1、EIGEN_1S和EIGEN_2模型的比较表明,无论位系数差值阶方差或大地水准面差值,恢复出的模型与EIGEN_2模型都最接近.利用北极实测重力数据对上述模型进行了检验,结果显示,本文得到的三组模型均优于GRIM5_C1模型,且与EIGEN_1S、EIGEN_2模型精度相当.     

The Earth's gravity field

The Earth's gravity field can be determined from gravity measurements made on the surface of the Earth, and through the analysis of the motion of Earth satellites. Gravity data can be used to solve the boundary value problem of gravimetric geodesy in various ways, from the classical formulation using a geoid to the concept of a reference surface interior to the masses of the Earth to a statistical method. We now have gravity information for 1⁰ data blocks over 46% of the Earth's surface and more than several million point measurements available.Satellite observations such as range, range-rate, and optical data have been analyzed to determine potential coefficients used to describe the Earth's gravitational potential field. Coefficients, in a spherical harmonic expansion to degree 12, can be determined from satellite data alone, and to at least degree 20 when the satellite data is combined with surface gravity material. Recent solutions for potential coefficients agree well to degree 4, but with increasing disagreement at higher degrees.     

模拟分析低低跟踪模式重力卫星反演地球重力场的精度

本文利用卫星重力反演与模拟软件ANGELS系统(ANalyst of Gravity Estimation with Low-orbit Satellites)对低低跟踪模式的重力卫星的关键载荷精度指标进行了深入分析.模拟结果表明:(1)对短弧长积分法而言,在低低跟踪模式的关键载荷精度指标中,重力场反演精度对星间距离变率精度最为敏感;(2)通过对目前在轨运行GRACE的载荷指标进行分析,发现轨道数据的误差主要影响重力场的低阶部分(约小于25阶),较高阶次部分(约大于26阶)主要受星间距离变率的误差限制;(3)如果下一代低低跟踪模式的重力卫星的目标之一是把重力异常反演精度较GRACE提高约10倍,则在保持轨道高度和GRACE相同的前提下,轨道、星间距离变率和星载加速度计等关键载荷指标需要达到的最低精度分别约为2cm、10nm·s-1和3.0×10-10 m·s-2;(4)轨道精度和混频误差将是影响下一代低低跟踪模式重力卫星重力场恢复能力进一步提高的主要制约因素,距离变率精度和加速度计精度存在盈余.     

Global detailed geoid computation and model analysis

This paper presents a survey of recent work on the gravimetric geoid. The gravity models considered are those published in the past few years by the Goddard Space Flight Center (GSFC), the Smithsonian Astrophysical Observatory (SAO) and the Ohio State University (OSU). Comparisons and analyses have been carried out through the ose of detailed gravimetric geoids which we have computed by combining the above-mentioned models with a set of 26 000, 1^ox1^o mean free air gravity anomalies. The accuracy of the detailed gravimetric geoid computed using the most recent Goddard Earth Model (GEM-6) in conjunction with the set 1^ox1^o mean free air gravity anomalies is assessed at 2 m on the continents of North America, Europe And Australia, 2 to 5 m in the North-East Pacific and North Atlantic areas and 5 to 10 m in other areas where surface gravity data are sparse. Rms differences between this detailed geoid and the detailed geoids computed using the other satellite gravity fields in conjunction with same set of surface data range from 3 to 7 m. The maximum differences in all cases occurred in the Southern Hemisphere where surface data and satellite observations are sparse. These differences exhibited wavelengths of approximately 30^o to 50^o in longitude. Detailed geoidal heights were also computed with models truncated to 12th degree and order as well as 8th degree and order. This truncation resulted in a reduction of the rms differences to a maximum of 5 m. Comparisons have been made with the astrogeodetic data of Rice (United States), Bomford (Europe), and Mather (Australia) and also with geoidal heights from satellite solutions for geocentric station coordinates in North America and the Caribbean.     

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.     

A new ellipsoidal gravimetric, satellite altimetry and astronomic boundary value problem, a case study: The geoid of Iran

A new gravimetric, satellite altimetry, astronomical ellipsoidal boundary value problem for geoid computations has been developed and successfully tested. This boundary value problem has been constructed for gravity observables of the type (i) gravity potential, (ii) gravity intensity (i.e. modulus of gravity acceleration), (iii) astronomical longitude, (iv) astronomical latitude and (v) satellite altimetry observations. The ellipsoidal coordinates of the observation points have been considered as known quantities in the set-up of the problem in the light of availability of GPS coordinates. The developed boundary value problem is ellipsoidal by nature and as such takes advantage of high precision GPS observations in the set-up. The algorithmic steps of the solution of the boundary value problem are as follows:

- Application of the ellipsoidal harmonic expansion complete up to degree and order 360 and of the ellipsoidal centrifugal field for the removal of the effect of global gravity and the isostasy field from the gravity intensity and the astronomical observations at the surface of the Earth.

- Application of the ellipsoidal Newton integral on the multi-cylindrical equal-area map projection surface for the removal from the gravity intensity and the astronomical observations at the surface of the Earth the effect of the residual masses at the radius of up to 55 km from the computational point.

- Application of the ellipsoidal harmonic expansion complete up to degree and order 360 and ellipsoidal centrifugal field for the removal from the geoidal undulations derived from satellite altimetry the effect of the global gravity and isostasy on the geoidal undulations.

- Application of the ellipsoidal Newton integral on the multi-cylindrical equal-area map projection surface for the removal from the geoidal undulations derived from satellite altimetry the effect of the water masses outside the reference ellipsoid within a radius of 55 km around the computational point.

- Least squares solution of the observation equations of the incremental quantities derived from aforementioned steps in order to obtain the incremental gravity potential at the surface of the reference ellipsoid.

- The removed effects at the application points are restored on the surface of reference ellipsoid.

- Application of the ellipsoidal Bruns’ formula for converting the potential values on the surface of the reference ellipsoid into the geoidal heights with respect to the reference ellipsoid.

- Computation of the geoid of Iran has successfully tested this new methodology.