利用卫星重力梯度数据确定地球重力场的理论和方法

卫星重力梯度测量是实现重力场逼近跨世纪目标的一项新重力探测计划。本文的核心是研究利用卫星中立梯度数据确定地球重力场的理论、方法和实用解算模型,其中包括全球重力场确定和局部重力场逼近两个方面。     

卫星跟踪卫星技术确定地球重力场的加速度法研究

地球重力场是地球的基本物理场,表征着地球物质空间分布、运动和变化,一直是大地测量学科的核心科学任务之一。随着卫星重力测量技术的飞速发展,21世纪初国际卫星重力探测计划,CHAMP、GRACE和GOCE先后成功实施,提供了大量高低卫星跟踪卫星、低低卫星跟踪卫星以及卫星重力梯度观测数据,为研究地球重力场精细结构和构建高精度全球重力场模型提供精确的长波信息。其中,基于卫星跟踪卫星观测值恢复高精度中长波重力场被各国学者广泛而深入地研究。在此背景下,本文研究由卫星跟踪卫星技术利用加速度法确定地球重力场模型的理论与方法。     

利用卫星重力梯度数据确定地球重力场的单层位模型

本文提出了处理卫星重力梯度数据以确定高分辩力重力场模型的单层位法并对其中的独立估计法进行了误差分析，数字结果显示：当卫星高度为200km，卫星数据网格宽度为15′，卫星重力梯度数据的精度为2×10~(-3)E时，利用独立估计法可得到分辩力为1°×1°（100km）的全球重力场模型，其重力异常精度小于1（mgal）；若卫星高度降至160km，卫星重力梯度数据的精度达到3×10~(-4)E，则获得的重力场模型的分辩力可提高到0.5°×0.5°（50km），其重力异常精度仍小于1（mgal）。     

利用卫星跟踪卫星确定地球重力场的理论和方法

卫星跟踪卫星(satellite-to-satellite tracking，SST)的研究可追溯到20世纪60年代，多种方案(GRAVSAT、GRM等)被研究和讨论。但是直到CHAMP(2000)和GRACE(2002)卫星的发射成功，才获得实用的SST数据用于全球范围重力场的研究，SST提供的丰富资料在重力场理论研究方面蕴含的巨大潜力使其成为地学研究的热点问题之一。     

利用卫星重力测量确定地球重力场模型的进展

卫星重力测量是当前探测全球一致、高精度和高分辨率地球重力场的高效技术手段,主要包括高低卫星跟踪卫星测量（satellite-to-satellite tracking in high-low mode, SST-hl）、低低卫星跟踪卫星测量（satelliteto-satellite tracking in low-low mode, SST-ll）和卫星重力梯度测量（satellite gravity gradiometry,SGG）。系统总结了利用卫星重力测量技术（包括SST-hl、SST-ll和SGG及多模式组合）反演地球重力场的主要方法,评述了利用挑战性小卫星有效载荷（challenging mini-satellite payload, CHAMP）、重力恢复与气候实验（gravity recovery and climate experiment, GRACE）/GRACE继任者（GRACE follow-on, GRACE-FO）和地球重力场和海洋环流探索器（gravity field and steady-state ocean circulation explorer...     

基于卫星跟踪卫星数据恢复地球重力场的研究

卫星跟踪卫星技术可以快速获取全球地球重力场中长波信息,不仅可以获取重力场静态信息,而且可以获取重力场的时变信息,已成为地球物理、大地测量、海洋、水文等学科研究、甚至减灾防灾等方面的一种高技术手段。本文研究基于卫星数据恢复地球重力场的理论和方法,重点在于求解地球重力场模型同时改善卫星初始轨道参数方法的研究。1.在阅读大量文献的基础上,给出了论文研究必需的基础理论知识,讨论恢复地球重力场的常用几种方法的基本原理,分析它们的优缺点,指出三种定轨方式的联系与区别。2.详细研究卫星跟踪卫星各种观测值的误差源,讨论削弱…     

利用卫星跟踪卫星视线加速度确定月球重力场的模拟研究

月球重力场的研究是实施探月工程的前提和基础,但由于目前探月技术不足以及月球特殊的物理环境,现有远月面重力场的精度难以保证探测器远月面登陆。而已在地球重力场研究方面得以成功实施的卫星跟踪卫星技术为解决这一难题提供了可能。本文通过模拟数据研究了卫星跟踪卫星视线加速度确定月球重力场方法的可行性和可靠性,计算了GRAIL卫星轨道参数下的月球全球重力异常,结果表明,卫星跟踪卫星视线加速度能较好地展现月球全球重力场的精细结构。     

GOCE卫星引力梯度数据滤波方法研究

针对GOCE卫星引力梯度观测值中低精度分量和低频有色噪声的处理策略问题,该文采用模型模拟值代替低精度分量Vxy和Vyz,以减弱低精度分量在坐标系转换中对高精度分量的影响。深入分析比较了多种滤波方法处理GOCE卫星引力梯度观测值中有色噪声的效果,提出采用Butterworth零相移滤波方法加移去-恢复技术的思路,实测数据的处理效果验证了该方法的有效性。     

卫星重力与地球重力场

卫星重力探测技术可获取全球均匀覆盖的地球重力场信号。以GRACE为代表的卫星跟踪卫星（satellite—to—satellite tracking,SST）计划为人类提供了前所未有丰富的中长波尺度的全球地球重力场信息。本文包含两部分研究内容：一是给出基于能量守恒原理的GRACESST重力观测方程,并采用此方法以实测GRACE观测数据求解得到120阶的GRACE地球重力场模型WHU—GM—05,并同国际上具有代表性的类似模型进行了分析比较;二是采用解析方法分析了SST观测系统中KBR、ACC、星载GPS等有效栽荷误差与获取地球重力场信号性能的响应,为我国SST设计和实施提供参考。     

