融合GOCE和GRACE卫星数据的无约束重力场模型Tongji-GOGR2019S

本文在法方程层面融合GOCE卫星的V_xx、V_yy、V_zz和V_xz重力梯度分量观测数据和GRACE卫星观测数据,采用直接法解算了220阶次的重力场模型Tongji-GOGR2019S.首先利用ⅡR带通滤波器在5~41 mHz的重力梯度带宽范围内对约24个月的GOCE重力梯度观测方程进行无相移滤波处理,并组成解算220阶次重力场模型的法方程,各梯度分量根据相对于参考模型统计精度进行定权;然后与13.5 a GRACE数据建立的180阶次Tongji-Grace02s重力场模型的法方程进行叠加,解算了220阶次的无约束纯卫星重力场模型Tongji-GOGR2019S.利用EIGEN-6C4重力场模型、GNSS/水准数据、DTU15重力异常数据以及欧洲区域似大地水准面模型EGG2015等数据对Tongji-GOGR2019S模型精度进行全面的检核评定,结果表明：引入GOCE卫星梯度数据后,高于72阶的位系数精度优于Tongji-Grace02s模型,Tongji-GOGR2019S模型的整体精度接近同阶次的DIR-R6等GOCE卫星第6代模型.     

利用GOCE和GRACE卫星观测数据确定静态重力场模型

高精度静态卫星重力场模型在全球海洋环流研究、全球/区域数字高程基准面确定等领域有重要应用,本文研究仅利用GOCE卫星和联合GRACE卫星观测数据确定高精度高阶次静态重力场模型.利用GOCE卫星全周期高精度引力梯度分量(V_xx、V_yy、V_zz和V_xz)观测值基于直接最小二乘法构建300阶次的SGG(Satellite Gravity Gradiometry)法方程,并利用卫星跟踪卫星观测值基于点域加速度法构建130阶SST(Satellite-to-Satellite Tracking)法方程,然后利用方差分量估计联合SGG和SST法方程确定300阶次纯GOCE卫星重力场模型GOSG02S.利用全周期GRACE观测数据由动力学方法解算了180阶次的SWPU-GRACE2021S模型,并将其对应法方程与GOCE卫星法方程联合解算了GRACE和GOCE的联合模型WHU-SWPU-GOGR2022S.分别基于XGM2019模型和GPS水准数据对本文解算的三个模型GOSG02S、SWPU-GRACE2021S和WHU-SWPU-GOGR2022S在频域和空域进行了精度分析,结果表明,GOSG02S和WHU-SWPU-GOGR2022S模型与GO_CONS_GCF_2_DIR_R6、GO_CONS_GCF_2_TIM_R6、GO_CONS_GCF_2_SPW_R5、GOCO06s和Tongji-GMMG2021S等使用了GOCE卫星全周期数据的模型精度相当,精度差异基本都在毫米量级;SWPU-GRACE2021S模型在160阶次之前与国际主流GRACE卫星重力场模型ITSG-Grace2018s和Tongji-Grace02s精度相当.

     

基于GRACE卫星重力数据确定地球重力场模型WHU-GM-05

基于卫星轨道运动的能量积分方程,可导出利用卫星跟踪卫星数据求解地球重力场的实用公式.本文在Jekeli给出的公式基础上导出了基于能量守恒方程利用两颗低-低卫星跟踪的扰动位差求解重力位系数的严密关系式.基于两颗GRACE卫星的观测数据,采用本文导出的严密能量积分方法求解得到120阶的GRACE地球重力场模型,命名为WHU-GM-05;将WHU-GM-05模型与国际上同类重力场模型EIGEN-GRACE系列和GGM02S分别在阶方差和大地水准面高等方面作了比较,并与美国和中国的部分地区GPS水准观测值进行了精度分析.结果表明基于本文推导的严密双星能量守恒方程得到的WHU-GM-05重力场模型精度与国际上同类重力场模型的精度相当.     

