卫星重力测量的主要方法和发展现状

利用卫星跟踪卫星和卫星重力梯度测量技术来测定全球重力场，是近几年重力场测量领域的一个发展重点。由这些卫星上的各种数据获得的地球重力场模型在精度和分辨率上都得到了很大程度上的提高。本文首先以CHAMP、GRACE、GOCE三颗卫星为例，介绍了当前卫星重力测量的主要方法、原则，对三颗卫星的特点进行了说明。同时对三颗卫星的组成部分、轨道参数、应用领域进行了介绍。对于由CHAMP、GRACE卫星数据生成的重力场模型，文中进行了分析、评价和比较。     

基线法在卫星重力数据处理中的应用

提出了一种恢复地球重力场并同时改善部分轨道初始参数的方法——基线法。给出了基线法的基本原理,推导了基线参数与直角坐标形式参数的相互转换公式,分析了星间距离和距离变率对基线参数的敏感性。分别用基线法和经典动力学法处理了一组GRACE实际观测数据,结果表明,采用基线法较经典动力学法得到了一个精度更高的地球重力场模型,其大地水准面累积误差(最高60阶)减少了3 cm。     

利用CHAMP卫星星历恢复引力位模型的模拟研究

对CHAMP卫星星历恢复引力位模型的精度,使用3种方法和不同积分弧长作了模拟计算,结果表明,采用正则化方法并扩展积分弧长将有助于提高解算位系数的精度,预期CHAMP卫星观测将使现有引力位模型低阶位系数的精度提高1~2个数量级     

GRACE时变重力位系数扇形滤波算法分析

卫星重力探测技术为监测全球陆地水储量变化提供了新的技术手段。采用Level-2 Release-05版本GRACE时变重力场模型数据计算了2010年全球陆地水储量的月变化;着重研究了扇形滤波对反演结果的影响;并结合GLDAS水文模型数据对反演结果进行了验证分析。实验结果表明:GRACE反演结果 GLDAS水文模型结果在时空分布上符合较好;扇形滤波能够削弱GRACE时变重力场模型的高阶项误差影响,有效去除反演结果中的条带状噪声。     

利用地球重力场模型计算CHAMP卫星参考轨道

结合CHAMP卫星观测数据的动力法反演，研究了CHAMP卫星参考轨道的数值方法。分别通过利用40～50阶重力位系数模型计算轨道，并与业已公布的卫星轨道数据进行比较，结果表明，CHAMP(低轨)卫星轨道对重力场低频部分的敏感度较大，考虑低阶(40阶左右)重力场模型计算的卫星参考轨道精度较高。     

大地重力学的新进展

介绍了当前利用卫星探测地球重力场的技术及其实践,也就是目前采用的高轨卫星追踪低轨卫星技术(hl-SST)、低轨卫星追踪低轨卫星技术(ll-SST)、卫星重力梯度测定技术(SSG),及其相应的正在运行的CHAMP、GRACE、GOCE卫星和考虑发射的GRACEFollow-On卫星。运行的三颗卫星所提供的地球重力场信息不论在精度和分辨率方面都是大地重力学的一个重大进展。介绍了地形数据在构建地球重力场模型中的作用和美国SRTM对全球地形数据的测量。最后介绍了EGM2008与我国已有大陆重力值的比较,平均差值约为11mgal,与我国大陆现有的高程异常值的比较,平均差值为27cm左右。     

应用GRACE时变地球重力场模型探测地震重力变化

根据GRACE时变重力场模型和高斯平滑原理,编写了全球任意一点的重力异常计算程序,计算2011日本地震区域前后共7个月的重力异常值。结果显示,在大地震前后,地震区域重力异常呈现正负异常交替和迁移现象,并随着地震的临近,这种现象会越来越明显。最后绘制全球1°格网的等效水高速率变化图,借此分析地震影响产生的全球质量变化。     

