基於星間距離誤差模型的地球重力場恢復方法
2023-05-23 11:47:51 3
專利名稱：基於星間距離誤差模型的地球重力場恢復方法
技術領域：
本發明涉及衛星重力學、大地測量學、空間科學等交叉技術領域，特別是涉及一 種基於星載雷射幹涉測距儀的星間距離誤差影響累計大地水準面精度的關係來建立雷射 幹涉測距儀星間距離誤差模型，進而使用這種星間距離誤差模型來精確和快速恢復當前 GRACE和下一代GRACE-1I地球重力場的方法。
背景技術：
地球重力場及其時變反映地球表層及內部物質的空間分布、運動和變化，同時決 定著大地水準面的起伏和變化。因此，確定地球重力場的精細結構及其時變不僅是大地測 量學、海洋學、空間科學等的需求，同時也將為尋求資源、保護環境和預測災害提供重要的 信息資源。重力恢復和氣候實驗衛星(GRACE)的成功發射以及下一代GRACE-1I衛星的即 將發射昭示著人類將迎來一個前所未有的衛星重力探測新時代。基於GRACE雙星高精度感 測中長波地球重力場的優秀表現，美國宇航局(NASA)提出了又一項專用於中短波地球重力 場精密探測的GRACE-1I未來衛星計劃。如圖1所示，GRACE-1I雙星預期採用近圓、近極地 和低軌道設計，利用雷射幹涉測距儀高精度感測星間距離(測量精度10_8m)。因此，下一代 GRACE-1I得到的靜態和時變地球重力場精度比目前GRACE至少高一個數量級。
在衛星重力恢復的眾多方法中，按引力位係數解算方法的差異可分為空域法和時 域法。空域法是指不直接處理空間位置相對不規則的衛星軌道採樣點的觀測值，而將這些 觀測值歸算到以衛星平均軌道高度為半徑的球面上利用快速傅立葉變換(FFT)進行網格化 處理，將問題轉化為某類型邊值問題的解，如準解析法、最小二乘配置法等屬於空域法的範 疇。優點是因網格點數固定從而方程維數一定，且可以利用FFT方法進行快速批量處理，因 此極大地降低了計算量；缺點是在進行網格化處理中作了不同程度的近似計算，且不能對 色噪聲進行處理。時域法是指將衛星觀測數據按時間序列處理，衛星星曆值直接表示成地 球引力位係數的函數，由最小二乘等方法直接反求引力位係數。優點是直接對衛星觀測數 據進行處理，不需作任何近似，求解精度較高且能有效處理色噪聲；缺點是隨著衛星觀測數 據的增多，觀測方程數量劇增，極大地增加了計算量。過去由於地球重力場恢復方法的歷 史局限性和當時計算機技術發展的限制，為了減少計算量，因此空域法較為盛行，Colombo (1989)、Sanso (1995)、Reguzzoni (2003)、Sharifi (2006)等在此方面開展了廣泛研究。 然而，由於空域法做了許多人為性的假設，存在許多潛在的弊端且隨著近年來計算機技術 的飛速發展及各種快速算法的廣泛應用，計算量的大小不再是制約地球重力場恢復精度的 重要因素，時域法的優點正逐漸體現於衛星重力反演之中，Han et al. (2002)、Reigber (2002)、Schwintzer and Reigber (2002)等學者直接利用時域法反演了高精度的地球重 力場。時域法主要包括=Kaula線性攝動法、數值微分法、動力學法、能量守恆法、衛星加速 度法等。國內外研究表明，Kaula線性攝動法和數值微分法只適合於求解低階地球重力場 且計算精度較低，因此目前基本上已無人問津，現在最為盛行的是動力學法和能量守恆法。 動力學法的優點是求解精度較高；缺點是觀測數據運算量較大、求解過程複雜程度較高且反演較高階重力場(L>100階)時需要高性能的並行計算機支持；能量守恆法的優點是觀測方程物理含義明確且易於地球重力場的敏感度分析，在保證求解精度的前提下計算量大大降低，通常採用PC計算機可完成高階地球重力場的快速求解；缺點是對衛星速度的測量精度要求較高。
為了有效綜合已有衛星重力恢復方法的優點，本發明提出了基於星間距離誤差模型精確和快速恢復當前GRACE和下一代GRACE-1I地球重力場的新技術，並精確和快速地恢復了 120階GRACE和360階GRACE-1I全球重力場。發明內容
本發明的目的是基於星間距離誤差模型法較大程度加快計算速度，而且進一步提高當前GRACE和下一代GRACE-1I地球重力場恢復的精度。
為達到上述目的，本發明提供了一種星間距離誤差模型的地球重力場恢復方法， 包括如下步驟
步驟1:採集重力恢復和氣候實驗衛星的關鍵載荷數據通過星載測距儀獲取星間距離誤差數據δ P 12，通過星載GPS接收機獲取軌道位置數據r ；
