卫星重力梯度恢复地球重力场的频谱分析

根据仪器功率谱密度和重力位系数阶方差的定义,本文建立了卫星重力梯度测量噪声功率谱密度与重力场模型的误差阶方差的直接对应关系,并基于此讨论了重力梯度测量精度、卫星轨道高度以及运行时间对地球重力场恢复精度的影响.相比于传统的基于最小二乘法评估卫星载荷噪声对地球重力场恢复精度的影响而言,本文提出的方法简单、直接,有助于快速设计和确定卫星重力测量计划的有关参数.     

Spectral analysis for recovering the Earth's gravity potential by satellite gravity gradients

根据仪器功率谱密度和重力位系数阶方差的定义,本文建立了卫星重力梯度测量噪声功率谱密度与重力场模型的误差阶方差的直接对应关系,并基于此讨论了重力梯度测量精度、卫星轨道高度以及运行时间对地球重力场恢复精度的影响.相比于传统的基于最小二乘法评估卫星载荷噪声对地球重力场恢复精度的影响而言,本文提出的方法简单、直接,有助于快速设计和确定卫星重力测量计划的有关参数.     

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.     

卫星重力梯度测量及其应用前景探讨

卫星重力梯度测量是研究空间重力梯度探测与应用的新领域,特别适于检测地球重力场的短波特征.目前它尚处在研制超灵敏张量梯度仪器和应用预研究的阶段.本文考察了卫星梯度测量的重要性和优越性.阐述了它在惯性导航和地球重力场模型精化中的作用;探讨了卫星梯度测量在重力勘探、地球动力学与地震预测研究中的多种用途;讨论了它在检测微重力环境、检验重力场延拓理论和改善飞行器轨道受力分析中的重要意义.     

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.     

确定地球重力场模型的最小二乘配置法与调和分析法的精度评析

本文给出了利用卫星重力梯度张量TT_(zz)分量恢复地球重力场模型的最小二乘配置法与调和分析法的基本原理公式,通过数值实验对两种方法确定地球重力场模型的精度进行了比较,最后总结评述了两种方法在反演地球重力场模型时的优缺点.     

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.     

卫星重力梯度观测数据L1级构建方法

高精度重力梯度观测数据 L1 级构建的系统方法是推进我国自主重力卫星任务重要的基础数据处理技术.本文以GOCE卫星L1 级数据预处理技术和关键载荷原始数据为参考,面向我国发展的梯度测量卫星的任务需要,系统研究并初步实现了卫星重力梯度观测数据 L1 级构建方法,主要包括加速度计电压数据转换、多星敏感器联合姿态数据的角速度重建、卫星重力梯度分量构建等技术内容.计算结果表明,加速度计超灵敏轴精度为 10－10～10－11 m·s－2·Hz－1/2 ,达到重力梯度仪设计精度要求;多星敏感器联合解算最佳姿态角速度wy 、wz 在 10～100 mHz内精度约提升 1 个量级,其精度约达到 10－5 rad·s－1·Hz－1/2量级,能够有效抑制低精度角速度分量在坐标系转换中导致的噪声传播;基于维纳滤波方法恢复的角速度在 5～100 mHz频段内的平方根功率谱密度提升了(5.21～6.56)×10－11 rad·s－1·Hz－1/2 ,显示了基于高精度角速度解算重力梯度分量的必要性;构建重力梯度各分量计算值与全球重力场和海洋环流探测器(GOCE)官方公布的重力梯度分量精度相当,其梯度张量的迹在 20～100 mHz频段范围内约为10 mE·Hz－1/2 ,验证了本文构建方法的有效性.研究工作可为下一步我国推进实施民用重力梯度测量卫星任务提供自主的原始数据处理技术支撑与储备.     

联合不同类型重力测量数据确定地球重力场模型的迭代法

不同的重力测量数据包含了不同波段的地球重力场信息,因此要恢复更高精度的地球重力场模型,就必须对不同类型的重力测量数据进行联合处理.以地面重力异常Δg为例,推导了利用迭代法联合不同类型重力测量数据反演地球重力场模型的基本原理公式,并给出了其具体实现步骤,接着采用全球的重力异常Δg数据和扰动位T数据,基于迭代法对卫星重力梯度SGG数据解算的重力场模型进行了进一步的精化.结果表明,初始的卫星重力梯度SGG模型和经过全球重力异常Δg数据精化后的模型,其对应的累计大地水准面误差分别达到1.128cm和0.048cm、累计重力异常误差分别达到0.416mGal和0.018mGal的精度;在经过全球扰动位T数据进一步精化后的模型,其对应的累计大地水准面误差达到0.043cm、累计重力异常误差达到0.016mGal的精度.     

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）.     

基于非全张量卫星重力梯度数据的张量不变量法

在非全张量卫星重力梯度观测数据的处理过程中,由于卫星姿态角误差、梯度观测数据误差和非全张量观测等原因,重力梯度值从卫星重力梯度仪系转换到地固系后,精度损失严重.本文研究了张量不变量法以解决上述问题.首先在重力梯度张量不变量线性化的基础上,建立了基于卫星轨道面的不变量观测模型,完整地推导了两类重力梯度张量不变量的球近似和...     

