利用CHAMP卫星轨道和加速度计数据推求地球重力场模型

本文紧密结合当前卫星重力测量技术发展需求,围绕利用CHAMP轨道和加速度计数据恢复地球重力场展开研究,重点在CHAMP数据预处理、重力场恢复、正则化算法等方面进行了理论和实践上的系统研究,建立了一套完整的CHAMP重力场恢复理论和算法.论文的主要创新点有:     

利用CHAMP卫星星历及加速度计数据推求地球重力场模型

讨论基于CHAMP卫星星历和加速度计数据推求地球重力场模型的数值微分算法.首先利用牛顿内插公式,根据CHAMP卫星星历观测值求解卫星运动加速度.在计算卫星加速度时,建议采用速度数据内插加速度.扣除其他非地球引力摄动加速度后,基于牛顿运动定律建立观测方程.利用GFZ数据中心提供的24天CHAMP星历数据和加速度计数据解算出50×50阶地球重力场模型,并与EGM96模型进行比较,结果表明两者在低阶位系数上有较好的一致性.     

应用CHAMP星历精化地球重力场的正则化算法与模拟结果

给出由低轨卫星的星历数据计算地球引力位系数的观测方程，探讨解算位系数的正则化算法，导出基于Kaula规则约束的正则化算法的均方误差迹的谱分解公式。利用CHAMP卫星5天的模拟星历恢复了直至54阶次的引力位系数。模拟结果表明：基于Kaula规则约束的正则化算法能有效地改善36阶次以上的位系数精度。     

利用CHAMP科学轨道数据和星载加速度计数据反演地球重力场

基于卫星动力学理论,采用德国地球科学中心GFZ提供的CHAMP精密轨道数据和星载加速度计数据,反演了36阶地球重力场模型CDS01S。用不同模型之间的位系数差比较模型CDS01S、EIGEN3P、EIGEN1S及EGM96,表明CDS01S模型的位系数最接近于EIGEN3P;比较上述几种模型的位系数精度,表明CDS01S模型的位系数精度高于EGM96;用CDS01S和GGM01C的前30阶位系数分别计算全球2°×2°网格的大地水准面起伏,两者之间的标准偏差为4.7 cm。     

CHAMP卫星轨道数据的粗差探测

德国GFZ数据中心提供的CHAMP卫星轨道数据中存在少量粗差。本文基于牛顿数值微分公式及误差传播定律给出了卫星轨道时间序列粗差探测的基本原理和粗差定位方法。文章用模拟和实测CHAMP卫星轨道数据进行了计算，验证了该方法的有效性。     

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。     

利用现有重力场模型求定CHAMP卫星加速度计修正参数

CHAMP卫星加速度计数据的标定是通过确定其尺度因子和偏差参数来完成的.本文基于能量守恒方程,给出利用现有重力场模型标定CHAMP卫星加速度数据的基本原理和数学模型;提出相邻历元间差分算法,大大简化了观测方程,同时避免积分常量的计算.该算法既能同时解算尺度因子和偏差参数,也可任意求解其中之一.基于实测的CHAMP卫星加速度数据,利用EGM96模型和最新公布的EIGEN-2模型进行计算与比较,验证该方法的有效性.     

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     

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.     

利用CHAMP卫星轨道和加速度计数据恢复重力场方法概述

回顾了目前利用CHAMP卫星轨道和加速度计数据恢复地球重力场模型的各种方法；从观测值、观测方程和解算方法三个方面，对现有各种CHAMP重力场模型恢复方法进行了详细的归纳与分类，并指出了各方法的优缺点。     

基于能量守恒方法恢复CHAMP重力场模型

介绍了基于能量守恒定律恢复地球重力场模型的基本原理和算法.指出了CHAMP加速度计数据存在的问题,提出了整体求解尺度因子、偏差参数和偏差漂移的数学模型及差分算法.利用2002年1月的CHAMP快速科学轨道数据和加速度计数据计算出了50 × 50地球重力场模型XISM02.将该模型与EGM96,GRIM5C1,EIGEN1S,EIGEN2模型进行了比较,并用北极实测重力数据对上述模型进行了检验.结果表明:XISM02模型在北极地区精度与EIGEN1S,EIGEN2相当.     

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...     

利用C波段转发数据实现GEO卫星轨道确定

为了提高我国卫星导航系统GEO卫星定轨能力,针对我国卫星导航系统所特有的新数据和新方法,利用CAPS系统的C波段转发式测距数据进行了单GEO卫星定轨实验.在分析该方法技术特点的基础上,从定轨残差和轨道重叠弧段比较等方面,对定轨结果进行了分析.由于设备转发时延是影响该方法定轨精度的重要因素,因此同时还分析了系统偏差对定轨精度的影响,得出了一些有益的结论.     

利用GOCE卫星轨道数据恢复地球重力场模型方法的分析

欧空局早期公布的时域法和空域法解算的GOCE模型均采用能量守恒法处理轨道数据, 但恢复的长波重力场信号精度较低, 而且GOCE卫星在两极存在数据空白, 利用其观测数据恢复重力场模型是一个不适定问题, 导致解算的模型带谐项精度较低, 需进行正则化处理。本文分析了基于轨道数据恢复重力场模型的方法用于处理GOCE数据的精度, 对最优正则化方法和参数的选择进行研究。利用GOCE卫星2009-11-01—2010-01-31共92 d的精密轨道数据, 采用不依赖先验信息的能量守恒法、短弧积分法和平均加速度法恢复GOCE重力场模型, 利用Tikhonov正则化技术处理病态问题。结果表明, 平均加速度法恢复模型的精度最高, 能量守恒法的精度最低, 短弧积分法的精度稍差于平均加速度法。未来联合处理轨道和梯度数据时, 建议采用平均加速度法或短弧积分法处理轨道数据, 并且轨道数据可有效恢复120阶次左右的模型。Kaula正则化和SOT处理GOCE病态问题的效果最好, 并且两者对应的最优正则化参数基本一致, 但利用正则化技术不能完全抑制极空白问题的影响, 需要联合GRACE等其他数据才能获得理想的结果。     

利用能量守恒法和GOCE卫星轨道数据反演地球重力场模型

利用傅立叶级数拟合GOCE卫星的耗散能,解决了基于能量守恒法恢复GOCE重力场模型时耗散能的计算问题。采用Helmert-Wolf参数估计法统一求解位系数、能量常数和耗散能的傅立叶级数拟合参数,并采用消局部参数的最小二乘法求解位系数。该方法不需要任何初始值或参考模型,不需要采用差分方法处理能量常数,也不需要进行迭代计算。利用GOCE卫星2009-11-01~2010-02-12共103d的精密轨道数据反演了三组100阶次的重力场模型GOCE-ECP01S、GOCE-ECP02S和GOCE-ECP03S,并与EIGEN-5C、EIGENCHAMP05S和GOCO03S模型进行比较。结果表明,采用一阶傅立叶级数拟合GOCE卫星的耗散能效果最好,反演的GOCE-ECP01S模型精度最高,整体精度优于EIGEN-CHAMP05S,但较GOCO03S模型的精度偏低;在100阶次的大地水准面误差为±3.2cm,但由于极空白的影响,恢复模型的带谐项位系数精度偏低。