基于載荷誤差分析原理的衛星重力反演方法技術

本發明專利技術涉及一種精密測量地球重力場的方法，特別是一種基于載荷誤差分析原理精確建立K波段測距儀的星間距離誤差、GPS接收機的衛星軌道位置誤差和軌道速度誤差、以及星載加速度計的非保守力誤差聯合影響累計大地水準面精度的誤差模型，進而精確和快速反演地球重力場的方法；該方法地球重力場反演精度高，保證計算精度的前提下有效提高反演速度，衛星重力反演過程簡單，計算機性能要求低，衛星觀測方程物理含義明確；基于載荷誤差分析原理的衛星重力反演方法是計算高精度和高空間分辨率地球重力場的有效方法。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及衛星重力學、空間大地測量學、航空航天等交叉
，特別是涉及一種基于載荷誤差分析原理精確和快速反演地球重力場的方法。ニ
技術介紹
21 世紀是人類利用 SST-HL/LL (Satel I ite-to-Satel Iite Tracking in theHigh-Low/Low-Low Mode)和 SGG (Satellite Gravity Gradiometry)提升對數字地球認知能力的新紀元。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、地球物理學、地震學、海洋學、空間科學、國防建設等的需求，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。GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment)雙星米用近圓和近極地軌道設計，由美國宇航局(NASA)和德國航天局(DLR)共同研制開發。GRACE利用K波段測距儀高精度測量星間距離，利用高軌GPS (Global Positioning System)衛星對低軌雙星精密跟蹤定位，利用高精度SuperSTAR加速度計測量作用于雙星的非保守力。GRACE系統既包含兩組SST-HL，同時以差分原理測定兩個低軌衛星之間的相互運動，因此得到的靜態和動態全球重力場精度比CHAMP (Challenging Minisatellite Payload)至少高一個數量級，同時為將來 GOCE (Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer)衛星重力梯度測量奠定了堅實基礎。早在20世紀60年代，Baker首次提出了利用SST恢復地球重力場的重要思想。自此以后，國際大地測量學界的許多學者都積極投身于地球重力場恢復的方法與算法的理論研究和數值計算之中。在眾多方法中，按照衛星觀測方程的建立和求解的不同可分為解析法和數值法。解析法是指通過分析地球重力場和衛星觀測數據的關系建立衛星觀測方程模型，進而估計地球重力場的精度。解析法的優點是衛星觀測方程物理含義明確，易于誤差分析且可快速求解高階地球重力場；缺點是由于在建立衛星觀測方程模型時作了不同程度的近似，因此求解精度較低。數值法是指通過分析地球引力位系數和衛星觀測數據的關系建立衛星觀測方程，并通過最小二乗法擬合出地球引力位系數。數值法的優點是地球重力場求解精度較高；缺點是求解速度較慢且對計算機要求較高。不同于以前的技術，本專利技術基于載荷誤差分析法建立了 K波段測距儀的星間距離、GPS接收機的軌道位置和軌道速度、以及加速度計的非保守力誤差聯合影響累積大地水準面的誤差模型，基于關鍵載荷精度指標的匹配關系論證了誤差模型的可靠性，基于美國宇航局噴氣推進實驗室(NASA-JPL)公布的2009年的GRACE-Level-1B實測誤差數據，有效和快速地反演了 120階GRACE地球重力場精度。
技術實現思路