利用重力等位面特性进行地球重力场模型评价

提出了一种基于大地水准面等位面特性的地球重力场模型优劣评价方法。通过取任一重力大地水准面为参考面,计算不同地球重力场模型在该面上的重力位标准差,以此作为不同模型相对优劣的评价指标。利用该方法对不同地球重力场模型以及同一重力场模型在不同区域的精度进行了评价。结果表明:EGM96、OSU91A模型的大地水准面高精度分别为±11.1 cm、±14.3 cm,说明EGM96要优于OSU91A,EGM2008、EIGEN-6C4模型的大地水准面高精度分别为±8.8 cm、±8.9 cm,说明该两个模型的精度相当,与已有研究结果一致,表明本文方法的有效性与适用性。进一步研究结果显示,对于全球大地水准面,EGM2008和EIGEN-6C4模型的大地水准面高精度分别为±11.3 cm和±14.1 cm,即在厘米级精度上EGM2008略优。     

重力卫星和测高卫星五年来的进展

对近年升空的重力卫星CHAMP和GRACE及将于近期升空的GOCE卫星,以及测高卫星ENVISAT,Jason1,GFO,ICESat和CryoSat的技术特点进行了介绍和评估。     

现有SST重力场模型的比较研究

分析了最新的卫星跟踪卫星(satellite-to-satellite tracking,SST)地球重力场模型EIGEN系列和GGM系列在欧洲大陆部分与GPM98C模型重力场异常残差的差异,研究了新一代卫星重力方法对于提高区域重力场模型精度的潜力以及存在的问题。比较结果说明,SST重力场模型的较高阶部分精度不理想,而在中低阶部分,SST模型表现出在原有经典重力场模型中并未包含的信息。     

利用地球重力场模型计算CHAMP卫星参考轨道

结合CHAMP卫星观测数据的动力法反演,研究了CHAMP卫星参考轨道的数值方法.分别通过利用40～50阶重力位系数模型计算轨道,并与业已公布的卫星轨道数据进行比较,结果表明, CHAMP(低轨)卫星轨道对重力场低频部分的敏感度较大,考虑低阶(40阶左右)重力场模型计算的卫星参考轨道精度较高.     

国际重力卫星研究进展和我国将来卫星重力测量计划

本文首先分别介绍了国际已经成功发射的专用地球重力测量卫星CHAMP、GRACE以及即将发射的GOCE、GRACE Follow-On和专用月球重力探测卫星GRAIL的研制机构、轨道参数、关键载荷、跟踪模式、测量原理、科学目标和技术特征;其次,阐述了当前相关学科对地球重力场测量精度的需求;最后,建议我国在将来实施的卫星重力测量计划中首选卫星跟踪卫星高低\低低模式,尽快开展轨道参数优化选取的定量系统研究论证和重力卫星系统的误差分析,依据匹配精度指标先期开展重力卫星各关键载荷的研制以及尽早启动卫星重力测量系统的虚拟仿真研究。     

利用GRACE和地球物理模型研究地球动力学扁率变化

作为一个旋转的扁椭球体,地球的动力学扁率J2变化主要是由各圈层相互作用和地球系统的物质流动所引起。当前,测定地球动力学扁率主要是通过卫星激光测距资料获得。本文利用GRACE月重力场模型、海底气压模型和冰期均衡调整模型等估计地球动力学扁率月变化ΔJ2,通过计算得到的C20时间序列与卫星激光测距(SLR)结果差别不大。通过计算分析,可以看出使用不同机构发布的GRACE数据产品,得到的季节变化时间序列的结果差别不大,与SLR结果非常接近,得出的C20时间序列在SLR方差百分比达70%。     

GRACE时变地球重力场模型反演全球质量变化

根据GRACE卫星所得到的2008年1～12月份的重力场模型数据反演各种质量变化的分析结果,求出等效水高。对全球和局部地区的等效水高进行分析,得出关于时变重力场模型能够在较大的时间尺度范围和地理范围内很好地反演全球质量变化的结论。     

