利用谱分析法估计GRACE Follow-On地球重力场的空间分辨率

利用轨道扰动引力谱和大地水准面累计误差谱分析的方法估计未来GRACE(gravity recovery and climateexperiment)Follow-On卫星反演地球重力场的空间分辨率。基于GRACE Follow-On卫星的轨道特性,计算其在高空所受到的径向扰动引力,并根据谱特性及星载加速度计的测量噪声水平分析该卫星能反演重力场的阶数。利用EGM96重力场模型分别计算200 km和250 km轨道高度处的扰动引力谱。分析其特性表明:在两个轨道高度处分别能反演281阶和242阶的地球重力场模型。给出大地水准面累计误差谱模型,并计算200 km和250 km轨道高度处大地水准面累计误差谱。分析其谱特性表明:在两个轨道高度处分别能反演至286阶和228阶的地球重力场模型。     

不同轨道类型LEO卫星轨道拟合及预报精度研究

低轨道地球卫星(LEO)的精度直接影响到LEO卫星的应用领域,因此研究合适的模型提高LEO卫星轨道插值/预报精度是一项很有意义且必要的工作. 本文详细研究了滑动切比雪夫多项式、克里金算法在不同类型LEO轨道的拟合、预报精度. 结果表明:采用合适的拟合策略,两种算法均能获得毫米级的插值精度;相较于滑动切比雪夫多项式,克里金算法拟合轨道的空间误差分布更为集中,未随着历元变化出现大幅波动. 克里金算法预报轨道的精度低于滑动切比雪夫多项式;采用克里金算法预报60 s,各颗LEO卫星轨道预报的精度在1~2.5 m;采用滑动切比雪夫多项式预报120 s,各颗LEO卫星可获得优于5 m的轨道精度.      

Estimation of the Resolution of Earth＇s Gravity Field for GRACE Follow-On Using the Spectrum Method

利用轨道扰动引力谱和大地水准面累计误差谱分析的方法估计未来GRACE（gravity recovery and climate experimenl）Follow—On卫星反演地球重力场的空间分辨率。基于GRACEFollow—On卫星的轨道特性,计算其在高空所受到的径向扰动引力,并根据谱特性及星载加速度计的测量噪声水平分析该卫星能反演重力场的阶数。利用EGM96重力场模型分别计算200km和250km轨道高度处的扰动引力谱。分析其特性表明：在两个轨道高度处分别能反演281阶和242阶的地球重力场模型。给出大地水准面累计误差谱模型,并计算200km和250km轨道高度处大地水准面累计误差谱。分析其谱特性表明：在两个轨道高度处分别能反演至286阶和228阶的地球重力场模型。     

利用GOCE卫星轨道反演地球重力场模型

根据积分方程法反演地球重力场的数学模型,利用GOCE卫星2009-11-02～2010-01-02共61d的精密轨道数据反演了几组地球重力场模型。结果表明,GOCE卫星轨道能有效提取地球重力场的长波信息,弥补了GOCE卫星重力梯度带宽的限制,在106阶次的大地水准面误差为±9.6cm,该阶次精度优于EIGEN-CHAMP03S及GRACE卫星两个月轨道反演地球重力场的精度,但由于两极空白,反演的带谐位系数精度偏低。联合GOCE及GRACE卫星轨道反演的模型在106阶次的大地水准面误差为±6.9cm,弥补了GOCE卫星轨道的缺陷。     

地球重力场模型对低轨卫星轨道积分的影响

介绍3种不同的地球重力场模型及其(约化)动力学定轨中所涉及的动力学模型,并基于Collocation轨道积分方法对CHAMP卫星进行数值积分,然后将轨道积分结果与JPL快速精密星历相比较。实验结果表明,由CHAMP卫星SST数据反演生成的EIGEN-2模型引力位系数具有较高的精度,能够满足低轨卫星精密定轨的需要。     