Interpretation of general geophysical patterns in Iran based on GRACE gradient component analysis

Only with satellites it is possible to cover the entire Earth densely with gravity field related measurements of uniform quality within a short period of time. However, due to the altitude of the satellite orbits, the signals of individual local masses are strongly damped. Based on the approach of Petrovskaya and Vershkov we determine the gravity gradient tensor directly from the spherical harmonic coefficients of the recent EIGEN-GL04C combined model of the GRACE satellite mission. Satellite gradiometry can be used as a complementary tool to gravity and geoid information in interpreting the general geophysical and geodynamical features of the Earth. Due to the high altitude of the satellite, the effects of the topography and the internal masses of the Earth are strongly damped. However, the gradiometer data, which are nothing else than the second order spatial derivatives of the gravity potential, efficiently counteract signal attenuation at the low and medium frequencies. In this article we review the procedure for estimating the gravity gradient components directly from spherical harmonics coefficients. Then we apply this method as a case study for the interpretation of possible geophysical or geodynamical patterns in Iran. We found strong correlations between the cross-components of the gravity gradient tensor and the components of the deflection of vertical, and we show that this result agrees with theory. Also, strong correlations of the gravity anomaly, geoid model and a digital elevation model were found with the diagonal elements of the gradient tensor.     

基于时空域混合法利用Kaula正则化精确和快速解算GOCE地球重力场

为了研究卫星重力梯度技术对中高频地球重力场反演精度的影响,本文基于时空域混合法,利用Kaula正则化反演了250阶GOCE地球重力场.模拟结果表明:第一,时空域混合法是精确和快速求解高阶地球重力场的有效方法;第二,Kaula正则化是降低正规阵病态性的重要方法;第三,基于改进的预处理共轭梯度迭代法可快速求解大型线性方程组...     

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.     

Atmospheric effects on satellite gravity gradiometry data

Atmospheric masses play an important role in precise downward continuation and validation of satellite gravity gradiometry data. In this paper we present two alternative ways to formulate the atmospheric potential. Two density models for the atmosphere are proposed and used to formulate the external and internal atmospheric potentials in spherical harmonics. Based on the derived harmonic coefficients, the direct atmospheric effects on the satellite gravity gradiometry data are investigated and presented in the orbital frame over Fennoscandia. The formulas of the indirect atmospheric effects on gravity anomaly and geoid (downward continued quantities) are also derived using the proposed density models. The numerical results show that the atmospheric effect can only be significant for precise validation or inversion of the GOCE gradiometric data at the mE level.     

Satellite gravity gradiometry: Secular gravity field change over polar regions

The ESA Gravity and steady state Ocean and Circulation Explorer, GOCE, mission will utilise the principle of satellite gravity gradiometry to measure the long to medium wavelengths in the static gravity field. Previous studies have demonstrated the low sensitivity of GOCE to ocean tides and to temporal gravity field variations at the seasonal scale. In this study we investigate the sensitivity of satellite gradiometry missions such as GOCE to secular signals due to ice-mass change observed in Greenland and Antarctica. We show that unaccounted ice-mass change signal is likely to increase GOCE-related noise but that the expected present-day polar ice-mass change is below the GOCE sensitivity for an 18-month mission. Furthermore, 2–3 orders of magnitude improvement in the gradiometry in future gradiometer missions is necessary to detect ice-mass change with sufficient accuracy at the spatial resolution of interest.     

Accurate Establishment of Error Models for the Satellite Gravity Gradiometry Recovery and Requirements Analysis for the Future GOCE Follow-On Mission

Firstly, the new single and combined error models applied to estimate the cumulative geoid height error are efficiently produced by the dominating error sources consisting of the gravity gradient of the satellite-equipped gradiometer and the orbital position of the space-borne GPS/GLONASS receiver using the power spectral principle. At degree 250, the cumulative geoid height error is 1.769 × 10^?1 m based on the new combined error model, which preferably accords with a recovery accuracy of 1.760 ×10^?1 m from the GOCE-only Earth gravity field model GO_CONS_GCF_2_TIM_R2 released in Germany. Therefore, the new combined error model of the cumulative geoid height is correct and reliable in this study. Secondly, the requirements analysis for the future GOCE Follow-On satellite system is carried out in respect of the preferred design of the matching measurement accuracy of key payloads comprising the gravity gradient and orbital position and the optimal selection of the orbital altitude of the satellite. We recommend the gravity gradient with an accuracy of 10^?13?10^?15 /s², the orbital position with a precision of 1-0.1 cm and the orbital altitude of 200-250 km in the future GOCE Follow-On mission.     

重力－重力梯度边值问题的准解

依据超定边值问题的准解理论，推导出关于重力－重力梯度边值问题的准解，其简洁易算的解析形式给联合重力和卫星重力梯度数据精化地球重力场提供了一种新方法．