天文潮汐对卫星重力梯度观测数据的影响分析

测定地球重力场,确定高分辨率的静态地球重力场模型,是大地测量学的主要任务之一.重力场的影响主要分为潮汐部分和非潮汐部分,天文潮汐在潮汐部分中属于直接引力效应,对重力场的影响是不可忽略的.本文以一个月的星历数据为基础,分析了天文潮汐对GOCE卫星重力梯度观测数据的影响,并统计了最大值和最小值;研究了天文潮汐对地球上单点重力梯度数据的影响特征;计算了各行星对卫星重力梯度数据影响量级.研究结果表明:天文潮汐对卫星重力梯度数据的影响量级处于0.1mE,比GOCE卫星设计精度低一个量级,但是它具有周期性,属于有色噪声,因此在卫星重力梯度数据预处理中需要扣除;天文潮汐对卫星重力梯度数据各分量的影响不同,其中对角线分量Vxx,Vyy和Vzz要比其他分量略大;月球和太阳对卫星重力梯度数据的影响最大,在所有星体中占据主导地位.     

利用先验重力场模型求定GOCE卫星重力梯度仪校准参数

重力梯度仪校准参数的确定是GOCE重力梯度观测数据处理的关键环节。本文对GOCE卫星重力梯度观测值中的时变信号与粗差进行了分析,利用高精度全球重力场模型,确定了GOCE重力梯度观测值各分量的尺度因子与偏差,并对校准结果进行了精度评定。结果表明,在测量带宽内,海潮对重力梯度观测值影响在mE量级,与重力梯度仪的精度水平相当,陆地水等非潮汐重力场时变信号略小于海潮,量级约为10^-4E;各分量重力梯度观测值的粗差比例均大于0.2%;除EGM96模型外的其他模型对GOCE重力梯度仪进行校准后,V_xx、V_yy、V_zz、V_yz分量上尺度因子的稳定性均在10^-4量级,V_xz分量能达到10^-5量级,V_xy分量为10^-2量级,这与梯度观测值各分量的精度水平一致。     

海洋潮汐对卫星重力梯度观测数据的影响分析

采用CSR4.0、TPXO7.2和FES2004三个不同海潮模型计算了2009年11月1日至2009年12月1日海洋潮汐对GOCE卫星重力梯度观测数据的影响,其影响量级都处于0.1m E,比GOCE卫星设计精度(3.2m E)略低,但其为有色噪声源,因此,必须在数据预处理中考虑这一部分的影响。除此之外,分析了三个不同海潮模型对地球重力场位系数的影响,三者对10阶以下位系数影响存在较大的差异,说明目前海潮模型之间还存在较大的差异,海潮模型的精度仍然需要提高。     

FG5绝对重力仪观测数据的实测重力潮汐改正

基于中国计量科学研究院北京昌平院区的超导重力仪iGrav-012实测重力潮汐数据,以FG5绝对重力仪为例研究了绝对重力观测中的实测潮汐改正问题,分析了用高精度超导重力仪获得的实测合成重力潮汐与理论合成重力潮汐间的差异。并采用iGrav-012超导重力仪和FG5X-249绝对重力仪两种实测数据对实测潮汐改正效果进行了验证。结果表明, FG5绝对重力仪中用的理论合成重力潮汐在考虑海潮重力影响后的结果与实测合成重力潮汐之差在1μGal之内,因此理论合成重力潮汐经过海潮重力影响改正后的结果可满足绝对重力观测精度要求,从观测精度来讲,无需对绝对重力的实测数据实施潮汐改正即可满足绝对重力观测的精度要求。但是FG5X-249绝对重力观测数据的潮汐改正结果表明,不同的潮汐改正方法对绝对重力观测值的影响不同,但这种影响较小,在0.1μGal的量级,因此建议只在高精度绝对重力观测中考虑实测重力潮汐改正。     

GOCE卫星重力梯度观测值的时变重力场变化改正及影响分析

GOCE卫星重力梯度观测值为高阶静态重力场反演提供了重要的数据支撑,但其在使用前需考虑扣除时变重力场变化的影响.本文研究了GOCE卫星重力梯度观测值的时变重力场变化改正方法,更新了ESA标准和背景模型,以更好地扣除时变重力场变化的影响,自主实现了由GOCE卫星Level1b重力梯度数据直接进行重力场反演.本文通过3种时变重力场变化改正方案分析了其对高阶静态重力场反演的影响,研究结果表明:从全球大地水准面差异看,时变重力场变化改正对重力场反演是有影响的,其在局部区域对大地水准面的影响值最大可超过1 cm,说明利用GOCE卫星重力梯度数据反演高阶静态重力场时需扣除时变重力场变化改正,同时新标准和背景模型更有利于扣除时变重力场变化的影响.     