基于能量守恒的星间距离变率与地球重力场频谱关系的建立与分析

基于能量守恒原理,建立了SST-ll星间距离变率观测噪声谱与重力场误差谱的关系,以GRACE相关指标模拟分析了卫星间距、卫星高度和距离变率精度对恢复地球重力场的影响.结果表明,增大卫星间距可提高恢复低阶次位系数的精度,卫星间距超过500 km对提高恢复重力场精度的作用已不明显;降低轨道高度可提高恢复高阶次位系数的精度,卫星高度每降低100 km,恢复位系数的有效阶次提高20阶以上;提高星间距离变率精度可大幅度提高恢复重力场的精度,距离变率精度每提高一个量级,恢复位系数的有效阶次提高约28阶.将模拟结果与GGM02S和EIGEN-GRACE02S模型进行比较,初步验证了本文方法的可行性.     

空域最小二乘法用于重力卫星误差分析

重力测量卫星性能不仅与轨道参数、载荷误差、数据分辨率等因素密切相关，也与反演算法有关。传统的分析方法如动力学法、短弧法等用于误差分析，不可避免将算法误差引入分析结果，使得分析结论确定性不足。为解决这一问题，提出了空域最小二乘分析法，用空域格网重力扰动数据替代重力卫星载荷数据反演地球重力场，有效避免了算法误差对于分析结果的影响。分析结果表明，重力卫星在500 km轨道高度、一次数据覆盖条件下，测量重力场最高阶数约为240阶，载荷误差为1×10-10 m·s-2·Hz-1/2水平时，测量重力场最高阶数为136阶，其累积重力异常误差为2.7 mGal，累积大地水准面误差为14 cm。要达到最优测量能力，轨道倾角通常不小于89°。为减小地球引力高频信号对于地球重力场低阶位系数估计值的影响，估计位系数最高阶数需大于240阶。     

基于超高阶重力场模型阶方差的截断误差分析

针对利用重力场模型方法计算地球外空间扰动引力的精度时,模型截断误差是主要的影响因素这一问题,该文利用重力场模型阶方差分析地球外部空间扰动引力截断误差,并与用重力异常阶方差Rapp模型进行比较。实验结果表明:在低阶低空部分,Rapp模型与实际重力异常阶方差相差最大,达到17.125 3mGal;重力场模型计算扰动引力与计算点高度有着密切联系,截断误差的大小随着高度的增加迅速衰减;当计算高度为0.2km时,使用36阶的模型计算扰动引力,截断误差达到25.957 8mGal;当计算高度超过400km时,即使用36阶模型,截断误差也可以控制在1.5mGal内。     

地球重力场与KBR系统频谱关系的建立与分析

以近极圆形轨道的SST-Ⅱ为研究目标，利用解析的方法分析卫星间精密测距与地球重力场的频谱关系，得出了一般情况下300km高度的SST，星间距离每增加100km，恢复能力提高约10阶次；对于500km卫星高度的SST，星间距离每增加100km，恢复能力提高约5阶次的结论。研究成果可以为我国发展SST探测地球重力场的卫星计划提供参考。     

利用LEO星群反演地球重力场低阶带谐项变化的交叠点法

新一代重力卫星计划主要依靠高精度星载加速度计（ACC）、星间测距系统（KBR）或星载梯度计(SGG)进行地球重力场探测。这类系统因实现困难,成本较高,很难大量实施。而搭载高精度星载GPS接收机的低轨卫星（low earth orbit, LEO）可以相对较低成本获取LEO卫星的精密轨道。卫星精密轨道一方面服务于LEO的主任务（如遥感,气象等）;另一方面可以将这类LEO卫星和星座综合起来,构成LEO星群（Cluster）,LEO星群精密轨道数据包含的丰富地球重力场信息为获取地球重力场的时变信息提供可能。本文给出了一种利用LEO星群精密轨道数据反演地球重力场低阶带谐系数时变信息的实用方法——交叠点法,该方法可有效消弱非保守力等因素对重力场反演的影响。然后,以COSMIC (Constellation Observing System for Meteorology Ionosphere & Climate)为实例分析了LEO星群交叠点的覆盖特性,径向轨道精度对交叠点法的影响。最后进行了低阶带谐系数(C20和C30 )时变信号的模拟计算,并对结果进行了分析。     