GRACE/GOCE扩展重力场模型确定我国1985高程基准重力位的精度分析

高精度高程基准重力位的确定往往依赖于高精度全球重力场模型,其对全球和区域高程基准的高精度统一非常关键,GRACE、GOCE卫星重力计划极大地提高了全球重力场模型中长波的精度.本文首先对GRACE/GOCE卫星重力场模型的内符合和外符合精度进行讨论分析,结果说明卫星重力模型的截断误差影响可达到分米级水平,在确定高程基准重力位时该影响不可忽略.利用EGM2008模型扩展GRACE/GOCE卫星重力场模型至2190阶,可有效减弱卫星重力模型的截断误差影响,但不同模型扩展时的最优拼接阶次不同,其中DIR-1、DIR-5模型对应的最优拼接阶次分别为180阶和220阶,以GPS水准数据检验,扩展模型在中国区域的精度均优于18 cm.最后,基于最优拼接阶次获得的扩展重力场模型对我国1985高程基准重力位进行了估计,DIR-5和TIM-5模型对应数值分别为62636853.47 m²·s^-2和62636853.49 m²·s^-2,精度均为1.51 m²·s^-2;发现在中国区域模型大地水准面与GPS/水准数据的差值存在微弱的系统性倾斜,东西向倾斜约为9 cm,南北向倾斜约为1.4 cm,考虑倾斜改正后基于DIR-5和TIM-5模型估计我国1985高程基准重力位的精度提高了0.16 m²·s^-2.

     

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.     

基于GRACE KBRR数据的动力积分法反演时变重力场模型

基于动力积分法恢复了一组60阶的时变重力场模型WHU-Grace01s,且在位系数解算过程中仅使用KBRR数据.通过与CSR、GFZ和JPL发布的Release 05模型的阶方差和位系数误差谱对比可知,WHU-Grace01s模型在高阶次部分的阶方差较小,且对轨道共振现象不敏感.将WHU-Grace01s时变重力场模型与CSR、GFZ、JPL、DEOS、Tongji、ITG、AIUB和GRGS等8家机构发布模型通过相同的滤波处理,获得了全球地表质量变化的时空分布,从结果可以看出:各个模型计算的时变信号在空域上分布十分接近,且WHU-Grace01s模型计算的太平洋中心和撒哈拉沙漠区域的质量变化较小;对比几个典型质量变化区域,WHU-Grace01s模型和JPL模型计算的长江流域和珠江流域时变信号呈强相关,其相关系数分别为0.948和0.976,且与上述8个模型计算的两个流域时变信号的相关系数均达到0.9以上;在南极区域和格陵兰岛,WHU-Grace01s模型和其他各个模型均能反映区域冰川质量的积累或消融,且各模型计算获得的长期趋势变化结果相当.研究结果表明,WHU-Grace01s模型和国内外已发布机构模型具有很好的一致性,且受到轨道共振影响较小.     

利用GRACE卫星数据研究汶川地震前后重力场的变化

介绍了利用GRACE卫星数据计算和分析重力场变化的方法.以EIGEN-GRACE02S重力场模型为背景,对高斯平滑处理前后中国大陆月重力场的变化作了比较,认为取平均半径为666 km作高斯平滑,能够得到合理的重力变化结果.以3个月时间尺度计算了2008年汶川地震前后中国大陆的重力场变化,将结果与2006年和2007年相同时间尺度的变化结果进行比较,发现三者相符合,并且同震重力的负变化可用地壳膨胀模型理论来解释.     

利用GRACE重力卫星观测数据反演全球时变地球重力场模型

本文基于短弧长法开发了一套由低轨卫星数据解算重力场的系统ANGELS（ANalyst of Gravity Estimation with Low-orbit Satellites）,成功用GRACE Level1B数据解算出全球时变重力场模型（第一版IGG-CAS系列模型）,并与国际三大知名重力卫星相关研究机构：美国德克萨斯大学空间中心CSR （Center for Space Research）、德国GFZ地学研究中心（GeoForschungsZentrum）和美国宇航局JPL喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory）发布的全球时变重力场模型（RL05模型）进行了详细的比较分析.通过每阶大地水准面差距的对比结果表明,IGG-CAS模型的精度接近RL05模型的精度.对以上四家机构在2004—2010年的时变重力场模型经过相同的去条带和高斯滤波处理,可以发现四家GRACE反演陆地水时变信号的空间分布十分接近,在长江流域反演的陆地水时变信号,两两之间的相关系数均大于0.8.通过反演撒哈拉沙漠干旱地区的时变信号来评估反演的精度水平,IGG-CAS、CSR-RL05、GFZ-RL05和JPL-RL05反演结果的均方差分别为1.5 cm、1.1 cm、1.1 cm和1.2 cm等效水柱高.综合表明IGG-CAS时变重力场反演模型的精度接近于目前国外主要机构最新公布的时变重力场模型.     

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.     

