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2 cm、10 nm·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.     

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.     

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1.0×10-8m·s-1,轨道高度为300km,加速度计精度为3.0×10-10m·s-2,轨道精度为0.03m,星间距离100km,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.     

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.     

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.     

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1m2/s2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0.5m2/s2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.     

利用视线加速度数据恢复月球近区重力异常的研究

本文阐述了利用分步最小二乘方法拟合视线加速度来确定月球重力异常的原理和计算步骤,并利用"Lunar Prospector"扩展任务实测的视线方向加速度数据计算了月球近区的重力异常.最后将计算结果和现今最高阶次的月球重力场模型LP165进行了比较和分析,得出标准差在纬度-75°～75°范围内为±27.354 mGal,75°～85°和-85°～-75°范围内为±61.965 mGal的精度,从而验证了该解算方法的可行性和可靠性.     

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.     

在嫦娥一号探月工程中求定月球重力场

月球重力场制约着近月外空间物体的运动,同时环月飞行器的运动也反映了月球重力场的作用. 本文结合我国嫦娥一号探月工程,探讨了利用月球卫星的地面跟踪资料,求定月球重力场的基本理论和方法,分析了环月卫星的轨道高度、地面跟踪采样时间间隔和跟踪精度等对求定月球重力场的影响. 若单独利用我国嫦娥一号探月工程的地面跟踪数据,恢复30阶次左右的月球重力场模型是一个比较实际的目标. 地面跟踪最好能以75s的时间间隔进行采样,数据连续提供时间应不少于30个昼夜,月球卫星星下点的月面轨迹间距不大于110km.     

A study of regional gravity field recovery from GOCE vertical gravity gradient data in the Auvergne test area using collocation

Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer (GOCE) is the first satellite mission that observes gravity gradients from the space, to be primarily used for the determination of high precision global gravity field models. However, the GOCE gradients, having a dense data distribution, may potentially provide better predictions of the regional gravity field than those obtained using a spherical harmonic Earth Geopotential Model (EGM). This is investigated in Auvergne test area using Least Squares Collocation (LSC) with GOCE vertical gravity gradient anomalies (T_zz), removing the long wavelength part from EGM2008 and the short wavelength part by residual terrain modelling (RTM). The results show that terrain effects on the vertical gravity gradient are significant at satellite altitude, reaching a level of 0.11 E?tv?s unit (E.U.) in the mountainous areas. Removing the RTM effects from GOCE T_zz leads to significant improvements on the LSC predictions of surface gravity anomalies and quasigeoid heights. Comparison with ground truth data shows that using LSC surface free air gravity anomalies and quasi-geoid heights are recovered from GOCE T_zz with standard deviations of 11 mGal and 18 cm, which is better than those obtained by using GOCE EGMs, demonstrating that information beyond the maximal degree of the GOCE EGMs is present. Investigation of using covariance functions created separately from GOCE T_zz and terrestrial free air gravity anomalies, suggests that both covariance functions give almost identical predictions. However, using covariance function obtained from GOCE T_zz has the effect that the predicted formal average error estimates are considerably larger than the standard deviations of predicted minus observed gravity anomalies. Therefore, GOCE T_zz should be used with caution to determine the covariance functions in areas where surface gravity anomalies are not available, if error estimates are needed.     

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±1.1 cm、18.9±1.2 cm、17.8±0.9 cm和18.9±1.0 cm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1.1 cm、0.9 cm、0.8 cm和1.2 cm,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.     

CHAMP重力场恢复时域法和空域法比较研究

利用CHAMP数据恢复重力场的解算方法分为时域法和空域法.本文首先介绍了这两种方法恢复CHAMP重力场的基本原理和算法,分析了它们的优缺点.针对空域法中的延拓误差和格网化误差进行了讨论.计算表明:延拓误差中的截断误差部分影响量级约0.001 m2·s-2(均方误差意义下),最大误差仅为0.11 m2·s-2,可完全忽略;延拓误差中的参考重力场模型误差影响随参考场选取的不同而有所差异,整体而言小于0.1 m2·s-2,但最大误差可达1.3 m2·s-2,采用高精度的参考重力场模型能大大减小延拓误差影响.目前最常用的格网化方法包括加权平均方法和最小二乘配置方法,计算表明,利用30天的CHAMP数据进行2°×2°格网化处理,加权平均法的格网化误差在0.13 m2·s-2量级,最大误差可达1.58 m2·s-2,而最小二乘配置法的格网化误差在0.006 m2·s-2量级,最大误差仅为0.15 m2·s-2,明显优于加权平均法.文章最后对时域法和以快速最小二乘配置(FSC)为代表的空域法恢复60阶次的CHAMP重力场的精度进行了比较,结果表明:两种方法的得到的重力场模型精度相差不大,整体而言,时域法略优于空域法.     

