專利名稱：利用不同軌道傾角衛(wèi)星聯(lián)合反演地球重力場的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及衛(wèi)星大地測量學、衛(wèi)星重力學、空間科學等交叉技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及ー種基于擾動星間加速度法，利用GRACE衛(wèi)星K波段測距儀的星間距離、星間速度和星間加速度測量數(shù)據(jù)、GPS接收機的衛(wèi)星軌道位置測量數(shù)據(jù)和衛(wèi)星軌道速度測量數(shù)據(jù)、以及加速度計的衛(wèi)星非保守力測量數(shù)據(jù)，通過不同軌道傾角衛(wèi)星最優(yōu)組合，進而精確和快速反演地球重力場的方法。
背景技術(shù)：
自伽利略于16世紀末第一次進行地球重力場測量以來，國內(nèi)外的許多科研機構(gòu)在全球范圍內(nèi)的陸地、海洋和空間采用多種技術(shù)和方法進行了大量的地球重力場測量。目前衛(wèi)星重力測量技術(shù)的實現(xiàn)是繼美國全球定位系統(tǒng)(GPS)星座成功構(gòu)建之后在大地測量領(lǐng)域的又一項創(chuàng)新和突破。它不僅促進了大地測量學本身的發(fā)展，同時帶動了地球物理學、大氣研究、海洋探測、空間技術(shù)等領(lǐng)域的發(fā)展。衛(wèi)星重力測量技術(shù)之所以被國際大地測量學界公認為是當前地球重力場探測研究中最高效、最經(jīng)濟和最有發(fā)展?jié)摿Φ姆椒ㄖ?，是因為它既不同于傳統(tǒng)的車載、船載和機載測量，也不同于軌道攝動分析和衛(wèi)星測高技術(shù)，而是通過衛(wèi)ー衛(wèi)跟蹤技術(shù)(SST)和衛(wèi)星重力梯度技術(shù)(SGG)反演高精度和高空間分辨率地球重力場。如圖1所示，美國宇航局(NASA)和德國波茲坦地學研究中心(GFZ)合作研制并于2002年3月17日成功發(fā)射的GRACE雙星是繼2000年7月15日升空的CHAMP單星之后的又ー項專用于地球重力場中長波精密測量的衛(wèi)星計劃。GRACE編隊飛行計劃是衛(wèi)星重力測量中衛(wèi)ー衛(wèi)跟蹤技術(shù)(SST)的再次成功實現(xiàn)，在10年的飛行任務(wù)中采用變軌技術(shù)(500knT300km)感測不同波段的地球重力場。為了滿足GRACE整體衛(wèi)星系統(tǒng)測量地球重力場的要求，雙星軌道設(shè)計為近極軌模式(軌道傾角89° )。對于反演120階GRACE地球重力場而言，由于89°軌道傾角在地球南北極形成的極溝區(qū)(未覆蓋區(qū))2X|90° -111 =2°小于對應(yīng)的空間分辨率360° /Lfflax = 3°，因此，該模式的優(yōu)點是不僅可達到衛(wèi)星近似全球覆蓋的目的，同時可忽略極溝區(qū)對地球重力場反演精度的影響。由于適當增大衛(wèi)星的軌道傾角有利于提高地球引力位帶諧項系數(shù)反演的精度，適當降低衛(wèi)星的軌道傾角有利于提高地球引力位田諧項系數(shù)反演的精度，因此，采用多顆不同軌道傾角衛(wèi)星聯(lián)合測量可互相取長補短，進而共同反演高精度和高空間分辨率的地球重カ場。至目前為止，國內(nèi)外眾多學者在衛(wèi)星不同軌道傾角如何影響地球引力位系數(shù)反演精度的方面開展了卓有成效的研究工作。GRACE衛(wèi)星采用高軌道傾角89°的設(shè)計可有效提高地球引力位帶諧項系數(shù)的精度，但對地球引力位田諧項系數(shù)的敏感度較低，因此可采用第ニ組較低軌道傾角的衛(wèi)星高精度測量地球引力位田諧項系數(shù)。數(shù)值模擬結(jié)果表明:第二組GRACE衛(wèi)星采用軌道傾角82° 14°是較優(yōu)選擇，該設(shè)計可有效彌補單組89°軌道傾角衛(wèi)星對地球引力位田諧項系數(shù)敏感度較低的不足。綜上所述，不同軌道傾角衛(wèi)星的聯(lián)合測量是反演高精度和高空間分辨率地球重力場的有效途徑。
