利用GRACE卫星重力资料解算气候驱动的地表周年垂直形变

卫星重力和GPS测量技术可以监测地表流体(大气、海洋和陆地水)质量季节性迁移引起的地表周年形变;与陆地水等地表流体模型综合模拟的地表形变相比,卫星重力的形变监测结果避免了模型的精度不确定性带来的误差.本文利用前60阶GRACE卫星时变重力资料和“去相关”、组合滤波两类滤波方法分别解算了中国及邻区的地表季节性垂直形变,并与区内42个GPS台站上观测到的季节性信号进行了比较,发现采用“去相关”滤波方法处理后的结果优于采用组合滤波处理后的结果.文中采用“去相关”滤波方法,GRACE解算的周年垂直形变的振幅、相位和GPS结果总体上一致;少数站上GRACE和GPS得到的振幅或相位相差较大,主要因素可能与GPS解算策略、GPS观测资料的连续性或局部大气、水文过程等地球物理因素有关.在中国及邻区的陆地上GRACE解算的周年垂直形变的振幅最小值出现在TASH台站东南,约1×10^-3 m;最大值出现在恒河-澜沧江流域,可达10×10^-3 m.文中的结果证实了在中国及邻区可以用GRACE卫星重力这种新手段监测大尺度的地表周年垂直形变.     

小型快速绝对重力仪软件系统开发

小型快速绝对重力仪采用经典的自由落体测量原理,要求能对获得的时间距离信息进行快速可靠的采集和分析.本文在小型快速绝对重力仪设计结构基础之上,设计了一种数据采集、分析软件,旨在提供图形化界面,实现数据获取分析的可视化管理.基于Labwindows/CVI软件开发平台提供的多线程机制,完成了对绝对重力仪的控制、数据采集、实时数据处理、分析和结果显示等功能.与FG5自带软件对比表明,该系统可视性好、实时性强和可靠性高.     

插值公式、相关系数和采样间隔对GRACE Follow-On 星间加速度精度的影响

本文基于星间加速度法开展了插值公式、相关系数和采样间隔对GRACE Follow-On星间加速度精度影响的研究. 模拟结果表明:1)适当增加数值微分公式的插值点数可有效提高插值精度. 基于9点Newton插值公式,星间加速度的插值误差为4.401×10^-13 m·s^-2,分别基于7点、5点和3点插值公式,插值误差增加了1.192倍、6.912倍和274.029倍. 2)适当增大相关系数可有效降低星间加速度的误差. 基于相关系数0.99,星间加速度方差为3.777×10^-24 m²·s^-4,分别基于相关系数0.90、0.70、0.50和0.00,方差增加了9.780倍、22.404倍、26.217倍和26.820倍. 3)随着采样间隔增大,星间加速度方差逐渐降低,但卫星观测值的空间分辨率也同时降低,因此合理选取采样间隔有利于地球重力场精度的提高. 4)基于9点Newton插值公式、相关系数(K波段测量系统星间距离和星间速度0.85、GPS轨道位置和轨道速度0.95、星载加速度计非保守力0.90)和采样间隔10 s,利用预处理共轭梯度迭代法,精确和快速反演了120阶GRACE Follow-On地球重力场,在120阶处累计大地水准面精度为4.602×10^-4 m.     

新一代GRACE重力卫星反演地球重力场的预期精度

基于低低卫卫跟踪模式,本文主要探讨利用动力学法融合精密轨道数据和星间测距或距离变率数据求解地球重力场的基本原理与方法,该方法既可对两颗低低跟踪卫星的初始状态误差进行有效校正,也可充分利用低轨卫星轨道所包含的低频重力场信息.为探讨适合我国国情的低低跟踪模式下的重力卫星指标,本文以不同星载设备精度指标的组合进行模拟计算,模拟结果显示:(1)把GRACE卫星的星间距离变率指标提高一个量级,其余指标保持与GRACE卫星设计指标一致时,可使地球重力场的精度获得同量级的提高;(2)若星间距离变率为1.0×10^-8 m·s^-1,轨道高度为300 km,加速度计精度为3.0×10^-10 m·s^-2,轨道精度为0.03 m, 星间距离100 km,与利用GRACE的设计指标反演出的重力场精度相比,可提高约121倍,并建议我国未来低低跟踪重力卫星计划参考此指标.     