基于绕月单卫星和双星测量的月球重力场恢复仿真分析

月球重力场是月球科学研究的重要部分,是进一步了解月球内部结构和构造的基础,也是我国探月计划“嫦娥工程”一个重要的科学研究内容.本文针对“嫦娥工程”,利用GSFC/NASA/USA的GEODYNII/SOLVE轨道分析软件,分析计算了利用单星跟踪数据恢复月球重力场的能力,同时模拟计算了双星跟踪数据在恢复月球重力场方面的能力,结合可能的工程环境我们对两种情况分别给出了30天、60天和90天的计算结果.计算表明双星相比于单星对月球重力场的中低阶位系数有比较显著的改善.     

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.     

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.     

海潮误差对GRACE时变重力场解算的影响研究

海潮误差是 GRACE 时变重力场反演中重要的误差源,目前发布的海潮模型中主要包含振幅较大的主潮波分量模型,在时变重力场反演中次潮波的影响也是不可忽略的,因此,GRACE 时变重力场反演中的海潮误差主要包括受限于海潮模型误差和次潮波影响.本文利用轨道模拟方法检测了短周期潮波的混频周期以及次潮波对ΔC20, ΔC30的时序特征,并进一步通过轨道模拟结果分析了海潮误差对时变重力场反演的影响,然后通过实测数据解算分析了海潮误差对当前 GRACE 时变重力场解算的影响,研究发现:(1) 利用轨道模拟能够有效地检测短周期潮波的混频周期;(2)时变重力场解算过程中,次潮波的影响大于海潮模型误差的影响;(3)海潮模型误差以及次潮波影响是当前 GRACE 没有达到基准精度的重要因素之一.     

星间加速度解算模式的模拟与分析

低低卫星跟踪卫星的观测量是两低轨卫星的星间距离或星间速度,星间加速度由星间速度通过数值微分导出,用星间加速度作为观测量可以避免解算卫星运动的变分方程,简化观测方程的建立,但数值微分会使观测噪声放大,从而影响重力位的解算精度.为了定量给出星间加速度观测模式的精度,本文分析并模拟验证了数值微分公式计算星间加速度的精度,导出了基于星间加速度的一般形式的观测方程,模拟计算了基于星间加速度的重力位模型.结果表明,采用星间加速度观测模式的解算精度要明显低于星间速度观测模式的解算精度.     

Parameters of the normal gravity field deduced from satellite observations

Summary The parameters of the normal gravity field were deduced from the harmonic coefficients[3, 4] upto n=6 and compared with the parameters used hitherto. The symbols used are the same as in papers[5, 6, 8] with which this paper connects up.     

The gravity field and GGOS

The gravity field of the earth is a natural element of the Global Geodetic Observing System (GGOS). Gravity field quantities are like spatial geodetic observations of potential very high accuracy, with measurements, currently at part-per-billion (ppb) accuracy, but gravity field quantities are also unique as they can be globally represented by harmonic functions (long-wavelength geopotential model primarily from satellite gravity field missions), or based on point sampling (airborne and in situ absolute and superconducting gravimetry). From a GGOS global perspective, one of the main challenges is to ensure the consistency of the global and regional geopotential and geoid models, and the temporal changes of the gravity field at large spatial scales. The International Gravity Field Service, an umbrella “level-2” IAG service (incorporating the International Gravity Bureau, International Geoid Service, International Center for Earth Tides, International Center for Global Earth models, and other future new services for, e.g., digital terrain models), would be a natural key element contributing to GGOS. Major parts of the work of the services would, however, remain complementary to the GGOS contributions, which focus on the long-wavelength components of the geopotential and its temporal variations, the consistent procedures for regional data processing in a unified vertical datum and Terrestrial Reference Frame, and the ensuring validations of long-wavelength gravity field data products.