利用超导重力数据探测内核超速旋转的研究

内核存在约(0.27°~0.53°)/a的超速旋转,由此导致的全球年平均重力变化强度约为0.08~0.16μGal(0.8~1.6 nms-2)。除地震数据外,时变重力数据有可能成为探测内核超速旋转速率的重要信息源。对武汉九峰台站超导重力仪观测数据进行了潮汐改正、大气负荷改正、极移改正和日长变化改正,得到了经过各项改正后的时变重力信号;采用小波分析方法对上述时变重力信号进行了处理分析,得到了可供参考的结果;针对目前利用超导重力仪数据探测内核超速旋转所存在的困难提出了几个解决方案和建议。     

基于短时间序列重力观测数据的潮汐改正方法

对于没有长期连续潮汐观测站和无精密潮汐模型的地区,研究高精度潮汐改正方法具有重要意义。给出了基于短时间序列重力观测数据的高精度潮汐改正方法,并利用全球动力学计划中TIGOConcepcion、Kamio-ka和Hsinchu三个台站的超导重力观测数据对该方法进行了试验分析。研究结果表明,利用一天或数天重力观测数据可建立高精度潮汐模型,其振幅因子和相位延迟解算精度分别优于0.01和0.5°,潮汐改正精度可以达到μGal量级,验证了该方法的正确性和有效性。本文方法为无精密潮汐模型区域的潮汐改正提供了新的途径。     

星载加速度计增强北斗自主定轨性能

卫星自主定轨是提高全球卫星导航系统(GNSS)可靠性、稳健性、完整性和生存能力的重要保证。新一代的北斗卫星已可以进行星间链路测距,从而达到提高卫星全球跟踪能力以及实现整个卫星导航系统的自主定轨。然而由于卫星运行会受到多种摄动力的影响,如果不能对这些摄动力进行精密的改正,在没有地面或其他天体提供绝对约束的条件下,导航系统会随着自主定轨时间的延长出现星座整体旋转。卫星所受摄动力分为保守力和非保守力两部分:对于保守力,如地球非球形摄动、潮汐摄动、太阳月球和其他三体引力,现在已有的力学模型可以很精确地进行改正;而非保守力(如太阳光压摄动),则难以用精确的模型进行改正,因此成为影响卫星定轨精度的主要因素。星载加速度计可以高精度地测量非保守力,并已成功应用于重力卫星(CHAMP、GRACE、GOCE)的重力场反演与大气研究中。本文研究主要探讨采用星上加速度计提高北斗卫星自主定轨精度和延长自主定轨时长的可行性。利用模拟的卫星轨道和星间链路数据,以及现有的星载加速度计误差模型,对北斗卫星系统分别使用星间链路数据和星间链路与加速度计组合数据,进行自主定轨与精度评定。计算结果表明,使用星间链路与星载加速度计数据进行自主定轨,较单纯使用星间链路数据精度具有明显改进。在模拟的星间测距观测数据具有0.33m随机噪声以及分米级系统误差,自主定轨两个月的情况下,联合使用加速度计数据的自主定轨IGSO和MEO卫星精度为分米级,而仅使用星间链路数据的定轨精度约为3~6m,比使用加速度计精度低一个量级。     

GOCE卫星重力梯度校准与无阻尼控制效果分析

GOCE卫星是首颗搭载高精度梯度仪,通过加速度计差分测量确定地球重力场的现代重力卫星。该卫星设计为无阻尼飞行状态（沿轨方向）,加速度计并未安置在卫星质心,这些特点使得GOCE与标准的卫星跟踪卫星重力测量模式有着显著的区别。本文首先指出GOCE任务中普通模式加速度校准存在不严密性问题,并提出了分别校准6个加速度计,分离偏差参数的方案。利用GOCE任务期内的几何法精密轨道,采用动力法完成校准,并分析了无阻尼控制的效果,发现：①虽然GOCE所在轨道高度的中性大气密度较GRACE高两到三个量级,但GOCE卫星在沿轨方向的残余非保守力比GRACE卫星的对应分量小一个量级,充分显示了无阻尼控制系统的补偿效果;②通过精密轨道内插的轨道速度与动力法轨道速度的比较可以得出,卫星无阻尼控制系统对GOCE卫星速度的显著影响;③计算了GOCE卫星所受的非保守力。获得了GOCE任务期间的加速度计校准参数,并讨论了利用其辅助重力梯度仪数据预处理的可能方法。     

联合GRACE/GOCE重力场模型和GPS/水准数据确定我国85高程基准重力位

GRACE、GOCE卫星重力计划的实施,对确定高精度重力场模型具有重要贡献。联合GRACE、GOCE卫星数据建立的重力场模型和我国均匀分布的649个GPS/水准数据可以确定我国高程基准重力位,但我国高程基准对应的参考面为似大地水准面,是非等位面,将似大地水准面转化为大地水准面后确定的大地水准面重力位为62 636 854.395 3m~2s~(-2),为提高高阶项对确定大地水准面的贡献,利用高分辨率重力场模型EGM2008扩展GRACE/GOCE模型至2190阶,同时将重力场模型和GPS/水准数据统一到同一参考框架和潮汐系统,最后利用扩展后的模型确定的我国大地水准面重力位为62 636 852.751 8m~2s~(-2)。其中组合模型TIM_R4+EGM2008确定的我国85高程基准重力位值62 636 852.704 5m~2s~(-2)精度最高。重力场模型截断误差对确定我国大地水准面的影响约16cm,潮汐系统影响约4~6cm。     

