不同指向模式下星载冷原子梯度仪对重力场解算精度的影响

冷原子干涉测量技术(CAI, Cold-Atom Interferometry)的发展为未来卫星重力梯度测量任务提供了新的测量思路.目前基于该任务概念的模拟研究均基于单一的观测指向模式对CAI梯度仪的对地观测能力进行论证.本文在GOCE卫星任务背景下,通过数值闭环模拟评估了CAI梯度仪在近地指向和惯性指向模式下对重力场观测影响.实验结果表明:在近地指向观测模式下,CAI梯度仪受卫星旋转角速度的影响,重力场解算的精度仅在50阶以内优于GOCE卫星的模拟结果.若当卫星搭载轨道旋转补偿系统时可以有效地减弱卫星旋转对CAI梯度仪的影响,进而提高重力场模型的解算精度.梯度张量主对角线三分量的联合解算精度在全频段内都要优于GOCE卫星相应分量的结果,精度可提高1.5~6倍.在惯性指向观测模式下且仅考虑卫星残余角速度的影响时,CAI梯度仪的解算结果在30阶以后比GOCE卫星所搭载的GRADIO梯度仪的精度低.而在综合考虑卫星残余角速度和卫星轨道面旋转后,解算得到的重力场在100阶以内优于GOCE卫星解算精度.进一步比较两种指向模式下分别基于单轴、双轴和三轴观测的结果可以发现,三轴观测时两种指向模式的解算精度相当,在所有阶次上都要优于GRADIO梯度仪的结果.但基于单轴进行观测时,近地指向模式下V_(zz)分量的精度更高,而对于双轴观测的情况,惯性指向下的组合(V_(xx)+V_(zz)和V_(yy)+V_(zz))解算精度更高.本研究通过对不同指向模式下CAI梯度仪对地观测影响的分析,可为基于CAI梯度仪的新型空间量子-地球重力场测量任务提供相应的参考.

地球科学和深空探测的引力场建模理论研究进展

不规则天体引力场建模是当前地球科学和深空探测研究领域面对的共同难题.本文梳理了这两个领域中引力场建模理论的发展历程以及近10年研究进展,重点介绍引力场多极展开理论和引力场势流模拟理论.引力场多极展开理论将电磁学和量子力学中常用的复变函数公式体系引入引力场研究领域,比实变函数公式体系更简洁地表述天体(内外部)引力场结构;通过充分利用复变函数运算规则,能直观有效解决与引力场相关的天体动力学问题.引力场势流模拟理论利用天体外部引力矢量和势流速度矢量的等价性(即两者都是无源无旋矢量场),将计算流体动力学数值计算方法引入引力场建模领域,通过求解势流速度场实现天体外部引力场建模;此理论不依赖于扰动理论,能有效克服常规方法在反演不规则天体引力场过程中存在的“解发散”问题.这两种引力场建模理论的共同创新性在于通过将其它领域中看似不相关的数学理论引入到本领域,实现本领域的问题求解和理论推进,对后续理论研究起到一定借鉴意义.此外,本文根据天体引力场的定义公式及其变体形式,对地球科学和深空探测领域已有的引力场建模理论研究进行分类、对比和分析,总结各自优缺点,对相关学者选用合适引力场建模方法提供有益参考.

基于GRACE-FO的微波与激光星间测距数据的重力场模型对比分析

为分析GRACE-FO微波测距系统KBR及激光干涉测距系统LRI对时变重力场结果的影响,以动力学方法为基础,分别采用KBR数据和LRI数据反演2019-01~2021-08的90阶无约束时变重力场模型APM_KBR和APM_LRI,并进行对比分析。从重力场模型阶方差和等效水柱高的空间分布来看,在两类测距数据完整且质量较好的前提下,两者精度处于同一水平,而当发生较多月卫星机动或其他卫星事件时会使LRI数据缺失,从而导致APM_LRI模型在该月得到的等效水柱高时间序列信噪比略低。由后验残差结果可知,APM_LRI后验残差RMS比APM_KBR减少约50%,且在高频处(大于等于60 CPR)LRI的后验残差显著低于KBR。总体来说,在现有条件下,由于背景场模型等其他因素影响,两类测距数据反演重力场的阶方差和等效水柱高结果基本一致,但后验残差上LRI测距具有更低的噪声。因此,未来可直接使用LRI测距数据探测、分析较弱的地球物理信号。