基于CHAMP短弧长动力学轨道的地球重力场模型

讨论了基于CHAMP卫星动力学轨道数据以及加速度计数据推求地球重力场模型的动力学法,推导了将加速度计观测数据的尺度和偏差以及卫星初始状态向量与地球重力场位系数一起求解的数学模型. 采用CHAMP卫星120天的动力学轨道数据和加速度数据解算出50阶次的地球重力场模型TJCHAMP01S,并利用各种方法对该模型进行了检核,结果表明：TJCHAMP01S模型精度优于相同阶次的EGM96和EIGEN_1S模型.     

基于改进的能量守恒方法恢复CHAMP重力场模型

利用CHAMP卫星轨道和加速度计数据推求地球重力场模型的一种有效方法是能量守恒方法.本文基于能量守恒方程,推导了整体求解尺度、偏差、积分常量和位系数的计算公式,提出了整体求解位系数、积分常量、尺度和偏差参数的重力场恢复方法-改进的能量法.该方法摆脱了目前使用能量法时,必须预先通过其它外部手段标定加速度计数据以及积分常量通过近似计算获取的现状.基于德国慕尼黑技术大学(TUM)提供的约300天的CHAMP卫星几何法轨道和GFZ提供的加速度计数据,计算出了60×60阶地球重力场模型XISM-CHAMP1S,并与EIGEN-CG03C、EIGEN-CHAMP03S、EIGEN2、ENIGN1S、EGM96模型进行了比较.结果表明:XISM-CHAMP1S模型精度明显优于相同阶次EGM96、EIGEN1S和EIGEN2,与同阶次的EIGEN-CHAMP03S模型精度最为接近.     

基于B spline和正则化算法的低轨卫星轨道平滑

本文提出了一个利用纯几何轨道和力模型的新算法来计算精确且相对平滑的卫星轨道. 该法将一个纯几何轨道表达为一个B spline的线性组合，线性组合的系数可以由最小二乘法估计获得. 力模型通过计算加速度来附加约束. 为了平衡几何轨道的点位误差和加速度的不精确，一个基于“广义交互确认（GCV，generalized cross validation）”的正则化算法运用其中. 由于B spline的本地控制性，该方法的计算效率相当高. 本文的数值分析表明了该法的有效性. 模拟计算的结论是：带加速度约束较不带加速度约束的平滑效果好. 力模型越精确，平滑的轨道就越精确. 三个月的CHAMP实测轨道数据处理结果表明，平滑后的轨道改进了重力场模型.     

基于Bspline和正则化算法的低轨卫星轨道平滑

本文提出了一个利用纯几何轨道和力模型的新算法来计算精确且相对平滑的卫星轨道. 该法将一个纯几何轨道表达为一个Bspline的线性组合，线性组合的系数可以由最小二乘法估计获得. 力模型通过计算加速度来附加约束. 为了平衡几何轨道的点位误差和加速度的不精确，一个基于“广义交互确认（GCV，generalized crossvalidation）”的正则化算法运用其中. 由于Bspline的本地控制性，该方法的计算效率相当高. 本文的数值分析表明了该法的有效性. 模拟计算的结论是：带加速度约束较不带加速度约束的平滑效果好. 力模型越精确，平滑的轨道就越精确. 三个月的CHAMP实测轨道数据处理结果表明，平滑后的轨道改进了重力场模型.     

CHAMP重力场恢复时域法和空域法比较研究

利用CHAMP数据恢复重力场的解算方法分为时域法和空域法.本文首先介绍了这两种方法恢复CHAMP重力场的基本原理和算法,分析了它们的优缺点.针对空域法中的延拓误差和格网化误差进行了讨论.计算表明:延拓误差中的截断误差部分影响量级约0.001 m2·s-2(均方误差意义下),最大误差仅为0.11 m2·s-2,可完全忽略;延拓误差中的参考重力场模型误差影响随参考场选取的不同而有所差异,整体而言小于0.1 m2·s-2,但最大误差可达1.3 m2·s-2,采用高精度的参考重力场模型能大大减小延拓误差影响.目前最常用的格网化方法包括加权平均方法和最小二乘配置方法,计算表明,利用30天的CHAMP数据进行2°×2°格网化处理,加权平均法的格网化误差在0.13 m2·s-2量级,最大误差可达1.58 m2·s-2,而最小二乘配置法的格网化误差在0.006 m2·s-2量级,最大误差仅为0.15 m2·s-2,明显优于加权平均法.文章最后对时域法和以快速最小二乘配置(FSC)为代表的空域法恢复60阶次的CHAMP重力场的精度进行了比较,结果表明:两种方法的得到的重力场模型精度相差不大,整体而言,时域法略优于空域法.     