本專利技術的目的是:基于載荷誤差分析法較大程度優化地球重力場反演速度，而且進一步提聞地球重力場反演精度。為達到上述目的，本專利技術采用了如下技術方案:包含下列步驟:步驟ー:衛星關鍵載荷數據采集1.1)通過星載K波段測距儀獲取星間距離誤差數據δρ12 ;1.2)通過星載GPS接收機獲取軌道位置誤差數據δr和軌道速度誤差數據δr盧;1.3)通過星載加速度計獲取非保守カ誤差數據δf ；步驟ニ:關鍵載荷誤差模型建立2.DK波段測距儀的星間距離誤差模型基于能量守恒定律，衛星觀測方程可表示為本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于載荷誤差分析原理的衛星重力反演方法，包含下列步驟：步驟一：衛星關鍵載荷數據采集1.1）通過星載K波段測距儀獲取星間距離誤差數據δρ12；1.2）通過星載GPS接收機獲取軌道位置誤差數據δr和軌道速度誤差數據1.3）通過星載加速度計獲取非保守力誤差數據δf；步驟二：關鍵載荷誤差模型建立2.1）K波段測距儀的星間距離誤差模型基于能量守恒定律，衛星觀測方程可表示為12r·2=V+C---(1)其中，表示衛星的瞬時速度，表示衛星的平均速度，GM表示地球質量M和萬有引力常數G之積，r表示由衛星質心到地心之間的距離，表示由地球擾動位引起的速度變化；V=V0+T表示地球引力位，V0表示中心引力位，T表示擾動位；C表示能量積分常數；公式（1）可變形為12(r·0+Δr·)2=V0+T+C---(2)由于忽略二階小量且公式（2）可變形為T=r·0Δr·---(3)擾動位方差和速度變化方差的關系為σ2(δT)=r·02σ2(δr·)---(4)表示K波段測距儀的星間速度，表示星間速度的變化量；星間速度的方差表示為σ2(δρ·12)≈2[σ2(δr·)-cov(Δr·1,Δr·2)]---(5)其中，表示協方差函數，cov(Δr·1,Δr·2)=Σl=2Lσl2(δr·)Pl(cosθ),Pl(cosθ)表示Legendre函數，l表示階數，θ表示地心角；公式（5）可變形為σl2(δρ·12)≈2σl2(δr·)[1-Pl(cosθ)]---(6)由于因此，公式（6）可表示為σl2(δρ12)≈2(Δt)2σl2(δr·)[1-Pl(cosθ)]---(7)其中，δρ12表示K波段測距儀的星間距離誤差，Δt表示采樣間隔；地球擾動位T(r,φ，λ)表示為T(r,φ,λ)=GMrΣl=2LΣm=0l[(Rer)l(Clmcosmλ+Slmsinmλ)P‾lm(sinφ)]---(8)其中，φ表示地心緯度，λ表示地心經度，Re表示地球的平均半徑，L表示地球擾動位按球函數展開的最大階數；表示規格化的Legendre函數，m表示次數；Clm,Slm表示待求的規格化地球引力位系數；地球擾動位的方差表示為σl2(δT)=Σm=0l[14π∫∫δT(r,φ,λ)Y‾lm(φ,λ)cosφdφdλ]2---(9)其中，Y‾lm(φ,λ)=P‾l|m|(sinφ)Qm(λ),Qm(λ)=cosmλm≥0sin|m|λm<0;基于球諧函數的正交性，公式（9）可化簡為σl2(δT)=(GMRe)2(Rer)2l+2Σm=0l(δClm2+δSlm2)---(10)其中，δClm,δSlm表示地球引力位系數精度；大地水準面高的方差為σl2(δNρ12)=Re2Σm=0l(δClm2+δSlm2)---(11)聯合公式（10）和公式（11），可得和的關系式σl2(δNρ12)=Re2(ReGM)2(rRe)2l+2σl2(δT)---(12)聯合公式（4）...

【技術特征摘要】
1.一種基于載荷誤差分析原理的衛星重力反演方法，包含下列步驟: 步驟ー:衛星關鍵載荷數據采集 1.1)通過星載K波段測距儀獲取星間距離誤差數據S p 12 ;1.2)通過星載GPS接收機獲取軌道位置誤差數...

【專利技術屬性】
技術研發人員：不公告發明人，
申請(專利權)人：中國科學院測量與地球物理研究所，
類型：發明
國別省市：