低轨卫星初始状态误差对反演地球重力场的影响

基于动力学法反演地球重力场的基本理论,研究了卫星初始状态向量误差对应用低轨卫星精密轨道数据反演地球重力场的影响。在仅考虑低轨卫星初始状态误差的情况下进行了模拟计算,结果表明:在利用低轨卫星精密轨道数据反演地球重力场时,卫星初始状态向量误差需要重新进行估计;在目前的轨道精度水平下,若不顾及误差方程二次项的影响,反演弧长不宜过长;卫星初始状态速度误差(约1.5mm/s)的影响要大于位置误差(约10 cm)的影响。     

Improvement in global gravity field recovery using GFZ-1 satellite laser tracking data

The passive satellite GFZ-1 has been orbiting the Earth since April 1995. The purpose of this mission is to improve the current knowledge of the Earth's gravity field by analysing gravitational orbit perturbations observed at unique low altitudes, below 400 km. GFZ-1 is one target of the international satellite laser ranging ground network. An evaluation of the first 30 months of GFZ-1 laser tracking data led to a new version of the global GRIM4-S4 satellite-only gravity field model: GRIM4-S4G. Information was obtained from GFZ-1 data for spherical harmonic coefficients up to degree 100, which was not possible in any earlier satellite-only gravity field solution. GFZ-1's contribution to a global 5 × 5° geoid and gravity field representations is moderate but visible with a 1 cm and 0.1 mGal gain in accuracy on a level of 75 cm and 5 mGal, respectively. Received: 10 November 1998 / Accepted: 19 April 1999     

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。     

基于第一类无奇点根数的LEO历书参数设计

GNSS技术蓬勃发展,在国防建设和国民经济发展中发挥了重要作用。但也因其无法快速解算整周模糊度、复杂环境下适应性差、完好性差等缺点,限制了其作用的最大发挥。基于LEO通信卫星星座的系统增强可以很好地克服这些缺点。要实现该增强系统,基础之一就是如何生成LEO卫星的历书星历。为解决这个问题,从第一类无奇点出发对GPS标准历书进行改造,提出了一套专用于LEO卫星的10参数历书集,并推导了历书计算公式。对600~1 500 km轨道高度的2~7 d的LEO卫星轨道进行了拟合实验。结果表明,高度600 km时长2 d,高度700 km时长4 d,高度800 km时长7 d历书拟合的用户距离误差(URE)的均方根误差(RMS)分别优于936.021,944.087和956.183 m。     

重力场模型对Swarm卫星精密定轨的影响分析

采用星载GPS观测数据与简化动力学定轨方法,在方程中引入伪随机脉冲参数,从而实现对Swarm卫星的精密定轨. 详细分析了不同阶次的GOCO06s地球重力场模型对Swarm卫星简化动力学定轨精度的影响,对比了PGM2000a、EIGEN-2、EGM2008以及GECO重力场模型展开到100阶次时Swarm卫星解算的轨道精度. 结果表明:当GOCO06s地球重力场模型阶次处于30～100阶次时,Swarm-A、Swarm-B和Swarm-C卫星在径向、切向、法向上的定轨精度随着GOCO06s阶次的不断增加而越来越高,而在高于100阶次时,定轨精度基本稳定,且在各方向定轨精度优于3 cm. 此外,采用100阶次GECO、EGM2008和GOCO06s模型对三颗Swarm卫星进行定轨,解算的轨道精度相当,且要高于同阶次其他重力场模型的定轨结果.      