重力场恢复中的基于星载GPS的低轨卫星简化动力学定轨方法研究

低轨重力卫星轨道的精确确定是获得精密地球重力场模型的前提, 而精密重力场模型又是获得高精度定轨结果的保证.本文简述了利用卫星重力方法恢复地球重力场及简化动力学方法确定低轨卫星轨道的数学模型,并简单分析和比较现有的几种重力场模型.用CHAMP实测数据,结合现有的重力场模型,系统分析、研究了不同阶次、不同重力场模型对低轨卫星定轨精度的影响;研究了不同间隔的随机速度脉冲在简化动力学方法中对模型误差的吸收、调节作用.计算结果表明,在定轨中,选择合理阶数的、较精确的重力场模型及合理间隔的随机脉冲参数,不但可以提高计算效率,更能提高定轨精度.     

利用SWARM卫星高低跟踪探测格陵兰岛时变重力信号

GRACE重力卫星任务即将结束,后续GRACE Follow-On卫星计划于2017年发射,在此期间,迫切需要一个新的卫星计划继续对全球时变重力场进行连续监测,以保证时变重力场信息时间序列的连贯性.SWARM计划包括三颗轨道高为300~500 km的近极轨卫星星座,类似于三颗CHAMP卫星,具有接替时变重力场探测的潜力.本文首先分析SWARM(模拟)、CHAMP、GRACE反演至60阶时变重力场球谐系数的误差特性及不同高斯平滑半径对高频误差的抑制效果,然后分别利用SWARM、CHAMP、GRACE的时变重力场模型恢复全球质量变化,结果表明,SWARM模拟观测数据的高频误差低于CHAMP观测数据,探测时变重力场的整体精度优于CHAMP,略低于GRACE探测精度;其次,对比2003年1月—2009年12月期间CHAMP(hl-SST)和GRACE(ll-SST)时变重力场模型反演格陵兰岛冰盖质量变化趋势,结果显示,CHAMP数据得到格陵兰岛冰盖质量变化趋势为-50.2±2.0 Gt/a,GRACE所得结果为-41.2±1.6 Gt/a,两者相差21.8%;最后,对比2000年1月—2004年12月间SWARM模拟数据和"真实"模型数据反演的格陵兰岛冰盖质量变化趋势,结果表明,两者相差19.2%.本文研究表明,利用SWARM hl-SST数据探测时变重力场可以达到20%相对精度水平,有潜力用于填补GRACE和GRACE Follow-On期间探测地球时变重力场的空白.     

地球重力场恢复中的位旋转效应

分析了地球自转引起的位旋转效应公式中采用近似速度的影响. 对一组GFZ的快速科学轨道、一组TUM的约化动力法轨道以及一组GFZ的事后科学轨道,计算了星历提供的速度与只有地球引力场对卫星产生作用时的卫星速度的差值,其中参考重力场模型分别采用EGM96、EIGEN2和EIGEN_CG01C. 通过比较得出：轨道数据与EIGEN2地球重力场模型的自恰性优于EGM96和EIGEN_CG01C地球重力场模型. 速度差各分量的变化具有很明显的周期性且与卫星轨道的运行周期相吻合. 当要求在卫星轨迹处获得1m2/s2精度的扰动位时,也即要求位旋转效应公式中卫星速度的近似精度小于2mm/s时,GFZ的快速科学轨道、TUM的约化动力法轨道只需要剔除那些速度精度不满足要求的卫星轨迹点;当要求在卫星轨迹处获得05m2/s2精度的扰动位时,应当重新估算上述轨道的速度信息,或采用精度更高的GFZ事后科学轨道.     

基于重力卫星几何轨道线性化的地球重力场反演方法

传统动力学法的观测方程以6个初始轨道参数和先验力模型为初值进行线性化,其线性化误差随积分弧长拉长而增大.本文直接以重力卫星的几何观测轨道为初值进行线性化,其线性化误差与轨道弧长无关,且不需要初始重力场模型和初始轨道参数.导出了基于卫星轨道观测值反演重力场模型的相关公式,利用JPL公布的RL02版本2008年全年的GRACE双星轨道数据和加速度计数据解算了90阶次的地球重力场模型TJGRACE01S,并以EGM2008模型为基准与其他模型进行了比较分析,结果表明:TJGRACE01S模型直到90阶次的大地水准面累积误差为17.6 cm,优于同阶次的EIGEN-CHAMP03S和EIGEN-CHAMP05S模型,前27阶位系数整体精度优于EIGEN-GRACE01S,前15阶位系数整体精度与EIGEN-GRACE02S模型精度大致相当.利用美国8221个GPS水准点数据的分析结果也表明,本文模型也优于同阶次的EIGEN-CHAMP03S和EIGEN-CHAMP05S模型.     

