GRACE星体和SuperSTAR加速度计的质心调整精度对地球重力场精度的影响

本文利用改进的能量守恒法开展了GRACE星体和星载加速度计检验质量的不同质心调整精度影响地球重力场精度的模拟研究论证. 结果表明：第一,在120阶处,当质心调整精度设计为0 m,恢复累计大地水准面精度为17.616 cm;当质心调整精度分别设计为5×10^-5 m、1×10^-4 m和5×10^-4 m时,恢复精度各自降低至18.106 cm、19.033 cm和27.329 cm. 第二,以德国GFZ公布的EIGEN-GRACE02S地球重力场模型的实测累计大地水准面精度为标准,当质心调整精度设计为(5～10)×10^-5 m时,其和K波段星间测量系统、GPS接收机、SuperSTAR加速度计、恒星敏感器等GRACE核心载荷的精度指标相匹配,对地球重力场恢复精度的影响较小,因此建议我国将来研制的首颗重力卫星的星体和星载加速度计检验质量的质心调整精度设计为(5～10)×10^-5 m较优.     

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.     

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.     

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.     

利用解析法有效快速估计将来GRACE Follow-On地球重力场的精度

本文首次利用解析法有效快速估计了将来GRACE（Gravity Recovery and Climate Experiment） Follow-On地球重力场的精度. 第一,基于功率谱原理分别建立了新的GRACE Follow-On卫星激光干涉星间测量系统星间速度、GPS接收机轨道位置和轨道速度以及加速度计非保守力误差影响累计大地水准面的单独和联合解析误差模型. 第二,利用提出的GRACE卫星关键载荷匹配精度指标和美国喷气推进实验室（JPL）公布的GRACE Level 1B实测精度指标的一致性,以及估计的GRACE累计大地水准面精度和德国波兹坦地学研究中心（GFZ）公布的EIGEN-GRACE02S地球重力场模型实测精度的符合性,验证了本文建立的解析误差模型是可靠的. 第三,论证了GRACE Follow-On卫星不同关键载荷匹配精度指标和轨道高度对地球重力场精度的影响. 在360阶处,利用轨道高度250 km、星间距离50 km、星间速度误差1×10^-9m/s、轨道位置误差3×10^-5m、轨道速度误差3×10^-8m/s和非保守力误差3×10^-13m/s²,基于联合解析误差模型估计累计大地水准面的精度为1.231×10^-1 m. 本文的研究不仅为当前GRACE和将来GRACE Follow-On地球重力场精度的有效快速确定提供了理论基础和计算保证,同时对国际将来GRAIL（Gravity Recovery and Interior Laboratory）月球卫星重力测量计划的成功实施具有重要的参考意义.     

静电悬浮加速度计在轨质心位置的最小二乘估计

本文使用国内首次搭载飞行的静电悬浮加速度计在轨数据与卫星姿态数据,对加速度计与卫星质心的相对位置进行了估计测量.文中分析得到,在卫星姿态机动时,加速度计的输入加速度主要来自于离心加速度及角加速度引入的线加速度.结合卫星姿态机动时陀螺仪的测量数据,使用最小二乘法对加速度计质心位置的三个分量进行了联合估计.结果表明：质心位置的估计精度达到约6 mm水平,主要受限于卫星平台条件和加速度计测量精度限制.利用本文方法对未来重力卫星任务进行了分析,若使用精度为1×10^-10 m·s^-2加速度计以及2角秒分辨率的星敏感器,可将质心位置估计精度提高至4.6×10^-6 m水平.

     

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）.     

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^-11m·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w_y、w_z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.

     

龙门山断裂带重力变化与汶川8.0级地震关系研究

利用成都地区1996~2008年绝对重力和相对重力观测资料获得区域重力场时空动态变化结果,系统分析了龙门山断裂带重力场变化特征及其与汶川8.0级地震的关系.①重力变化与龙门山断裂构造活动存在密切空间联系,重力测量较好地反映了伴随活动断层的物质迁移和构造变形引起的地表重力变化效应.②成都地区重力场动态图像较完整地反映了2008年5月12日汶川8.0级地震孕育、发生过程中出现的流动重力前兆信息.③映秀及北川重力点值时序变化累积量达120×10^-8m·s^-2,较好地反映了汶川地震前映秀和北川两个极震区附近的重力测点随时间的剧烈波动性上升变化.④汶川地震前,龙门山断裂带东侧的四川盆地相对稳定,而较显著的重力变化发生在龙门山断裂带西侧的川西高原上.     