步驟2 :通過星間距離誤差數據δ P 12與累計大地水準面精度6 \i2的關係，建立星間距離誤差模型；
步驟3 :基於所述星間距離誤差模型，通過所採集的衛星關鍵載荷數據，對地球重力場進行恢復；其中，所述步驟3包括
步驟3.1 :利用9階Runge-Kutta線性單步法結合12階Adams-Cowell線性多步法數值積分公式模擬衛星的星曆；
步驟3. 2 :確定參考球面網格解析度，在地球表面的經度λ和緯度φ範圍內按所確定的參考球面網格解析度繪製網格，按照衛星軌道在地球表面的軌跡點位置依次加入星間距離誤差δ ρ12(φ，λ);
步驟3. 3 :基於所述星間距離誤差模型和星間距離誤差數據δ P 12恢復地球重力場。
本發明是基於雷射幹涉測距儀星間距離誤差模型法有利於精確和快速恢復下一代GRACE-1I地球重力場的特點而設計的，優點是
I)地球重力場恢復精度高；
2 )較大程度提高解算速度；
3)易於開展高階重力場誤差分析；
4)衛星觀測方程物理含義明確；
5)計算機性能要求低。
圖1為下一代GRACE-1I衛星重力計劃的測量原理圖。
圖2 表示
權利要求
1.一種基於星間距離誤差模型的地球重力場恢復方法，其特徵在於包括如下步驟 步驟1:採集衛星關鍵載荷數據，通過星載測距儀獲取星間距離誤差數據δ P12，通過星載GPS接收機獲取軌道位置數據r ；步驟2:通過星間距離誤差數據δ P12與累計大地水準面精度的關係，建立星間距離誤差模型；步驟3 :基於所述星間距離誤差模型，通過所採集的衛星關鍵載荷數據，對地球重力場進行恢復；其中，所述步驟3包括步驟3.1 :利用9階Runge-Kutta線性單步法結合12階Adams-Cowell線性多步法數值積分公式模擬衛星的星曆；步驟3.2 :確定參考球面網格解析度，在地球表面的經度λ和緯度φ範圍內按所確定的參考球面網格解析度繪製網格，按照衛星軌道在地球表面的軌跡點位置依次加入星間距離誤差 δ P 12(φ，λ );步驟3. 3 :基於所述星間距離誤差模型和星間距離誤差數據δ P12恢復地球重力場。
2.如權利要求1所述的基於星間距離誤差模型的地球重力場恢復方法，其特徵在於 所述步驟2為將地球擾動位T (r，Φ，λ)按球諧函數展開表示為
3.如權利要求2所述的基於星間距離誤差模型的地球重力場恢復方法，其特徵在於 所述步驟3. 3為基於星間距離誤差模型，通過星間距離誤差數據δ P12，恢復地球重力場的過程如下將星間距離誤差δ ρ12(φ，λ)按球諧函數展開為
4.如權利要求3所述的基於星間距離誤差模型的地球重力場恢復方法，其特徵在於所述步驟3. 3中所確定參考球面網格解析度為O. 1° Χ0.Γ 10° Χ10°，優選為0.5。Χ0. 5°。
5.如權利要求1-4中任一項所述的基於星間距離誤差模型的地球重力場恢復方法，其特徵在於所述衛星為GRACE衛星或者下一代GRACE-1I衛星。
6.如權利要求5所述的基於星間距離誤差模型的地球重力場恢復方法，其特徵在於 當所述衛星為GRACE衛星時，採用星載K波段測距儀獲取星間距離誤差數據δ P12;當所述衛星為下一代GRACE-1I衛星時，採用星載雷射幹涉測距儀獲取星間距離誤差數據δ P120
7.如權利要求6所述的基於星間距離誤差模型的地球重力場恢復方法，其特徵在於 當所述衛星為下一代GRACE-1I衛星時，所述步驟2還包括使用所述星間距離誤差模型並利用GRACE衛星所採集的實測數據進行地球重力場恢將地球重力場恢復結果與EIGEN-GRACE02S地球重力場模型的實測精度進行對比； 根據對比結果對所述星間距離誤差模型進行檢驗。
全文摘要
本發明涉及一種地球重力場精密測量方法，特別是一種基於星間距離誤差模型原理的地球重力場恢復方法；該方法基於星間距離誤差影響累計大地水準面精度的關係建立星間距離誤差模型，進而使用該星間距離誤差模型來精確和快速恢復當前GRACE和下一代GRACE-II地球重力場。該方法對地球重力場恢復精度高，較大程度提高解算速度，易於開展高階重力場誤差分析，衛星觀測方程物理含義明確，計算機性能要求低。因此，星間距離誤差模型法是恢復高精度和高空間解析度地球重力場的有效方法。
文檔編號G01V7/02GK103064128SQ20131000349
公開日2013年4月24日 申請日期2013年1月6日 優先權日2013年1月6日
發明者不公告發明人 申請人:中國科學院測量與地球物理研究所