專利名稱：利用星間距離插值建立全球重力場模型的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及衛(wèi)星大地測量學、地球物理學、空間科學等交叉技術領域，特別是涉及一種通過將星載K波段測量儀的精確星間距離引入雙星相對軌道位置矢量的星星連線分量，構建新型星間距離插值衛(wèi)星觀測方程，進而快速建立高精度和高空間分辨率的全球重力場模型的技術領域。
背景技術：
如

圖1所示，重力衛(wèi)星在地球重力場作用下繞地球作近圓極軌運動，若精密定軌必須知道精確的地球重力場參數(shù)；反之，精確測定衛(wèi)星軌道攝動，利用攝動跟蹤觀測數(shù)據(jù)又可以提高地球重力場參數(shù)的精度，兩者相輔相成。在大地測量領域，地球重力場對研究地球形狀和精確求定地面控制點的三維坐標起著重要作用；在固體地球物理學中，基于地球重力場可以研究地球的內部構造和板塊運動；在海洋學中，為了研究海面地形，揭示洋流和環(huán)流的活動規(guī)律也需應用地球重力場數(shù)據(jù)。因此，本世紀地球重力場反演精度的進一步提高不僅是大地測量、地球物理、地震預報、海洋勘探、空間技術、航空航天等相關學科發(fā)展的迫切需求，同時也將為全人類尋求資源、保護環(huán)境和預測災害提供重要的地球空間信息。在利用重力衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)反演地球重力場的眾多方法中，按引力位系數(shù)解算方式的差異可分為空域法和時域法。1、空域法不直接處理空間位置相對不規(guī)則的衛(wèi)星軌道采樣點的觀測值，而將這些觀測值歸算到以衛(wèi)星平均軌道高度為半徑的球面上利用快速傅立葉變換(FFT)技術進行網(wǎng)格化處理，將問題轉化為某類型邊值問題的解，常見的準解析法、最小二乘配置法等屬于空域法的范疇。優(yōu)點是因網(wǎng)格點數(shù)固定從而方程維數(shù)一定，且可以利用快速傅立葉變換技術進行快速批量處理，因此極大地降低了計算量；缺點是在進行網(wǎng)格化處理中作了近似處理，且不能對色噪聲進行處理。2、時域法將衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)按時間序列處理，衛(wèi)星星歷值直接表示成引力位系數(shù)的函數(shù)，由最小二乘等方法直接反求引力位系數(shù)。優(yōu)點是直接對衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)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(wèi)星觀測數(shù)據(jù)的增多，觀測方程數(shù)量劇增，極大地增加了計算量。過去由于地球重力場反演方法的歷史局限性和當時計算機技術發(fā)展的限制，為了減少計算量，因此空域法較為盛行。然而，由于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(fā)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反演精度的重要因素，時域法的優(yōu)點正逐漸體現(xiàn)于地球重力場反演之中。時域法主要包括四種類型(I)Kaula線性攝動法； (2)基于加速度觀測值的數(shù)值微分法；C3)基于數(shù)值積分的軌道動力學法；(4)基于能量守恒定律的能量法。國內外研究表明，Kaula線性攝動法和基于加速度觀測值的數(shù)值微分法只適合于求解低階地球重力場且計算精度較低，現(xiàn)在最為盛行的是軌道動力學法和能量守恒法。軌道動力學法的優(yōu)點是求解精度較高；缺點是觀測數(shù)據(jù)運算量較大、求解過程復雜程度較高且反演較高階重力場時需要高性能的并行計算機支持；能量守恒法的優(yōu)點是觀測方程物理含義明確且易于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，通常采用PC計算機可完成高階地球重力場的快速求解；缺點是對衛(wèi)星速度的測量精度要求較高。 不同于國內外已有的衛(wèi)星重力反演法，本發(fā)明首次通過在相對軌道位置的星星連線分量中引入星載K波段測量儀(如圖2所示)的高精度星間距離，利用新型和精確的星間距離插值衛(wèi)星重力反演法構建了全球重力場模型。基于美國宇航局噴氣推進實驗室(NASA-JPL)公布的GRACE Level-IB實測數(shù)據(jù)建立了新型全球重力場模型 WHIGG-GEGMOIS(GRACE Earth， s Gravity Model from WuHan Institute of Geodesy and Geophysics)，進而驗證了新型星間距離插值衛(wèi)星重力反演法的正確性和有效性。由于我國自主研制和正在建設的首期地球重力衛(wèi)星系統(tǒng)預計于國家“十二五”規(guī)劃末期發(fā)射升空，因此星間距離插值法以其獨特的優(yōu)越性將成為我國高精度和高空間分辨率地球重力場反演的優(yōu)選方法之一。