本發(fā)明基于擾動星間加速度法利用不同軌道傾角衛(wèi)星的組合反演了 120階GRACE地球重力場，闡述了衛(wèi)星不同軌道傾角和地球引力位帶諧項、扇諧項和田諧項系數(shù)反演精度的關(guān)系，得到了兩組GRACE雙星分別采用89°和83°軌道傾角聯(lián)合反演累計大地水準面的精度較單組89°軌道傾角的精度平均提高約2倍的結(jié)論，分析了兩組GRACE雙星分別采用89°和82° 14°軌道傾角反演地球重力場是較優(yōu)組合的原因。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是:基于擾動星間加速度法，通過不同軌道傾角衛(wèi)星聯(lián)合進ー步提高地球重力場反演精度。為達到上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案:ー種利用不同軌道傾角衛(wèi)星聯(lián)合反演地球重力場的方法，包括如下步驟:步驟1:采集GRACE雙星的關(guān)鍵載荷數(shù)據(jù)從而獲得雙星測量數(shù)據(jù)，通過GRACE雙星的星載K波段測距儀采集星間距離P 12、星間速度/^和星間加速度A2，通過星載GPS接收機采集雙星軌道位置(^，r2)和雙星軌道速度(T1J2 )，通過星載加速度計獲取作用于雙星的非保守力(も，f2);步驟2:通過殘余地心引力差、殘余地球擾動引力差、殘余保守力差和殘余非保守力差對擾動軌道加速度差的影響，建立擾動星間加速度的觀測方程，將步驟I中所獲得的雙星測量數(shù)據(jù)代入擾動星間加速度觀測方程，使用最小二乗法反演獲得地球引力位系數(shù)
乙和4;步驟3:基于擾動星間加速度觀測方程，利用不同軌道傾角衛(wèi)星的測量數(shù)據(jù)進行地球重力場反演，將反演得到的地球引力位系數(shù)精度進行對比，進而分析不同軌道傾角的GRACE雙星觀測數(shù)據(jù)分別對地 球引力位帶諧項、扇諧項、田諧項系數(shù)精度的影響；步驟4:基于不同軌道傾角的雙星測量數(shù)據(jù)聯(lián)合反演大地水準面精度，其中不同軌道傾角的雙星測量數(shù)據(jù)至少包括ー組89°高軌道傾角的GRACE雙星測量數(shù)據(jù)和另ー組82° 84°低軌道傾角的GRACE雙星測量數(shù)據(jù)。本發(fā)明是利用不同軌道傾角衛(wèi)星聯(lián)合有利于精確反演地球重力場的特點而設(shè)計的，優(yōu)點是:I)衛(wèi)星重力反演精度高；2)同時敏感于引力位帶諧項和田諧項系數(shù)精度；3)地球重力場解算速度快；4)衛(wèi)星觀測方程物理含義明確；5)計算機性能要求低。


圖1為GRACE雙星測量原理圖。圖2a_2d表示基于不同軌道傾角衛(wèi)星反演地球引力位系數(shù)精度對比；圖2a為基于不同軌道傾角衛(wèi)星反演地球引力位帶諧項系數(shù)精度對比；圖2b為基于不同軌道傾角衛(wèi)星反演地球引力位扇諧項系數(shù)精度對比；
圖2c為基于不同軌道傾角衛(wèi)星反演地球引力位田諧項系數(shù)精度對比圖2d為基于不同軌道傾角衛(wèi)星反演地球綜合引力位系數(shù)精度対比。圖3表示基于89°軌道傾角和不同軌道傾角組合反演引力位系數(shù)階誤差之比的平均值。圖4表示基于兩組不同軌道傾角衛(wèi)星聯(lián)合反演累計大地水準面精度。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖，對本發(fā)明的具體實施方式