基于主成分分析的GRACE重力场模型等效水高

本文使用主成分分析在空间域提取GRACE重力场模型的等效水高,假设信号与噪声之间统计不相关,把由CSR、GFZ和JPL的GRACE重力场模型计算得到的等效水高值作为统计量,通过线性变换来分离信号和噪声.选择2007年3月份GRACE重力场模型作为实验,在直接分离没有取得预期结果后,对GRACE作半径为300km、400km和500km的高斯平滑,然后利用主成分分析得到了3个模式.结果显示,3种平滑半径下,主成分的第1模式的贡献率分别为79%、90%和93%.从主成分3个模式的统计结果以及等效水高图判断,第1模式对应于水文变化信号,其他2个模式为南北条带状噪声.由主成分的第1模式估算了CSR、GFZ和JPL的等效水高,与经验去相关方法进行了对比,结果较为一致.2010年12个月的结果显示,第1模式的贡献率不仅与平滑半径有关,而且与时间有关.     

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.     

全球水储量变化的GRACE卫星检测

利用GRACE月尺度变化的地球重力场反演了全球水储量变化,并与陆地水文资料、卫星测高资料及海洋模式得到的结果进行了比对.通过对SOURE台站重力变化的陆地水储量变化计算结果和GRACE重力场系数截断为15阶得到的结果比较,发现两者比较接近,且年周期变化特征明显.对于亚马逊流域,当重力场系数截断为15阶且平滑半径使用106 m时,GRACE反演的区域平均水储量厚度的周年变化振幅为15.6×10-2m,小于使用平滑半径为4×105m的23.7×10-2m.在研究长江流域时,本文对水文资料做球谐系数展开,并与GRACE数据做同样的截断和平滑处理,结果发现GRACE反演的水厚度变化与水文资料结果基本上符合.对于纬度±66°之间的海洋区域,GRACE反演的海水质量变化接近于结合卫星测高和海洋模式得到的结果,但对于2°×2°网格,则在一些区域差异明显,最大超过了0.2 m,中误差为3.8×10-2m.可见,当前GRACE卫星时变重力场只能确定出上千公里及以上尺度区域的水储量变化.     

联合星载GPS和KBRR星间测速数据反演GRACE时变重力场模型

高精度GRACE卫星时变重力场反演一直是卫星重力测量中的难题.为了恢复高精度的时变地球重力场模型,本文联合GRACE卫星的星载GPS和KBR星间测速观测数据,在对GRACE卫星进行精密定轨的同时,解算出60阶月平均地球重力场模型.通过对GRACE卫星的定轨精度、星载GPS相位和KBR星间测速数据的拟合残差以及时变地球重力场模型解算精度等分析,表明:(1)与美国宇航局喷气推进实验室(JPL)发布的约化动力学精密轨道相比,本文确定GRACE卫星轨道三维位置误差小于5 cm.(2)星载GPS相位数据拟合残差为5~8 mm,KBR星间测速数据拟合残差为0.18~0.30μm·s~(-1).(3)解算的月平均重力场模型与美国德克萨斯大学空间研究中心(CSR)、德国地学研究中心(GFZ)和JPL发布的RL05模型精度接近,时变信号在全球范围内具有很好的空间分布一致性.通过计算亚马逊流域和长江流域的水储量变化,本文与上述三个机构的计算结果无明显差异,且相关系数均达0.9以上.可见,本文建立的卫星轨道与重力场同解算法具有反演高精度GRACE时变重力场能力,为我国卫星重力场反演提供了重要的技术支持.     

GOCE卫星监测的中国区域重力异常

介绍了利用最新一代重力卫星GOCE(Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer)重力场模型数据计算重力异常的原理和方法,采用最新发布的GOCE重力场模型数据(2009年10月-2010年7月)计算了中国区域(70°～130°E,15°～55°N)的重力异常,为了进一步分析重力异常与区域地质构造及地震活动性的对应关系,将计算结果与中国区域地形、地震活动区域等资料进行了对比分析,结果表明利用GOCE重力场模型数据计算的重力异常能够较好的反映区域地质构造分布特征,而且强震震中通常位于重力异常变化剧烈的高梯度带上.     

顾及非线性改正的动力学方法反演GRACE时变重力场模型

本文利用解的叠加原理求解了轨道扰动微分方程组,构建了扰动位系数与轨道和星间距变率的观测方程,并分别引入非线性改正项.通过惯性坐标系与运动坐标系的转换求解状态转移方程组,分析了观测方程的低频误差特征,导出了目前常用的消除剩余星间距变率低频误差的五参数或七参数经验公式.此外,根据非惯性力模型误差是分段标定的特点,提出利用三次样条函数来处理低频误差,通过模拟计算表明三次样条函数处理低频误差略优于七参数.最后,处理实际的GRAEC Level-1b数据,解算了2006年1月至2009年12月期间的月时变重力场模型UCAS_Grace01,通过在不同区域进行比较可以得出本文计算的时变重力场模型与国际官方机构精度基本是一致的结论.