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.     

基于带谐重力场的测高卫星轨道设计

推导了一组测高卫星轨道设计的理论公式,介绍了相关方法,并编写了一套软件。分别以激光测高卫星ICESat和雷达测高卫星HY-2A为例,基于31阶地球带谐重力场,给出了其平均轨道参数与密切轨道参数。轨道模拟显示,卫星经过各自的回归周期之后,其星下点均能精确回到初始位置,并且长半轴、轨道倾角、偏心率和近地点幅角均没有发生长期和长周期的变化,符合参考轨道要求。     

1980~2013年二阶重力场球谐系数变化研究

基于重力场系数与极移和日长变化(LOD)之间的相互关系,计算1980~2013年二阶重力场系数变化（ΔC21、ΔS21）,并将其与人卫激光测距（SLR）的结果进行比较分析。结果表明,两者的变化趋势一致。SLR解算的ΔC20存在6 a变化的周期信号,但其振幅只是LOD中6 a信号的1/10,表明LOD中的6 a信号不是由大气、海洋、陆地水等地球动力学过程所激发的,现在还无法确定其激发机制。     

绝对重力仪双采样过零检测中量化噪声的影响分析

利用高速采集系统完整记录绝对重力仪棱镜自由下落的干涉条纹波形,能够获取更多的重力信息。详细讨论了干涉条纹电压信号幅值与ADC相关参数,如等效位数、参考电压、采样频率等对重力测量的影响。结果表明,通过参数优化设计可以将ADC量化的影响限制在0.01 μGal。     

利用动力学方法解算GRACE时变重力场研究

本文利用动力学方法建立GRACE(Gravity Recovery And Climate Experiment)K波段距离变率(KBRR)观测、轨道观测与重力场系数的观测方程,通过GRACE Level 1B观测数据,成功解算出全球月时变重力场模型——IGG时变重力场模型,并将2008—2009年的解算结果与GRACE三大数据处理机构美国德克萨斯大学空间中心CSR(Center for Space Research)、美国宇航局喷气推进实验室JPL(Jet Propulsion Laboratory)和德国地学研究中心GFZ(GeoForschungs Zentrum)发布的最新全球时变重力场模型进行详细对比分析.结果表明:IGG结果在全球质量异常、中国及周边地区质量异常的趋势变化、全球质量异常均方差、2~60每阶位系数差值以及亚马逊流域和撒哈拉沙漠等典型区域平均质量异常等方面与CSR、JPL和GFZ解算的RL05结果较为一致.其中,IGG解算结果在2~20阶与CSR、GFZ和JPL最新解算结果基本一致,20~40阶IGG解算结果与GFZ、JPL单位最新解算结果较为接近,大于40阶IGG结果介于CSR与GFZ、JPL之间;亚马逊流域平均质量异常周年振幅IGG、CSR、GFZ和JPL获取到的结果分别为17.6±1.1cm、18.9±1.2cm、17.8±0.9cm和18.9±1.0cm等效水柱高.利用撒哈拉沙漠地区的平均质量异常做反演精度评定,IGG、CSR、GFZ和JPL的时变重力场获取到的平均质量异常均方差分别为1.1cm、0.9cm、0.8cm和1.2cm,表明IGG解算结果与CSR、GFZ和JPL最新发布的RL05结果在同一精度水平.     

NIM稳频激光器在FG5-112绝对重力仪上的测试分析

利用中国计量科学研究院（NIM）研制的碘稳频He-Ne激光器替换FG5中使用的Winters Model 100碘稳频He-Ne激光器,并进行对比观测实验。实验表明,NIM的碘稳频He-Ne激光器能使FG5绝对重力仪正常工作,完全能够替代Winters Model 100碘稳频He-Ne激光器。