作進ー步的說明。利用不同軌道傾角衛(wèi)星聯(lián)合反演地球重力場方法的應(yīng)用:步驟1:衛(wèi)星關(guān)鍵載荷數(shù)據(jù)采集(I)通過星載K波段測距儀采集ー組GRACE-A/B雙星的星間距離P 12、星間速度點2和星間加速度/^，通過星載GPS接收機采集雙星軌道位置(a，r2)和雙星軌道速度(TtlJ2 )，通過星載加速度計獲取作用于雙星的非保守力(も，f2)。(2)利用9階Runge-Kutta線性單步法和12階Adams-Cowell線性多步法數(shù)值模擬公式獲取雙星參考軌道位置(KX)和雙星參考軌道速度(n°,r2° )0(3)參考星間距離、參考星間速度/ 和參考星間加速度為°2通過參考軌道位置(rx\r^ )和參考軌道速度(r^,r2° )計算獲得。(4)參考非保守力()通過DTM2000阻力溫度模型計算獲得。(5)通過國際公布模型DE-405、IERS96和CSR4.0聯(lián)合計算獲取作用于雙星的保守力(F1, F2)和參考保守力(Fj03F20 )o其中步驟(4)、(5)的計算方法已在鄭偉，許厚澤，鐘敏，員美娟，周旭華，彭碧波.衛(wèi)星跟蹤衛(wèi)星測量模式中星載加速度計高低靈敏軸分辨率指標優(yōu)化設(shè)計論證 地球物理學報，2009，52(11):2712-2720.和Tapley B，Ries J, BettadpurS，Chambers D，Cheng M，Condi F，Gunter B，Kang Z，Nagel P，Pastor R，Pekker T，Poole
S,Wang F.GGM02~An improved Earth gravity field model from GRACE.Journal ofGeodesy, 2005，79 (8):467 - 478.中公開。步驟2:擾動星間加速度觀測方程建立在地心慣性系中，GRACE-A/B的星間距離P 12表示如下p 12=r12 e12(I)其中，T12=T2-T1 表示 GRACE-A/B 的相對軌道位置矢量，r:和r2分別表示雙星的絕對軌道位置矢量；e12=r12/|r12|表示由GRACE-A指向GRACE-B的単位矢量。GRACE-A/B的參考星間距離Pi"表示如下
權(quán)利要求
1.一種利用不同軌道傾角衛(wèi)星聯(lián)合反演地球重力場的方法，其特征在于包括如下步驟: 步驟1:采集GRACE雙星的關(guān)鍵載荷數(shù)據(jù)從而獲得雙星測量數(shù)據(jù)，通過GRACE雙星的星載K波段測距儀采集星間距離P 12、星間速度A2和星間加速度A2，通過星載GPS接收機采集雙星軌道位置(h r2)和雙星軌道速度(r1 r2 )，通過星載加速度計獲取作用于雙星的非保守力(fi,f2); 步驟2:通過殘余地心引力差、殘余地球擾動引力差、殘余保守力差和殘余非保守力差對擾動軌道加速度差的影響，建立擾動星間加速度觀測方程，將步驟I中所獲得的雙星測量數(shù)據(jù)代入擾動星間加速度觀測方程，使用最小二乗法反演獲得地球引力位系數(shù)SJM和SIM；步驟3:基于擾動星間加速度觀測方程，利用不同軌道傾角衛(wèi)星的測量數(shù)據(jù)進行地球重力場反演，將反演得到的地球引力位系數(shù)精度進行對比，進而分析不同軌道傾角的GRACE雙星測量數(shù)據(jù)分別對地球引力位帶諧項、扇諧項、田諧項系數(shù)精度的影響； 步驟4:基于不同軌道傾角的雙星測量數(shù)據(jù)聯(lián)合反演地球重力場，其中不同軌道傾角的雙星測量數(shù)據(jù)至少包括ー組89°高軌道傾角的GRACE雙星測量數(shù)據(jù)和另ー組82° 84°低軌道傾角的GRACE雙星測量數(shù)據(jù)。
2.按權(quán)利要求1所述的利用不同軌道傾角衛(wèi)星聯(lián)合反演地球重力場的方法，其特征在于:所述步驟I還包括如下步驟: 利用9階Runge-Kutta線性單步法和12階Adams-Cowell線性多步法數(shù)值模擬公式獲取雙星參考軌道位置(r10.r20)和雙星參考軌道速度(r10.r20 ); 通過參考軌道位置()和參考軌道速度(r10,r20 )計算獲得參考星間距離p120、參考星間速度/^和參考星間加速度p120; 通過DTM2000阻力溫度模型計算獲得參考非保守力(Z10,/,0 ); 通過國際公布模型DE-405、IERS96和CSR4.0聯(lián)合計算獲取作用于雙星的保守力(F1, F2)和參考保守力(F10,)。