     

芦山M_S7.0地震震前GRACE卫星时变重力场特征研究

基于GRACE卫星时变重力数据,利用小波多尺度分解方法,分析研究了芦山MS7.0地震前重力场的时空动态演化特征.结果表明,雅安地区震前卫星时变重力场具有明显的重力变化信息.卫星时变重力场在时间域表现为,累积重力场和差分重力场存在较强的规律性动态变化,以2003—2004年均值为基值的2009—2012年的变化特征与2005—2007年的变化特征具有较好的相似性,以2009年均值为基值的2009—2012年即芦山地震前4年,芦山震区的时变重力场呈现上升→减速上升→加速上升以及上升→轻微下降→快速上升的变化特征;卫星重力场在空间域表现为,震中位置由靠近重力场正变化的中心→接近重力场正变化边缘→接近重力正变化四象限分布中心的变化特征.因此,芦山地震的重力场动态变化信息和波场分离结果符合逆冲推覆兼走滑型地震引起的区域变形特征.     

基于星间加速度法精确和快速确定GRACE地球重力场

本文基于星间加速度法(IRAM),利用预处理共轭梯度迭代法(PCCG)开展了地球重力场恢复的模拟研究.第一,通过9点Newton-Gregory插值法得到星问加速度,并联合星间距离、星间速度和星间加速度建立了卫星观测方程.第二,在120阶处,恢复GRACE-IRAM累计大地水准面的精度为7.215 cm.第三,分析了在...     

联合不同类型重力测量数据确定地球重力场模型的迭代法

不同的重力测量数据包含了不同波段的地球重力场信息,因此要恢复更高精度的地球重力场模型,就必须对不同类型的重力测量数据进行联合处理.以地面重力异常Δg为例,推导了利用迭代法联合不同类型重力测量数据反演地球重力场模型的基本原理公式,并给出了其具体实现步骤,接着采用全球的重力异常Δg数据和扰动位T数据,基于迭代法对卫星重力梯度SGG数据解算的重力场模型进行了进一步的精化.结果表明,初始的卫星重力梯度SGG模型和经过全球重力异常Δg数据精化后的模型,其对应的累计大地水准面误差分别达到1.128cm和0.048cm、累计重力异常误差分别达到0.416mGal和0.018mGal的精度;在经过全球扰动位T数据进一步精化后的模型,其对应的累计大地水准面误差达到0.043cm、累计重力异常误差达到0.016mGal的精度.     

单加速度计模式下的GOCE卫星重力场建模方法研究

GOCE卫星由于加速度计的特殊安装方式,其非保守力主要由普通模式的组合加速度提供,使得单个加速度计的特征更难提取.本文首次采用实测数据,研究了单加速度计模式下的高低跟踪数据处理.利用GOCE任务2009年(2009-11—2009-12)的实测数据,分别以GOCE卫星梯度仪坐标系三个坐标轴正向的加速度计为研究对象,利用1 s间隔的高采样轨道数据,采用动力法同时进行卫星重力场建模和加速度计的精密校准.为了克服两极地区的数据缺失对重力场模型低次系数的影响,即所谓的极空白问题,引入同期GRACE卫星的观测数据,采用方差分量估计方法,建立了GRACE/GOCE卫星跟踪卫星重力场模型WHU-GRGO-SST.该模型完全到100阶次,经6169个美国GPS水准点数据检验,在同阶次上与EGM2008和GGM05S的精度水平相同.分析发现,GOCE卫星的加速度计偏差参数存在显著的漂移,也显示了单加速度计模式处理GOCE高低跟踪数据的优势.本文的研究成果为建立静态高分辨率、高精度的GRACE/GOCE重力场模型提供了更严密的模型与技术方案,同时也为GOCE卫星梯度仪校准,以及梯度数据的深入分析提供了重要的参考信息.     

基于新型能量插值法精确建立GRACE-only地球重力场模型

本文基于新型能量插值法,利用美国喷气推进实验室(JPL)公布的2008年的GRACE-Level-1B实测数据,反演了120阶GRACE地球重力场.首先,由于GPS轨道测量精度相对较低,通过将K波段测距仪高精度的星间距离观测量插值引入双星动能差中,进而建立了新型能量插值卫星观测方程.其次,详细对比分析了2点、4点、6点和8点能量插值观测方程对地球重力场反演精度的影响.研究结果表明:基于最优的信噪比,6点能量插值公式有利于提高120阶GRACE地球重力场的反演精度.最后,基于美国、欧洲和澳大利亚的GPS/水准观测数据检验了本文新建立的WHIGG-GEGM03S地球重力场模型的正确性和有效性.