本發明專利技術涉及一種地球重力場精密測量的方法，特別是一種基于重力梯度誤差模型原理的衛星重力反演方法；通過分析衛星重力梯度垂向張量誤差、水平張量誤差和相關張量誤差對累計大地水準面精度的聯合影響建立新型重力梯度誤差模型，進而精確和快速反演地球重力場；該方法衛星重力梯度反演精度高，地球重力場解算速度快，易于重力梯度衛星系統誤差分析，衛星觀測方程物理含義明確，計算機性能要求低；重力梯度誤差模型法是反演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梯度學、大地測量學、地球物理學、航空航天等交叉
，特別是涉及ー種通過分析衛星重力梯度垂向張量誤差、水平張量誤差和相關張量誤差對累計大地水準面精度的聯合影響建立新型重力梯度誤差模型，進而精確和快速反演地球重力場的方法。
技術介紹
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、地球動力學、海洋學、冰川學、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。不同于GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment)雙星高精度感測地球中長波重力場，歐空局(ESA)提出了專用于地球中短波重力場精密探測的GOCE (GravityField and Steady-State Ocean Circulation Explorer)衛星重力梯度(SGG)計劃。如圖1所示，GOCE衛星已于2009年3月17日成功發射升空，采用近圓(軌道離心率0.001)、極地(軌道傾角96.5° )和太陽同步軌道，經過3年的飛行計劃，軌道高度由250km降為240km。GOCE衛星采用衛星跟蹤衛星高低模式和衛星重力梯度模式的結合(SST-HL/SGG)，除基于高軌道的GPS和GL0NASS衛星對低軌道的GOCE進行精密跟蹤定位(定軌精度1cm)，同時利用定位于衛星質心處的星載重力梯度儀(測量精度3X 10_12/s2)高精度測量衛星軌道高度處引力位的ニ階導數。GOCE采用了非保守カ補償技術(Drag-free)，首先利用重力梯度儀測量由非保守力(大氣阻力、太陽光壓、地球輻射壓、軌道高度和姿態控制力等)引起的衛星質心的線性加速度與衛星平臺的角加速度；最后，結合衛星平臺姿態測量數據，通過無阻尼離子微推進器補償衛星受到的非保守力。由于衛星重力梯度測量數據中的非保守カ效應得到了有效扣除，因此進ー步提高了地球重力場反演的精度和空間分辨率。自20世紀初匈牙利物理學家R.E6tvds設計出第一臺重力梯度儀(R.E6tv6s扭稱)以來，重力梯度儀經歷了從單軸旋轉到三軸定向，從室溫到低溫(低于4.2k)，從扭力、靜電懸浮、超導到冷原子干渉的發展過程，測量精度日益提高。由于地球重力場信號隨衛星軌道高度的増加而急劇衰減(Rノr) S基于分析衛星軌道運動僅適合于確定地球中長波重力場，而衛星重力梯度是直接測定地球引力位的二次微分，其結果將球諧系數放大了 I2倍，因此可有效抑制地球引カ位隨高度的衰減效應，進而高精度感測地球中高頻重力場信號。歐空局獨立研制的GOCE衛星原計劃于2004年6月發射，由于星載三維靜電懸浮重力梯度儀未能達到預期精度指標3 X IO-1Vs2 (單個加速度計的分辨率超過10_13m/s2，較GRACE衛星加速度計分辨率高約3個數量級)以及重力梯度衛星整體系統研制的 困難性，因此距成功發射為止已推遲至少6次之多?；贕OCE衛星重力梯度測量計劃預計于2014年前結束，以及為了進ー步提高地球重力場中短波信號的探測精度，目前國際眾多科研機構正積極推動GOCE Follow-On衛星重力梯度測量計劃的成功實施。我國相關研究機構緊跟國際衛星重力梯度測量的熱點和動態，正積極投身于衛星重力梯度測量計劃的需求論證和載荷預研之中。目前，國內外眾多學者在基于衛星重力梯度技術反演地球重力場的理論和方法等方面已開展了廣泛研究。不同于前人的研究，本專利技術通過分析衛星重力梯度垂向張量誤差、水平張量誤差和相關張量誤差對累計大地水準面精度的聯合影響建立新型重力梯度誤差模型，進而精確和快速反演地球重力場。本專利技術不僅可為我國下一代地球重力場模型的精確建立提供理論基礎和技術保證，同時對衛星重力梯度反演技術的發展方向具有一定借鑒意義。在現有技術中已有通過分析一維垂向分量Vzz和三維全張量Vij重力梯度對累計大地水準面精度的影響，建立衛星重力梯度解析誤差模型，進而精確和快速估計GOCE地球重カ場精度的方法，該方法假設全球均勻分布的重力梯度觀測值有N。個，并假設N。個觀測值的誤差滿足正態分布隨機特性，大量數據的平均可有效降低噪聲，因此地球引力位系數的方差正比于1/X。同時該方法未考慮垂向重力梯度和水平重力梯度之間所存在的較強相關性，未考慮基于相關性重力梯度誤差反演累計大地水準面精度，因此其反演精度仍未達到預期的要求。