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。     

地球重力场、重力、重力梯度在三维直角坐标系中的表达式

现代卫星重力测量主要利用星载GPS接收机、加速度计、星载测距仪等来确定重力卫星的轨道 ,削弱非保守力的干扰 ,由此根据卫星的位置、速度及其变率来确定地球重力场。而上述GPS等星载仪器所提供的数据 ,包括卫星轨道坐标及其速率、扰动加速度、星间距离及其变率 ,都是以三维直角坐标 (x ,y ,z)的形式表示的 ,因此 ,地球重力场、重力和重力梯度在三维直角坐标系中的表达式在卫星重力解算中具有实际意义     

重力段差对相对重力测量精度的影响

本文阐述了拉科斯特-隆贝格重力仪的工作原理,采用某重力控制网实测数据,使用一元线性回归分析的方法,研究了重力段差对拉科斯特-隆贝格重力仪成果精度影响的成因、大小及消除办法。对静态相对重力测量仪器的使用有一定的借鉴意义。     

正常重力公式

在论述一般正常重力公式的基础上，详细推导了正常重力的泰勒级数展开式，给出了适用于GRS80椭球和WGS84椭球的数值常数。展开式计算的结果，对于至20km的大地高度，精度好于0．1μ4Gal对于至50km和70km，分别好于0．3μGal和1μGal。     

重力矢量及张量信息在地球重力场中的应用

随着重力测量技术日新月异的发展,尤其是空间重力测量技术的发展,使反映地球中、高频信息的重力矢量及张量的获取成为可能.文中建立了基于重力矢量及张量信息求解重力场中扰动场元的数学模型,对于将来重力场的精化及其时变性的研究具有一定的理论意义.     

重力矢量及张量信息在地球重力场中的应用

随着重力测量技术日新月异的发展，尤其是空间重力测量技术的发展，使反映地球中、高频信息的重力矢量及张量的获取成为可能。文中建立了基于重力矢量及张量信息求解重力场中扰动场元的数学模型，对于将来重力场的精化及其时变性的研究具有一定的理论意义。     

卫星重力测量

确定高精度和高分辨率地球重力场模型是现代大地测量的基本目标之一,卫星重力计划就是基于这一目标实施的。文章简单地评述了卫星重力的发展现状,介绍了三颗专用的重力卫星,给出了卫星重力测量的基本原理,最后比较了几种由重力卫星资料得到的地球重力场模型。     

基于信噪比的InSAR干涉图自适应滤波

提出了一种基于信噪比的InSAR干涉图相位噪声抑制算法。该算法对Goldstein滤波方法进行了改进,使Goldstein滤波参数 依赖于局部信噪比,从而实现对低信噪比区域进行强滤波、高信噪比区域弱滤波。采用模拟数据和真实数据进行验证,结果表明新算法能有效抑制InSAR干涉图的噪声。     

利用引力梯度数据计算径向梯度的优化方法

根据重力梯度观测各分量的方差及协方差信息,提出了利用GOCE梯度数据计算径向重力梯度的优化方法。首先给出了径向重力梯度的计算方法,并深入分析了误差传播规律,通过建立相应的条件极值问题,给出了计算径向重力梯度最优组合因子的方法;通过模拟数据验证了本文所提出的优化因子的优越性。实际数据计算表明:相对于传统方法,采用优化组合因子可使反演所得引力位模型的累积大地水准面精度在250阶时提高约2 cm。由于径向重力梯度不仅可以用于地球引力场模型的求解,也可直接应用于地球物理问题的讨论,因此本文所提出的优化方法也可对部分地球动力学问题的讨论提供方便。     

从物理大地测量角度分析重力异常用于重力反演时所存在的误差及其改正

从重力异常△g的原始定义出发，对将其用于反演地球内部密度结构时，本身所存在的不合理性及其造成的误差进行分析和估算，并给出相应的公式。主要内容包括以下3个方面。1．重力异常中所包含的两个界面所造成的物理上的不确定性分析及其所造成的几何差异估计。2．当将实际重力与模型正常重力严格地视作为矢量，传统的重力异常或重力扰动由于未考虑垂线偏差所造成的误差分析和计算。3．对试图以具有确定物理意义的地球物理模型（如PREM）代替大地测量中的正常椭球作为正常场源时，共合理性及存在的问题进行分析，并分析对其对应的正常重力之间的差异进行估算。