本發(fā)明專利技術(shù)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(jī)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(jìn)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(xiàng)和田諧項(xiàng)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(jī)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。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及衛(wèi)星大地測量學(xué)、衛(wèi)星重力學(xué)、空間科學(xué)等交叉
，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(jī)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(jìn)而精確和快速反演地球重力場的方法。
技術(shù)介紹
自伽利略于16世紀(jì)末第一次進(jìn)行地球重力場測量以來，國內(nèi)外的許多科研機(jī)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(jìn)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(shí)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(xiàng)創(chuàng)新和突破。它不僅促進(jìn)了大地測量學(xué)本身的發(fā)展，同時帶動了地球物理學(xué)、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(xué)界公認(rèn)為是當(dāng)前地球重力場探測研究中最高效、最經(jīng)濟(jì)和最有發(fā)展?jié)摿Φ姆椒ㄖ唬且驗(yàn)樗炔煌趥鹘y(tǒng)的車載、船載和機(jī)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(xué)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(xiàng)專用于地球重力場中長波精密測量的衛(wèi)星計劃。GRACE編隊(duì)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(shí)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(diǎn)是不僅可達(dá)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(dāng)增大衛(wèi)星的軌道傾角有利于提高地球引力位帶諧項(xiàng)系數(shù)反演的精度，適當(dāng)降低衛(wèi)星的軌道傾角有利于提高地球引力位田諧項(xiàng)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(bǔ)短，進(jìn)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(xué)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(xiàng)系數(shù)的精度，但對地球引力位田諧項(xiàng)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(xiàng)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(bǔ)單組89°軌道傾角衛(wèi)星對地球引力位田諧項(xiàng)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。本專利技術(shù)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(xiàng)、扇諧項(xiàng)和田諧項(xiàng)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(zhǔn)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。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)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(jìn)ー步提高地球重力場反演精度。為達(dá)到上述目的，本專利技術(shù)采用了如下技術(shù)方案:ー種，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(jī)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(jìn)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(jìn)行對比，進(jìn)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(xiàng)、扇諧項(xiàng)、田諧項(xiàng)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(zhǔn)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)。本專利技術(shù)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(diǎn)而設(shè)計的，優(yōu)點(diǎn)是:I)衛(wèi)星重力反演精度高；2)同時敏感于引力位帶諧項(xiàng)和田諧項(xiàng)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(jī)性能要求低。附圖說明圖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(xiàng)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(xiàng)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(xiàng)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(zhǔn)面精度。具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖，對本專利技術(shù)的具體實(shí)施方式作進(jìn)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(diǎn)2和星間加速度/^，通過星載GPS接收機(jī)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(biāo)優(yōu)化設(shè)計論證 地球物理學(xué)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本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
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ρ12、星間速度和星間加速度通過星載GPS接收機(jī)采集雙星軌道位置（r1,r2）和雙星軌道速度通過星載加速度計獲取作用于雙星的非保守力（f1,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1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，使用最小二乘法反演獲得地球引力位系數(shù)和步驟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(jìn)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(jìn)行對比，進(jìn)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(xiàng)、扇諧項(xiàng)、田諧項(xiàng)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)至少包括一組89°高軌道傾角的GRACE雙星測量數(shù)據(jù)和另一組82°~84°低軌道傾角的GRACE雙星測量數(shù)據(jù)。FDA00002725099400011.jpg,FDA00002725099400012.jpg,FDA00002725099400013.jpg,FDA00002725099400014.jpg,FDA00002725099400015.jpg...
【技術(shù)特征摘要】
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(jī)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(jìn)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(jìn)行對比，進(jìn)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(xiàng)、扇諧項(xiàng)、田諧項(xiàng)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=...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：不公告發(fā)明人，
申請(專利權(quán))人：中國科學(xué)院測量與地球物理研究所，
類型：發(fā)明
國別省市：
還沒有人留言評論。發(fā)表了對其他瀏覽者有用的留言會獲得科技券。