技術實現思路
本專利技術的目的是:通過分析衛星重力梯度垂向張量誤差、水平張量誤差和相關張量誤差對累計大地水準面精度的聯合影響，建立新型重力梯度誤差模型，進而精確和快速反演地球重力場。為達到上述目的，本專利技術采用了如下技術方案:一種基于重力梯度誤差模型的衛星重力反演方法，包括如下步驟:步驟1，通過重力梯度衛星的星載重力梯度儀采集衛星重力梯度誤差數據8 Txyz ；步驟2，建立重力梯度誤差模型，具體包括:步驟2.1，在地固系中，將地球擾動位T(r，0 ,A)按球諧函數展開，分別對重力梯度衛星軌道位置矢量r的三個分量x，y，z進行ニ階求導，其中0和\分別表示重力梯度衛星的地心余緯度和地心經度，將地球擾動位T (r，0，入)分別對r，0，A進行ー階求導和ニ階求導；步驟2.2，通過地球擾動位T (r，0，A)分別對x，y，z的ニ階導數和分別對r，0，入ー階導數、ニ階導數以及Legendre函數及其一階導數和ニ階導數得到待求規格化地球引力位系數こ；,和^； 與ー維垂向重力梯度Tzz的關系，將此關系表示為垂向重力梯度公式；步驟2.3，利用所得到的垂向重力梯度公式以及地球引力位系數精度ふ與累計大地水準面精度的關系獲得基于垂向重力梯度誤差數據5 Tzz反演累計大地水準面精度的誤差模型； 步驟2.4，基于球諧函數的正交性，得到待求規格化地球引力位系數ご和$ 與一維水平重力梯度Txx和Tyy的關系，將此關系表示為水平重力梯度公式，利用所得到的水平重カ梯度公式以及地球引力位系數精度ぶふ /m與累計大地水準面精度的關系分別獲得基于水平重力梯度誤差數據S Txx和S Tyy反演累計大地水準面精度的誤差模型；步驟2.5，根據垂向重力梯度Tzz與水平重力梯度Txx和Tyy三者之間的非相互獨立性，聯合垂向重力梯度誤差數據S Tzz反演累計大地水準面精度的誤差模型與水平重力梯度誤差數據S Txx和S Tyy反演累計大地水準面精度的誤差模型，得到基于相關性重力梯度誤差數據S Tz_x_y反演累計大地水準面精度的誤差模型，忽略非對角張量對地球重力場精度的影響，得到基于衛星重力梯度全張量誤差數據S Txyz反演累計大地水準面精度的誤差模型，以此作為重力梯度誤差模型；步驟3，基于所述重力梯度誤差模型反演地球重力場精度，具體包括:步驟3.1，在地球表面繪制網格；其次，按照重力梯度衛星的軌道在地球表面的軌跡點位置依次加入衛星重力梯度誤差數據S Txyz，將分布于地球表面的衛星重力梯度誤差數據S Txyz平均歸算于劃分的網格點STxyz(cK X)處；步驟3.2，將STxyz((K A)按球諧函數展開，得到STxyz((K A)按球諧函數展開的系-Crf7ta,Sd7fe與衛星重力梯度誤差數據在各階處方差之間本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種基于重力梯度誤差模型的衛星重力反演方法，其特征在于包括如下步驟：步驟1，通過重力梯度衛星的星載重力梯度儀采集衛星重力梯度誤差數據δTxyz；步驟2，建立重力梯度誤差模型，具體包括：步驟2.1，在地固系中，將地球擾動位T(r,θ，λ)按球諧函數展開，分別對重力梯度衛星軌道位置矢量r的三個分量x,y,z進行二階求導，其中θ和λ分別表示重力梯度衛星的地心余緯度和地心經度，將地球擾動位T(r,θ，λ)分別對r,θ，λ進行一階求導和二階求導；步驟2.2，通過地球擾動位T(r,θ，λ)分別對x,y,z的二階導數和分別對r,θ，λ一階導數、二階導數以及Legendre函數及其一階導數和二階導數得到待求規格化地球引力位系數和與一維垂向重力梯度Tzz的關系，將此關系表示為垂向重力梯度公式；步驟2.3，利用所得到的垂向重力梯度公式以