新一代探测地球重力场的卫星编队

探讨4类卫星编队构形(串联编队、钟摆编队、车轮编队、串联-钟摆编队)测定全球重力场的特点和能力。基于C-W(Clohessy-Wiltshire)方程分析各类编队卫星的相对运动状态,通过仿真试验,探讨各种卫星编队探测重力场的精度和分辨率。结果表明,与GRACE-type编队相比,包含多方向重力信号观测量的卫星编队能够为重力场解算提供更好的条件,对重力场解算精度提高可达9%~65%;径向观测量是重力场反演中的主要信息来源,其中南北径向的车轮编队最适合于高阶重力场的解算;另外,编队卫星间的沿轨方向观测量对扇谐系数反演能力最差,法向观测量对低次项系数的反演不敏感,径向和多方向观测量联合反演能得到接近各向同性的重力场系数。这可为新一代重力卫星任务的设计提供参考依据。     

由GOCE引力梯度张量不变量确定卫星重力模型的半解析法

提出了利用半解析方法解算重力场与稳态海洋环流探测器(gravity field and steady-state ocean circulation explorer,GOCE)引力梯度张量不变量观测值来恢复全球卫星重力模型的方法,该方法比最小二乘方法效率高,同样可给出模型的验后方差。推导了半解析法快速解算引力梯度张量不变量的理论公式,给出了该方法利用卫星重力梯度观测数据快速求解重力场模型的基本步骤。利用89.5°倾角圆形严格重复轨道上的模拟梯度观测值验证了半解析方法用于张量不变量解算的理论严密性,并利用GOCE任务61 d 梯度仪坐标系(gradiometer reference frame,GRF)下无噪声和有噪声的I₂和V_zz模拟观测值进行了模型反演和结果分析。结果表明,利用I₂观测值求解模型的精度略优于仅用V_zz分量解算模型的精度。     

卫星重力梯度数据的模拟研究

推导了运用地球重力场模型计算单点、格网点以及格网平均的扰动重力梯度复组合分量的公式;提出了广义球谐函数及其定积分的新算法,并利用EGM96地球重力场模型试算了全球地区卫星轨道面上的重力梯度分量的格网平均观测值;通过对角线分量满足Laplace方程的精度,验证了该算法的有效性和实用性。     

卫星重力梯度数据的模拟研究

推导了运用地球重力场模型计算单点、格网点以及格网平均的扰动重力梯度复组合分量的公式;提出了广义球谐函数及其定积分的新算法,并利用EGM96地球重力场模型试算了全球地区卫星轨道面上的重力梯度分量的格网平均观测值;通过对角线分量满足Laplace方程的精度,验证了该算法的有效性和实用性。     

GOCE卫星重力梯度数据反演重力场的滤波器设计与比较分析

地球重力场和海洋环流探测（gravity field and steady-state ocean circulation explorer,GOCE）卫星重力梯度数据有色噪声和低频系统误差的滤波处理是反演高精度地球重力场的一个关键问题。针对GOCE卫星重力梯度数据的滤波处理,基于移动平均（moving average,MA）方法和CPR(circle per revolution)经验参数方法设计了两类低频系统误差滤波器,并分别将这两类滤波器与基于自回归移动平均（auto-regressive and moving average,ARMA）模型设计的有色噪声滤波器组合起来形成级联滤波器。为了分析滤波器处理的实际效果,基于空域最小二乘法采用70 d的GOCE观测数据,并联合重力恢复与气候实验（gravity recovery and climate experiment,GRACE）数据分别反演了224阶次的重力场模型GOGR-MA(MA+ARMA级联滤波)和GOGR-CPR(CPR+ARMA级联滤波)。将反演模型与采用同期数据求解的第一代GOCE系列模型及GOCE和GRACE联合模...     

利用卫星重力梯度与地面数据确定地球重力场的分析

本文利用简捷的球谐分析方法讨论了重力场元在地面和空间的谱分布特征和向下延拓问题,分析了各类测量数据求定重力场的最高分辨率及精度。结果表明,在一个低轨道卫星上以适当的精度(优于10~(-2)E)的重力梯度测量可以获得空间分辨率为100公里、精度高于5mgal和10cm的重力场和大地水准面。     

利用GRACE轨道和加速度数据恢复地球重力场

本文基于高低卫卫跟踪的模式，用积分方法研究了不同重力场模型对于轨道的影响，并用3个月的GRACE轨道数据计算了新的60阶地球重力场模型，为了分析其精度，与EGM96和EIGENIS作了比较．结果表明新模型在40阶前更接近GGM02C模型。     

由重力场模型快速计算沿轨重力梯度观测值

提出了利用高阶地球重力场模型快速模拟GOCE卫星重力梯度沿轨道观测值的方法。首先,由快速傅立叶变换(fast Fourier transform,FFT)技术快速计算球面格网数据;然后,用球面格网数据内插沿卫星轨道重力梯度观测值。由球谐展开式直接计算的沿轨观测值与内插得到的观测值的比较结果说明,该方法快速有效。     

利用卫星重力数据确定地球外部重力场的一种方法及模拟实验检验

假定给定了海量的卫星重力观测数据,基于球谐展开法并应用最小二乘原理可以确定地球重力场模型EGM,由此确定的重力场模型在地球表面附近的空间区域未必有效。设想有一个包含了地球的大球KS,假定EGM在大球的外部成立,则可根据虚拟压缩恢复法求出一种新的重力场模型NEGM,它是对原有重力场模型的进一步精化,适合于整个地球外部空间,从理论上可以解决重力场的“向下延拓”问题。初步的模拟实验检验支持虚拟压缩恢复法以及由此而引申出的“向下延拓”法。