3.按權(quán)利要求2所述的利用不同軌道傾角衛(wèi)星聯(lián)合反演地球重力場的方法，其特征在于:所述步驟2具體包括如下步驟: 在地心慣性系中，將GRACE雙星的星間距離P 12表示為 P I2=r12 * e12(I) 其中，T12=T2-T1表示GRACE雙星的相對軌道位置矢量，rj和r2分別表示雙星的絕對軌道位置矢量；e12=r12/ IT121表示GRACE雙星中由GRACE-A指向GRACE-B的單位矢量； 將GRACE雙星的參考星間距離表示為P120=r120.r12⑵ 其中
4.按權(quán)利要求3所述的利用不同軌道傾角衛(wèi)星聯(lián)合反演地球重力場的方法，其特征在于:所述步驟3具體包括如下步驟:基于擾動星間加速度觀測方程，采用GRACE衛(wèi)星公布的關(guān)鍵載荷精度指標:星間速度IX 10_6m/S、軌道位置3X 10_2m、軌道速度3X 10_5m/S、非保守力3X l0.m/s2，利用不同軌道傾角85°、87°和89°衛(wèi)星的測量數(shù)據(jù)反演地球引力位系數(shù)，并將其結(jié)果與德國地學研究中心公布的120階EIGEN-GRACE02S地球重力場模型的引力位系數(shù)的實測精度進行對比；分析不同軌道傾角的GRACE雙星測量數(shù)據(jù)對地球引力位帶諧項系數(shù)精度的影響； 分析不同軌道傾角的GRACE雙星測量數(shù)據(jù)對地球引力位扇諧項系數(shù)精度的影響； 分析不同軌道傾角的GRACE雙星測量數(shù)據(jù)對地球引力位田諧項系數(shù)精度的影響； 分析不同軌道傾角的GRACE雙星測量數(shù)據(jù)對地球引力位帶諧項、扇諧項、田諧項系數(shù)精度的整體影響。
5.按權(quán)利要求4所述的利用 不同軌道傾角衛(wèi)星聯(lián)合反演地球重力場的方法，其特征在于:所述步驟4中的基于不同軌道傾角的雙星測量數(shù)據(jù)聯(lián)合反演大地水準面精度包括如下步驟: 采用兩組GRACE雙星對地球重力場進行測量，兩組GRACE雙星分別采用89 °和O。 89°軌道傾角，兩組GRACE雙星的測量數(shù)據(jù)聯(lián)合反演120階GRACE地球重力場的引力位系數(shù)表示為
6.按權(quán)利要求1-5中任一項所述的利用不同軌道傾角衛(wèi)星聯(lián)合反演地球重力場的方法，其特征在于:所述低軌道傾角的GRACE雙星優(yōu)選采用83°軌道傾角。
7.按權(quán)利要求1-6中任一項所述的利用不同軌道傾角衛(wèi)星聯(lián)合反演地球重力場的方法，其特征在于:所述GRACE雙星為兩組；其中ー組沿高軌道傾角運行，獲得高軌道傾角的雙星測量數(shù)據(jù)；同時另ー組沿低軌道傾角運 行，獲得低軌道傾角的雙星測量數(shù)據(jù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種地球重力場精密測量方法，特別是一種利用不同軌道傾角衛(wèi)星聯(lián)合反演地球重力場的方法；基于擾動星間加速度法，利用GRACE衛(wèi)星K波段測距儀的星間距離、星間速度和星間加速度測量數(shù)據(jù)、GPS接收機的衛(wèi)星軌道位置測量數(shù)據(jù)和衛(wèi)星軌道速度測量數(shù)據(jù)、以及加速度計的非保守力測量數(shù)據(jù)，通過不同軌道傾角衛(wèi)星最優(yōu)組合，進而精確和快速反演地球重力場；該方法衛(wèi)星重力反演精度高，同時敏感于引力位帶諧項和田諧項系數(shù)精度，地球重力場解算速度快，衛(wèi)星觀測方程物理含義明確，計算機性能要求低；因此，不同軌道傾角衛(wèi)星聯(lián)合法是反演高精度和高空間分辨率地球重力場的優(yōu)選方法。
文檔編號G01V7/00GK103091721SQ20131001000
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月10日
發(fā)明者不公告發(fā)明人 申請人:中國科學院測量與地球物理研究所