基于卫星轨道扰动理论的重力反演算法

为了更充分利用低轨重力卫星的高精度观测数据,根据卫星轨道的扰动理论,导出了应用卫星轨道与星间距离观测值联合反演地球重力场模型的算法.该算法的实质是将牛顿运动方程在卫星轨道处进行展开,转化为第二类Volterra积分方程,并采用基于移动窗口的9次多项式内插公式进行数值求解.给出了该算法的观测方程,用QR分解法消去局部参数矩阵,最后采用预条件共轭梯度法求解法方程.利用GRACE卫星2008-01-01~2008-08-01时间段内的轨道及星间距离观测数据,解算了120阶次的地球重力场模型SWJTU-GRACE01S,该模型在120阶处的阶方差为1.58×10^-8,大地水准面差距累计误差为22.29 cm,与美国GPS水准网比较的标准差为0.793 m,结果表明:SWJTU-GRACE01S模型精度介于EIGEN-GRACE01S与EIGEN-GRACE02S模型之间,从而验证了该算法的有效性.     

Derivation of the CHAMP-only global gravity field model TUG-CHAMP04 applying the energy integral approach

A global gravity field model TUG-CHAMP04, derived from CHAMP (CHAllenging Minisatellite Payload) satellite-to-satellite GPS tracking observations in the high-low mode (SST-hl) in combination with CHAMP accelerometry, is presented and described in detail in this paper. For this purpose the energy integral approach was applied to precise kinematic orbits and accelerometer data. The advantage of these kinds of orbits is that they are derived from purely geometrical information, hence no external gravity field information is used for the determination of the positions. The disadvantage of precise kinematic orbit information is, that no velocities are delivered and hence a procedure has to be elaborated to deduce the velocities from kinematic positions. This work is done in preparation for ESA’s GOCE (Gravity field and steady state Ocean Circulation Explorer) satellite mission (scheduled launch November 2006), aiming at a high precision and high-resolution gravity field model on a global scale. This paper concentrates on the CHAMP data processing, where, in contrast to the usual standard method (processing in the Earth fixed frame), an approach in the inertial frame is chosen. Focus is taken on the data preprocessing of both accelerometer and orbit data, emphasising on the correct treatment of data-gaps and outlier detection. Furthermore an arc-wise weighting strategy is introduced and the advantages/disadvantages of this approach are discussed. Finally, the TUG-CHAMP04 model, calculated from one year of CHAMP data is compared with the official CHAMP gravity field model EIGEN-3p and terrestrial data (GPS levelling data).     

Grim4-C1, -C2p: combination solutions of the global earth gravity field

On the basis of the GRIM4-S1 satellite-only Earth gravity model, being accomplished in a common effort by DGFI and GRGS, a combination solution, called GRIM4-C1, has been derivcd using 1° × 1° mean gravity anomalies and 1° × 1° Seasat altimeter derived mean geoid undulations. In the meantime improvements could be achieved by incorporating more tracking data (GEOSAT, SPOT2-DORIS) into the solution, resulting in the two new parallel versions, the satellite-only gravity model GRIM4-S2 and the combined solution GRIM4-C2p (preliminary). All GRIM4 Earth gravity models cover the spectral gravitational constituents complete up to degree and order 50.In this report the emphasis is on the discussion of the combined gravity models: combination and estimation techniques, capabilities for application in precise satellite orbit computation and accuracies in long wavelength geoid representation. It is shown that with the new generation of global gravity models general purpose satellite-only models are no longer inferior to combination solutions if applied to satellite orbit restitution.     

Accuracy assessments of recent earth gravity models using crossover altimetry

Summary The calibrated variance-covariance matrices of the harmonic geopotential coefficients of the recent combined model JGM 2 has been tested and verified by independent crossover altimetry from TOPEX/Poseidon and ERS 1 using the Latitude Lumped Coefficients in the southern oceans area. Although orbits are not yet available for these missions with other recent models for which error matrices have been released, by comparison with JGM 2 results and field differences we also confirm that the error matrices for the satellite model GRIM 4S4p and the combined data model JGM 3 are also generally valid. Projections of these matrices for a variety of inclinations show that many unused orbits of even moderate altitude (≈ 800 km) will still yield trajectory crossover errors at a level of many tens of centimeters even with the latest orbitgeopotential models.     

Geoid undulation differences between geopotential models

Three geopotential models (OSU91A, GEM-T3, and GRIM4-C2), available in 1991, have been compared in several ways. The models have been differenced to find the geoid undulation difference are on the order of 1 m in land areas and 30 cm in ocean areas with extreme differences reaching 6 m. The models were also evaluated, augmented by higher degree terms, when necessary, through comparisons with undulations at Doppler and GPS positioned stations. The undulation difference at the Doppler stations was ± 1.57 m with no significant difference between models. Using 4 GPS test areas, differences were seen between the various models. A final comparison was made between geoid undulations implied by a Geosat 17 day cycle and undulations from the three models. The OSU91A model performed best having a difference standard deviation of ±34 cm.     

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.