基于卫星加速度恢复地球重力场的去相关滤波法

基于加速度法恢复地球重力场时,卫星加速度是由卫星轨道数值微分得到,而数值微分会放大高频误差,进而降低了重力场解算结果的精度.针对数值微分导出的加速度误差具有有色噪声的特性,提出利用去相关算法构造白化滤波器对加速度有色噪声进行滤波处理,并根据去相关的基本原理分别构造了基于三点差分和ARMA模型的白化滤波器.采用不同噪声背景的CHAMP卫星模拟轨道数据进行解算,结果表明:基于去相关滤波解算的重力场模型精度均要比等权解算的重力场模型精度高,初步验证了去相关滤波方法的有效性.     

Long-wavelength global gravity field models: GRIM4-S4, GRIM4-C4

Summary.  GFZ Potsdam and GRGS Toulouse/Grasse jointly developed a new pair of global models of the Earth's gravity field to satisfy the requirements of the recent and future geodetic and altimeter satellite missions. A precise gravity model is a prerequisite for precise satellite orbit restitution, tracking station positioning and altimeter data reduction. According to different applications envisaged, the new model exists in two parallel versions: the first one being derived exclusively from satellite tracking data acquired on 34 satellites, the second one further incorporating satellite altimeter data over the oceans and terrestrial gravity data. The most recent “satellite-only” gravity model is labelled GRIM4-S4 and the “combined” gravity model GRIM4-C4. The models are solutions in spherical harmonics and have a resolution up to degree and order 60 plus a few resonance terms in the case of GRIM4-S4, and up to degree/order 72 in the case of GRIM4-C4, corresponding to a spatial resolution of 555 km at the Earth's surface. The gravitational coefficients were estimated in a rigorous least squares adjustment simultaneously with ocean tidal terms and tracking station position parameters, so that each gravity model is associated with a consistent ocean tide model and a terrestrial reference frame built up by over 300 optical, laser and Doppler tracking stations. Comprehensive quality tests with external data and models, and test arc computations over a wide range of satellites have demonstrated the state-of-the-art capabilities of both solutions in long-wavelength geoid representation and in precise orbit computation. Received 1 February 1996; Accepted 17 July 1996     

Applications of an orbiting gravity gradiometer

Considering present attempts to develop a gradiometer with an accuracy between 10⁻³ E and 10⁻⁴ E, two applications for such a device have been studied: (a) mapping the gravitational field of the Earth, and (b) estimating the geocentric distance of a satellite carrying the instrument. Given a certain power spectrum for the signal and 10⁻⁴ E (rms) of white measurement noise, the results of an error analysis indicate that a six-month mission in polar orbit at a height of 200 km, with samples taken every three seconds, should provide data for estimating the spherical harmonic potential coefficients up to degree and order 300 with less than 50% error, and improve the coefficients through degree 30 by up to four orders of magnitude compared to existing models. A simulation study based on numerical orbit integrations suggests that a simple adjustment of the initial conditions based on gradiometer data could produce orbits where the geocentric distance is accurate to 10 cm or better, provided the orbits are 2000 km high and some improvement in the gravity field up to degree 30 is first achieved. In this sense, the gravity-mapping capability of the gradiometer complements its use in orbit refinement. This idea can be of use in determining orbits for satellite altimetry. Furthermore, by tracking the gradiometer-carrying spacecraft when it passes nearly above a terrestrial station, the geocentric distance of this station can also be estimated to about one decimeter accuracy. This principle could be used in combination with VLBI and other modern methods to set up a world-wide 3-D network of high accuracy.     

低轨道卫星重复周期的设计方法及其对重力场反演的影响

研究低轨卫星重复周期的设计原理,给出相应的计算公式。基于此对不同轨道高度卫星的重复周期进行数值仿真,并利用动力学方法分析不同重复周期轨道星下点轨迹的空间采样对重力场反演精度的影响。结果表明,卫星的重复周期与其轨道高度的变化并不成线性关系,并且在顾及重力场时间分辨率的情况下,长重复周期能够提高卫星地面轨迹的空间采样,为重力场解算提供较好的条件。