及地球引力位系數精度與累計大地水準面精度的關系獲得基于垂向重力梯度誤差數據δTzz反演累計大地水準面精度的誤差模型；步驟2.4，基于球諧函數的正交性，得到待求規格化地球引力位系數和與一維水平重力梯度Txx和Tyy的關系，將此關系表示為水平重力梯度公式，利用所得到的水平重力梯度公式以及地球引力位系數精度與累計大地水準面精度的關系分別獲得基于水平重力梯度誤差數據δTxx和δTyy反演累計大地水準面精度的誤差模型；步驟2.5，根據垂向重力梯度Tzz與水平重力梯度Txx和Tyy三者之間的非相互獨立性，聯合垂向重力梯度誤差數據δTzz反演累計大地水準面精度的誤差模型與水平重力梯度誤差數據δTxx和δTyy反演累計大地水準面精度的誤差模型，得到基 于相關性重力梯度誤差數據δTz?x?y反演累計大地水準面精度的誤差模型，忽略非對角張量對地球重力場精度的影響，得到基于衛星重力梯度全張量誤差數據δTxyz反演累計大地水準面精度的誤差模型，以此作為重力梯度誤差模型；步驟3，基于所述重力梯度誤差模型反演地球重力場精度，具體包括：步驟3.1，在地球表面繪制網格；其次，按照重力梯度衛星的軌道在地球表面的軌跡點位置依次加入衛星重力梯度誤差數據δTxyz，將分布于地球表面的衛星重力梯度誤差數據δTxyz平均歸算于劃分的網格點δTxyz(φ，λ)處；步驟3.2，將δTxyz(φ，λ)按球諧函數展開，得到δTxyz(φ，λ)按球諧函數展開的系數與衛星重力梯度誤差數據在各階處方差之間的關系，將衛星重力梯度誤差數據在各階處方差代入所述重力梯度誤差模型進而反演地球重力場。FDA00002763431000011.jpg,FDA00002763431000012.jpg,FDA00002763431000013.jpg,FDA00002763431000014.jpg,FDA00002763431000015.jpg,FDA00002763431000016.jpg,FDA00002763431000021.jpg,FDA00002763431000022.jpg,FDA00002763431000023.jpg...
【技術特征摘要】
1.一種基于重力梯度誤差模型的衛星重力反演方法，其特征在于包括如下步驟: 步驟I，通過重力梯度衛星的星載重力梯度儀采集衛星重力梯度誤差數據8 Txyz ； 步驟2，建立重力梯度誤差模型，具體包括: 步驟2.1，在地固系中，將地球擾動位T(r，0 ,A)按球諧函數展開，分別對重力梯度衛星軌道位置矢量r的三個分量x，y，z進行ニ階求導，其中0和\分別表示重力梯度衛星的地心余緯度和地心經度，將地球擾動位T (r，0，入)分別對r，0，A進行ー階求導和ニ階求導； 步驟2.2,通過地球擾動位T(r, 0 , A )分別對X，y, z的ニ階導數和分別對r, 0 , X —階導數、ニ階導數以及Legendre函數及其一階導數和ニ階導數得到待求規格化地球引力位系數ご/m和與一維垂向重力梯度Tzz的關系，將此關系表示為垂向重力梯度公式； 步驟2.3，利用所得到的垂向重力梯度公式以及地球引力位系數精度5ご與累計大地水準面精度的關系獲得基于垂向重力梯度誤差數據S Tzz反演累計大地水準面精度的誤差模型； 步驟2.4，基于球諧函數的正交性，得到待求規格化地球引力位系數r,和5；與ー維水平重力梯度Txx和Tyy的關系，將此關系表示為水平重力梯度公式，利用所得到的水平重力梯度公式以及地球引力位系數精度5ご/w，ふ與累計大地水準面精度的關系分別獲得基于水平重力梯度誤差數據S Txx和S Tyy反演累計大地水準面精度的誤差模型； 步驟2.5，根據垂向重力梯度Tzz與水平重力梯度Txx和Tyy三者之間的非相互獨立性，聯合垂向重力梯度誤差數據8 Tzz反演累計大地水準面精度的誤差模型與水平重力梯度誤差數據S Txx和S Tyy反演累計大地水準面精度的誤差模型，得到基于相關性重力梯度誤差數據S Tz_x_y反演累計大地水準面精度的誤差模型，忽略非對角張量對地球重力場精度的影響，得到基于衛星重力梯度全張量誤差數據S Txyz反演累計大地水準面精度的誤差模型，以此作為重...
【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：
還沒有人留言評論。發表了對其他瀏覽者有用的留言會獲得科技券。