重力场动态变化与汶川MS8.0地震孕育过程

基于中国大陆1998～2007年（复测周期2～3年）流动重力观测数据,结合GPS、水准观测成果和区域地质构造动力环境,分析研究了汶川8.0级地震区域重力场动态变化演化特征和孕震机理.结果表明：区域重力场动态演化大体反映了青藏高原物质东流的动态效应和汶川大震孕育的中长期（2～10年）信息;汶川大震孕育的显著重力标志为震中西南持续多年的正重力变化（上升）和出现较大规模的重力变化梯级带,前者有利于地震能量的不断积累,后者有利于地震剪切破裂的发生;与地震孕育相关重力场变化总体呈增大—加速增大—减速增大—发震的过程;8年累积重力变化幅差最大约200×10^-8m·s^-2;2001年昆仑山口8.1级地震孕育发生和震后恢复调整,对区域重力场动态变化和汶川大震的孕育发展具有重要影响;松潘—甘孜块体一般呈现负重力变化,可能反映深部壳幔局部上隆、壳内温度较高而膨胀,有利于逆冲或推覆体运动的形成和大震的发生.     

基于半解析法有效和快速估计GRACE全球重力场的精度

首先基于半解析法建立了新的GRACE卫星K波段测量系统星间测速、GPS接收机轨道位置和加速度计非保守力误差联合影响累计大地水准面的误差模型;其次,基于各关键载荷精度指标的匹配关系,论证了误差模型的可靠性;最后,基于美国喷气动力实验室（JPL）公布的2006年的GRACE Level 1B实测误差数据,有效和快速地估计了120阶全球重力场的精度,在120阶处累计大地水准面的精度为18.368 cm,其结果和德国地学研究中心（GFZ）公布的EIGEN-GRACE02S全球重力场模型符合较好. 本文的研究为将来国际卫星重力测量计划（如GRACE Follow-On, 360阶）中高阶全球重力场模型精度的有效和快速估计提供了理论基础和计算保证.     

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.     

GRACE卫星关键载荷实测数据的有效处理和地球重力场的精确解算

首先对美国喷气推进实验室（JPL）公布的2007-06-01～2007-12-31时间段内的GRACE Level 1B卫星GPS轨道位置和速度、K波段系统星间速度、加速度计非保守力以及恒星敏感器姿态实测数据对应进行了轨道拼接、粗差探测、线性内插、重新标定、坐标转换、误差分析等有效处理;其次,基于改进的能量守恒法恢复了120阶GRACE地球重力场,在120阶处累计大地水准面精度为25.313 cm;最后,检验了本文地球重力场模型IGG-GRACE的可靠性,同时分析了IGG-GRACE解算精度在低频部分略优于德国波兹坦地学研究中心（GFZ）公布的EIGEN-GRACE02S地球重力场模型,而在中高频部分略低的原因.     

利用SWARM卫星高低跟踪探测格陵兰岛时变重力信号

GRACE重力卫星任务即将结束,后续GRACE Follow-On卫星计划于2017年发射,在此期间,迫切需要一个新的卫星计划继续对全球时变重力场进行连续监测,以保证时变重力场信息时间序列的连贯性.SWARM计划包括三颗轨道高为300~500 km的近极轨卫星星座,类似于三颗CHAMP卫星,具有接替时变重力场探测的潜力.本文首先分析SWARM(模拟)、CHAMP、GRACE反演至60阶时变重力场球谐系数的误差特性及不同高斯平滑半径对高频误差的抑制效果,然后分别利用SWARM、CHAMP、GRACE的时变重力场模型恢复全球质量变化,结果表明,SWARM模拟观测数据的高频误差低于CHAMP观测数据,探测时变重力场的整体精度优于CHAMP,略低于GRACE探测精度;其次,对比2003年1月—2009年12月期间CHAMP(hl-SST)和GRACE(ll-SST)时变重力场模型反演格陵兰岛冰盖质量变化趋势,结果显示,CHAMP数据得到格陵兰岛冰盖质量变化趋势为-50.2±2.0 Gt/a,GRACE所得结果为-41.2±1.6 Gt/a,两者相差21.8%;最后,对比2000年1月—2004年12月间SWARM模拟数据和"真实"模型数据反演的格陵兰岛冰盖质量变化趋势,结果表明,两者相差19.2%.本文研究表明,利用SWARM hl-SST数据探测时变重力场可以达到20%相对精度水平,有潜力用于填补GRACE和GRACE Follow-On期间探测地球时变重力场的空白.     

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.