發(fā)明內容
過將邏新型· 型。為達到上述目的，本發(fā)明采用了如下技術方案 1、一種利用星間距離插值建立全球重力場模型的方法，包含下列步驟 步驟一對GRACE衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)進行預處理，具體包括1. 1)采集星載K波段測量儀得到的星間距離P 12數(shù)據(jù)基于t檢驗準則即羅曼諾夫斯基準則，剔除星間距離數(shù)據(jù)中存在的粗大誤差；基于9階Lagrange多項式，插值獲得間斷的星間距離數(shù)據(jù)。
本發(fā)明的目的是由于當前GPS全球定位系統(tǒng)的衛(wèi)星軌道位置精度相對較低，通 L載K波段測量儀的精確星間距離引入雙星相對軌道位置矢量的星星連線分量構建 L間距離插值衛(wèi)星觀測方程，進而快速建立高精度和高空間分辨率的全球重力場模1. 2)采集星載雙頻GPS接收機得到的衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)，包括軌道位置r和軌道速度廣 為了保證衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)的精度和連續(xù)性，去除衛(wèi)星軌道存在的重疊期，進行衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)的拼接；截掉由于定軌弱約束造成的衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)的開始和結束時段處精度較低的數(shù)據(jù)； 基于3 σ準則即萊以特準則，剔除衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)中存在的粗大誤差。1. 3)采集星載加速度計得到的衛(wèi)星非保守力f數(shù)據(jù)基于t檢驗準則即羅曼諾夫斯基準則，剔除衛(wèi)星非保守力數(shù)據(jù)中存在的粗大誤差；基于9階Lagrange多項式，插值獲得間斷的衛(wèi)星非保守力數(shù)據(jù)。步驟二 構建星間距離插值觀測方程在地心慣性坐標系中，基于Newton插值模型，單星軌道位置r的泰勒展開表示如下
權利要求
1. 一種利用星間距離插值建立全球重力場模型的方法，包含下列步驟步驟一對GRACE衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)進行預處理，具體包括1. 1)采集星載K波段測量儀得到的星間距離(P12)數(shù)據(jù)基于t檢驗準則即羅曼諾夫斯基準則，剔除星間距離數(shù)據(jù)中存在的粗大誤差；基于9階Lagrange多項式，插值獲得間斷的星間距離數(shù)據(jù)；1.2)采集星載雙頻GPS接收機得到的衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)，包括軌道位置(r)和軌道速度 (V ):為了保證衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)的精度和連續(xù)性，去除衛(wèi)星軌道存在的重疊期，進行衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)的拼接；截掉由于定軌弱約束造成的衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)的開始和結束時段處精度較低的數(shù)據(jù)；基于3 σ準則即萊以特準則，剔除衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)中存在的粗大誤差；1.3)采集星載加速度計得到的衛(wèi)星非保守力(f)數(shù)據(jù)基于t檢驗準則即羅曼諾夫斯基準則，剔除衛(wèi)星非保守力數(shù)據(jù)中存在的粗大誤差；基于9階Lagrange多項式，插值獲得間斷的衛(wèi)星非保守力數(shù)據(jù)；步驟二 構建星間距離插值觀測方I、王在地心慣性坐標系中，基于Newton插值模型，單星軌道位置r的泰勒展開表示如下
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用星間距離插值建立全球重力場模型的方法，通過將星載K波段測量儀的精確星間距離引入雙星相對軌道位置矢量的星星連線分量，構建星間距離插值衛(wèi)星觀測方程，進而建立高精度和高空間分辨率的全球重力場模型。該方法衛(wèi)星重力反演精度高，易于感測中高頻重力場信號，利于重力衛(wèi)星系統(tǒng)誤差分析，觀測方程物理含義明確，計算機性能要求低。
文檔編號G01V7/00GK102305949SQ201110184980
公開日2012年1月4日 申請日期2011年6月30日 優(yōu)先權日2011年6月30日
發(fā)明者劉成恕, 熊熊, 許厚澤, 鄭偉, 鐘敏 申請人:中國科學院測量與地球物理研究所