卫星重力探测技术的发展

在地球物理勘探领域中,人造地球卫星的发射为重力测量提供了新的途径。与以往探测重力的手段相比,重力卫星的发射大大改善了人们对地球重力场的认识,随着CHAMP、GRACE和GOCE卫星的发射,将把现有静态中长波部分重力场的精度提高1—2个数量级,并提供长波部分重力场随时间变化的信息。卫星重力学对我国的基础测绘服务和国防建设有着重要的实用价值。     

利用卫星跟踪卫星观测数据确定时变重力场球谐解的发展趋势

时变重力场综合反映了地球内部及表层物质的迁移特性,在地球科学领域应用广泛.21世纪以来,多个重力卫星相继成功发射,为实现全球时变重力场连续监测提供了数据支撑.利用重力卫星观测数据建立高精度时变重力场模型,是开展时变重力场相关科学应用的重要前提.自重力卫星计划提出以来,国内外学者致力于卫星时变重力场建模理论及方法的研究,...     

基于GRACE卫星和地表流动重力的汶川MS 8.0地震前重力时空变化

利用GRACE卫星重力场模型和地表流动重力观测资料,计算2008年汶川M_S 8.0地震发生前6年的重力变化,对卫星和流动重力段差结果与卫星重力反映的重力场动态变化特征进行研究,结果表明：①GRACE卫星重力段差受滤波半径影响显著,与地表流动重力观测结果相比,在重力变化数值上差异较大,在变化率上较为一致;②在汶川地震孕育阶段,川滇地区重力等值线呈“增大—减速增大—减小”的特征,震前2年形成近似垂直于龙门山断裂带的重力变化梯度带。     

重力卫星精密星间测距系统滤波器技术指标论证

本文基于重力卫星精密星间测距测量模式,从星间测距观测值与地球重力场频谱关系的角度,建立了距离观测值关于重力位系数的敏感矩阵,分析了各阶次重力场位系数对应的敏感矩阵的频谱特性,讨论了星间测距信息中能反应地球重力场信息的有效信号频带,给出了能最大限度保留地球重力场信息的低通滤波器的通带截止频率、通带增益波纹和频率采样率技术指标设计方案,可为我国首期卫星跟踪卫星重力测量计划的主要技术指标的初步设计提供参考.     

GRACE和地面重力测量监测到的中国大陆长期重力变化

自2002年以来,GRACE卫星探测计划可提供高精度的时变地球重力场,用以探测地球系统的物质分布.自1998年中国大陆重力监测网建立以来,利用FG5绝对重力仪和LCR-G型相对重力仪每2年对该网进行重复测量获取重力场时变信息.基于此,本文利用GRACE和地面重力测量获得了中国大陆重力场的长期年变率,利用位错理论根据USGS发布的断层模型计算了2008年汶川M_s8.0级地震的同震重力变化并进行了300 km高斯滤波.GRACE卫星重力和地面重力结果均表明华北地区地下水流失严重,在绝对重力基准站上,GRACE卫星重力与绝对重力变化率较为一致,汶川区域的地面重力变化结果可视为大地震前兆信息.     

基于地面重力的卫星重力梯度检校方法

卫星重力梯度仪在轨检校是提高梯度模式重力卫星观测质量的关键.本文面向中国未来梯度模式重力卫星规划任务,研究提出一种基于地面重力的卫星在轨检校方法,该方法顾及卫星设计指标,从地面先验重力数据的精度、空间尺度以及卫星重力梯度仪的观测噪声等卫星检校要素开展分析研究,成功实现地面数据与卫星观测数据的比对检校.研究结果表明,在12°×12°的地面检校区域内,利用精度优于1 mGal的地面重力观测数据即可实现噪声低于10 mE的重力梯度仪高精度在轨检校.     

应用多种来源重力异常编制中国海陆及邻区空间重力异常图及重力场解读

本文通过分析陆地实测空间重力异常数据、海洋船载测量空间重力异常数据、卫星测高重力异常,布格重力异常数据、EGM2008地球重力模型数据等多种来源数据的性质和精度,并对相关数据进行对比,研究了编制1:500万中国海陆空间重力异常图的数据使用方案和技术方法.在地形较为平坦、实测数据分布均匀的陆区,使用实测数据,在地形复杂,实测数据稀少以及没有实测数据的陆区或岛屿,利用布格重力异常反推空间异常的方法合成平均空间重力数据,西藏地区的数据对比实验证明合成平均空间重力异常数据是一种有效的数据补充.利用三观测列方差分解法在南海地区对船载测量空间重力数据和美国SS系列及丹麦DNSC08GRA卫星重力数据进行了方差分解计算,结果表明不同来源的卫星测高重力数据具有很大的一致性,数据精度较以往有了很大的提高.海区空间重力数据使用原则是在船载重力测量数据校准下,全面使用卫星测高重力数据进行编图.海陆过渡区的异常处理应以EGM2008地球重力模型重力场为基准参考场,实现海陆异常平缓过渡,无缝连接.对中国海陆空间重力异常场进行了小波变换处理,对空间重力异常场进行了解读,勾画出三横四竖的一级重力梯级带及其所围限的8个一级重力异常区,并划分了二级重力异常区和梯级带,为块体构造学体系中大地构造格架的建立提供了地球物理证据.     