重力卫星的星载GPS精密定轨

利用CHAMP和GRACE卫星的实测数据,研究了重力卫星的精密定轨问题,并针对几何法精密定轨方法给出了一种有效的星载数据编辑策略;在PANDA软件的基础上,处理了101 d的实测数据;通过与不同机构卫星轨道的比较、激光测距观测值检验以及重力场模型恢复等外部检核的方式,分析了卫星轨道的精度。结果显示,本文的简化动力学轨道的精度为2~3 cm;几何学轨道的定轨精度为3~4 cm,适用于重力场模型的解算。     

卫星重力研究:21世纪大地测量研究的新热点

卫星重力发射将大大改善人们对地球重力场的了解 ,最近一些年已经和将要发射的 CHAMP、GRACE及GOCE卫星将把现有静态中长波长部分重力场的精度提高 1- 2个量级 ,并提供长波部分重力场随时间变化的信息。本文对这一大地测量的新进展作了简单叙述     

卫星重力测量数据处理软件系统的设计

介绍了自主开发的卫星重力测量数据处理软件GRASTAR,给出了该软件的整体设计框架和功能。该软件主要采用动力学法实现,应用CHAMP卫星和GRACE卫星的观测数据反演地球重力场模型。利用模拟方法验证了该软件的正确性,并利用GRASTAR处理了126 d的CHAMP卫星数据,解算出直到40阶次重力场模型的初步结果。     

超高阶地球位模型的计算与分析

全球重力场模型是当今物理大地测量学最为活跃的研究领域之一。本文基于目前国内外最新的重力场模型理论研究成果 ,提出了利用中国地区细部数据和全球卫星测高 2′× 2′网格重力异常扩展超高阶位模型的计算方法 ,详细讨论了数值解算过程中的稳定性和可靠性问题。以 EGM96和 GPM98CR模型作为参考模型 ,在全球意义上分别解算得到 MOD99a( 360阶 )、MOD99b( 72 0阶 )和 MOD99c/d( 1 80 0阶 ) ,将系列模型 MOD99a/b/c/d同中国地区 72个 GPS水准大地水准面和全球海洋 1 2个地区的卫星测高大地水准面进行了比较 ,并通过功率谱分析方法检验了 4组模型的有效性和可靠性。     

地球重力位模型确定局部大地水准面起伏的比较研究

分析了EGM2008、EGM96、GGM02等几种地球重力位模型的阶方差,为得到各模型中长波分量和短波分量的精度,利用研究区域内GPS水准数据分别对所选模型120阶和360阶计算得到的大地水准面高进行了比较,又考虑到地形和实测重力数据缺失对大地水准面的影响,把研究区域划分为平原和山地丘陵两部分,并比较了两个地区内参考点上模型计算值的精度,利用最小二乘原理对模型计算值进行了拟合改正。     

联合GOCE卫星数据和GRACE法方程确定SWJTU-GOGR01S全球重力场模型

联合地球重力场和海洋环流探测器（Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer,GOCE）和重力恢复与气候实验（Gravity Recovery and Climate Experiment,GRACE）卫星观测数据确定全球静态重力场模型是当前大地测量学的研究热点之一。联合近3 a的GOCE卫星梯度数据和7 a左右的GRACE星间距离变率数据计算的ITG-GRACE2010S模型的法方程恢复了210阶次的重力场模型SWJTU-GOGR01S。采用带通数字滤波方法处理GOCE卫星的4个高精度梯度观测分量,利用梯度数据恢复重力场模型的观测方程直接建立在梯度仪坐标系中,可以避免坐标转换过程中高精度的梯度观测分量受低精度分量的影响;联合法方程解的最优权采用方差分量估计迭代计算,GOCE数据的两极空白引起的病态问题采用Kaula正则化方法进行约束。基于EIGEN-6C2模型和北美地区的GPS水准网观测数据,对SWJTU-GOGR01S模型进行内外符合精度分析,结果表明,SWJTU-GOGR01S模型在210阶次的大地水准面误差和累计误差分别为1.3 cm和5.7 cm,精度与欧洲空间局公布的第四代时域法模型相当,略优于GOCO02S和GOCO03S模型的精度。