利用重力卫星研究青海玛多及云南漾濞地震周边2002—2021年重力变化

文中基于2002—2021年卫星重力观测数据及全球水文模型,计算了青海玛多及云南漾濞地震震中区及周边(18°～45°N,83°～115°E)范围的重力变化趋势、累积重力变化、差分重力变化及重力时变序列,并模拟青海玛多地震同震重力变化,以探索涵盖此次地震震中的大尺度重力变化背景及可能存在的孕震信息。研究结果表明:1)研究区域长期重力变化趋势的范围为-1～1μGal·a^-1,重力变化长期呈现出负—正—负—正的大四象限空间布局; 2)云南漾濞地震及青海玛多地震均位于重力变化四象限分布的低值区及高梯度带的拐角处,这与地表重力地点预测的基本特征一致;3) 2002年以来的M_S≥7.0地震,如汶川地震、玉树地震、芦山地震、九寨沟地震、玛多地震、尼泊尔地震等都发生在该四象限分布的中心区域或与构造相关的高梯度带的拐角处,这与地面重力地震预测的震例经验吻合; 4)基于位错理论模拟的青海玛多地震的同震重力变化可达-40～151μGal,重力卫星精度需要提高1～2个量级方能探测到这一变化。重力卫星星座的搭建将为提高卫星重力地震监测能力提供可能。     

利用卫星重力数据计算地球内部密度异常

地球外部重力场是由地球内部物质分布决定的。本文利用ＲＡＰＰ８１１８０阶卫星重力位系数根据异常源埋深与重力位系数阶数的关系和重力场分离方法计算了经度为９０°Ｅ的地球密度异常剖面，得到了地球内部不同深度的密度异常结果，并初步作了地球物理解释．计算结果得到的深度为６５ｋｍ处的低密度异常带与地球模型的ＬＩＤ层和Ｃ层较为接近。     

小波多尺度分析尼泊尔MW7.8地震前卫星重力变化

利用GRACE重力卫星RL05月重力场数据,获取尼泊尔大地震前后震源区周缘2010-2015年每月重力变化,以及震中点位重力时间序列.基于小波多尺度分析方法对卫星重力场进行分解,获得重力场细节和近似部分.研究结果表明:尼泊尔地震前5年(2010-2014)内在震源区周边出现了比较明显的卫星重力异常正负交替和迁移现象,2...     

利用卫星探测研究地下结构

介绍了国外利用卫星上观测的电子流量和磁场资料进行地下结构探测研究的一些成果.研究表明,卫星上记录到的不同能量电子流量脉冲突变与地下结构、深大岩石圈断裂带有密切的对应关系.卫星磁场观测具有覆盖全球的优势,随着卫星磁场数据观测精度的提高,卫星磁测在全球磁变模型的建立、研究大陆内部结构、大陆和海洋边界带、地幔过渡带等方面的将发挥越来越重要的作用.卫星观测将成为全面、整体探测研究地球内部结构有效的手段之一.     

地球物理探测卫星数据分析处理技术与地震预测应用研究项目及研究进展

地震监测预警和预测预报是当前地球科学及相关学科所面临的最艰巨的问题之一,是关系到人类社会安全与国计民生的亟待攻克的科学难题.为进一步提高地震预测科学研究水平,推进地震监测预测能力建设,我国于世纪之交提出了建立地震立体观测体系的战略发展思路,并希望突破三维地球物理场获取能力瓶颈,发展地球多圈层耦合模型,通过卫星观测获取全...     

The European Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer Satellite Mission Its Impact on Geophysics

Current knowledge of the Earth's gravity field and its geoid, as derived from various observing techniques and sources, is incomplete. Within a reasonable time, substantial improvement will come by exploiting new approaches based on spaceborne gravity observation. Among these, the European Space Agency (ESA) Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer (GOCE) satellite mission concept has been conceived and designed taking into account multi-disciplinary research objectives in solid Earth physics, oceanography and geodesy. Based on the unique capability of a gravity gradiometer combined with satellite-to-satellite high-low tracking techniques, an accurate and detailed global model of the Earth's gravity field and its corresponding geoid will be recovered. The importance of this is demonstrated by a series of realistic simulation experiments. In particular, the quantitative impact of the new and accurate gravity field and geoid is examined in studies of tectonic composition and motion, Glaciological Isostatic Adjustment, ocean mesoscale variability, water mass transport, and unification of height systems. Improved knowledge in each of these fields will also ensure the accumulation of new understanding of past and present sea-level changes.     

适用于重力任务的卫星编队轨道参数研究

从满足重力卫星编队的轨道根数条件出发, 通过全过程动力法仿真实验, 计算得出了满足串联编队(GRACE-type)、 钟摆编队(Pendulum-type)和车轮编队(Cartwheel-type)这三种卫星编队模式稳定在轨的轨道参数, 并验证了其稳定性。 同时, 深入分析了各种卫星编队模式对于重力卫星任务的适用性, 结果表明, 同时包含两个方向观测量的Pendulum-type编队和Cartwheel-type编队, 能够在一定程度上克服GRACE-type编队中存在的由单一星间观测量的强相关性导致的重力场各向异性敏感度问题, 是理论上更适合重力探测任务的卫星编队模式。     

Satellite gravity gradiometry: Secular gravity field change over polar regions

The ESA Gravity and steady state Ocean and Circulation Explorer, GOCE, mission will utilise the principle of satellite gravity gradiometry to measure the long to medium wavelengths in the static gravity field. Previous studies have demonstrated the low sensitivity of GOCE to ocean tides and to temporal gravity field variations at the seasonal scale. In this study we investigate the sensitivity of satellite gradiometry missions such as GOCE to secular signals due to ice-mass change observed in Greenland and Antarctica. We show that unaccounted ice-mass change signal is likely to increase GOCE-related noise but that the expected present-day polar ice-mass change is below the GOCE sensitivity for an 18-month mission. Furthermore, 2–3 orders of magnitude improvement in the gradiometry in future gradiometer missions is necessary to detect ice-mass change with sufficient accuracy at the spatial resolution of interest.     

三峡水库的建立对库区地球重力场及地壳形变的影响

作为人造工程的三峡水库的建立，使得库区水体聚集，地球质量重新分布，将使地壳的物理结构以及局部地球重力场发生变化．针对上述问题，对库区的水准面、点绝对重力值、垂线方向和高程、高程基准面等的重力场变化以及地壳形变进行了研究．主要结果是：当蓄水水位达到峰值１７５ｍ（坝高）时，大地水准面有２．２３－１１．２ｍｍ的变化，点重力值有（０．８３－４．６）×１０^－５ｍｓ^－２的变化，垂线偏差的变化分别为－０．６２＂－６．５０＂（南北方向）和－６．４２＂－１．３４＂（东西方向）地壳的形变量为１．３２－６．６５ｍｍ，这些变化将引起测区的高程产生３．５５－１７．８４ｍｍ的变化．因此，原有库区及其附近的测量资料（包括水准、天文、重力等）必须审慎使用，并应建立库区形变监测网，对地壳形变、地震、滑坡、大坝变形等进行监测．     

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.     

基于星载GPS的HY-2卫星高精度精密定轨模拟研究(英文)

HY-2卫星是我国第一颗测高卫星,其径向定轨精度要求厘米量级,搭载了星载GPS接收机。目前HY-2还处于测试阶段,没有公布观测数据。为了确定基于星载GPS的HY-2精密定轨流程及其定轨精度,本文模拟了HY-2卫星星载GPS观测数据,结果表明HY-2星载GPS天线每个历元至少观测7颗GPS卫星。给出了基于星载GPS的精密定轨流程,分别采用简化动力学方法和动态几何法进行了精密定轨实验。对于相位1mm和3mm随机误差的相位观测数据,简化动力学法和动态几何法定轨都能够实现厘米量级的径向精密定轨,几何法定轨精度略低于简化动力定轨。地球重力场模型是影响HY-2卫星精密定轨的重要因素,本文对不同阶次的重力场模型EIGEN2、EGM96、TEG4和GEMT3进行了简化动力学定轨实验,高于50阶次的重力场模型都能够实现厘米级径向精密定轨,主要原因在于大量的高精度星载GPS观测数据和重力场模型精度的提高。     

GOCE, Satellite Gravimetry and Antarctic Mass Transports

In 2009 the European Space Agency satellite mission GOCE (Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer) was launched. Its objectives are the precise and detailed determination of the Earth’s gravity field and geoid. Its core instrument, a three axis gravitational gradiometer, measures the gravity gradient components V _xx , V _yy , V _zz and V _xz (second-order derivatives of the gravity potential V) with high precision and V _xy , V _yz with low precision, all in the instrument reference frame. The long wavelength gravity field is recovered from the orbit, measured by GPS (Global Positioning System). Characteristic elements of the mission are precise star tracking, a Sun-synchronous and very low (260 km) orbit, angular control by magnetic torquing and an extremely stiff and thermally stable instrument environment. GOCE is complementary to GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment), another satellite gravity mission, launched in 2002. While GRACE is designed to measure temporal gravity variations, albeit with limited spatial resolution, GOCE is aiming at maximum spatial resolution, at the expense of accuracy at large spatial scales. Thus, GOCE will not provide temporal variations but is tailored to the recovery of the fine scales of the stationary field. GRACE is very successful in delivering time series of large-scale mass changes of the Antarctic ice sheet, among other things. Currently, emphasis of respective GRACE analyses is on regional refinement and on changes of temporal trends. One of the challenges is the separation of ice mass changes from glacial isostatic adjustment. Already from a few months of GOCE data, detailed gravity gradients can be recovered. They are presented here for the area of Antarctica. As one application, GOCE gravity gradients are an important addition to the sparse gravity data of Antarctica. They will help studies of the crustal and lithospheric field. A second area of application is ocean circulation. The geoid surface from the gravity field model GOCO01S allows us now to generate rather detailed maps of the mean dynamic ocean topography and of geostrophic flow velocities in the region of the Antarctic Circumpolar Current.