不同插值法对下一代卫星重力反演精度的影响

开展了下一代GRACE Follow-On卫星重力反演的研究论证。第一,基于6点Lagrange和Taylor星间速度插值法,利用轨道参数(轨道高度250 km、星间距离50 km、轨道倾角89°、轨道离心率0.001)和关键载荷匹配精度(激光干涉测距系统的星间速度10-7m/s、GPS接收机的卫星位置10-3m和速度10-6m/s、加速度计的非保守力10-11m/s2),精确和快速反演了下一代GRACE Follow-On地球重力场;在120阶处,累计大地水准面精度分别为1.53×10-3m和2.51×10-3m。第二,基于6点Lagrange星间速度插值法反演下一代GRACE Follow-On地球重力场精度较基于6点Taylor星间速度插值法的反演精度平均提高2倍,因此Lagrange星间速度插值法对地球重力场反演精度的敏感性优于Taylor星间速度插值法。

动力学法的卫星重力反演算法特点与改进设想

根据卫星轨道计算的积分公式,导出了以参考轨道为初值的线性化解算地球重力场的观测方程,给出了其系数矩阵的积分计算公式,阐明了动力学法本质上是观测值相对于参考轨道的线性摄动方法,因此其变分方程力模型参数的偏导数初值必定为0。在此公式的基础上,分析了动力学法观测方程的主要特点,即线性化误差随轨道弧段增长而快速增大,其观测方程的性质也随弧段增长而变差,且积分计算误差将是下一代重力卫星数据处理的重要瓶颈问题。提出了进一步提高动力学法重力反演精度的方法,主要归结为:改进以几何轨道为初值的线性化方法以减小线性化误差,改变参数化方式以改善观测方程的性质,综合应用解析公式与数值积分公式以提高轨道计算精度。

基于GRACE Follow-On卫星重力梯度法精确反演地球重力场

由于GRACE Follow-On双星系统等效于基线长为星间距离的一维水平重力梯度仪，因此本文基于GRACE Follow—On卫星重力梯度法开展了精确和快速反演下一代地球重力场的可行性论证研究．研究结果表明：第一，基于GRACE Follow-On卫星重力梯度法（GFO-SGGM），利用卫星轨道参数（轨道高度250km、星间距离50km、轨道倾角89°、轨道离心率0．001）、关键载荷测量精度（星间距离10^-6m、星间速度10^-7m·s^-1、星间加速度10^-10 m·s^-2、轨道位置10^-3m、轨道速度10^-6m·s^-1、非保守力10^-11 m·s^-2）、观测时间30天和采样间隔10s反演了120阶地球重力场，在120阶处累计大地水准面精度为9．331×10^-4m．第二，在120阶内，利用将来GRACE Follow—On双星反演地球重力场精度较现有GRACE双星平均提高61倍，因此GRACE Follow-On卫星重力梯度法是进一步提高地球重力场反演精度的优选方法．第三，下一代GRACE Follow—On计划较当前GRACE计划的优点如下：轨道高度更低（200-300km）、载荷精度更高（10^-7～10^-9m·s^-1）和星间距离更短（50--100km）．

基于下一代四星转轮式编队系统精确和快速反演FSCF地球重力场

第一,由于重力卫星编队轨道的稳定性设计是建立下一代高精度和高空间分辨率地球重力场模型的关键,因此为保证下一代四星转轮式编队系统的稳定性,轨道根数的最优设计如下:(1)轨道半长轴a、轨道偏心率e、轨道倾角i和升交点赤经Ω保持不变;(2)每对卫星的近地点幅角ω和平近点角M分别相差180°;(3)初始近地点辐角ω设置于赤道处,初始平近点角M设计于极点处;(4)卫星编队系统椭圆轨道的半长轴和半短轴之比为2∶1.第二,基于下一代四星转轮式编队系统,利用星间速度插值法,通过相关系数(激光干涉测量系统的星间速度0.85、GPS接收机的轨道位置和轨道速度0.95、星载加速度计的非保守力0.90)、观测时间30天和采样间隔10s,反演了120阶FSCF-1/2/3/4(Four-Satellite Cartwheel Formation)地球重力场,在120阶处累计大地水准面精度为1.162×10-4 m,较目前GRACE地球重力场精度至少提高一个数量级.第三,下一代四星转轮式编队系统具有低轨道高度、高精度测量、全张量观测、弱混频效应和强时变信号的优点.

基于残余星间速度法精确和快速反演下一代GRACE Follow-On地球重力场

基于新型残余星间速度法(RIRM)反演了120阶GRACE Follow-On地球重力场.第一,由于GPS定轨精度相对较低,通过将激光干涉测距仪的高精度残余星间速度(测量精度10-7 m·s-1)引入残余轨道速度差分矢量的视线分量构建了新型RIRM观测方程.第二,基于2点、4点、6点和8点RIRM公式对比论证了最优的插值点数.如果相关系数和采样间隔一定,随着插值点数的增加,卫星观测值的信号量被有效加强,而卫星观测值的误差量也同时增加.因此,6点RIRM公式是提高下一代地球重力场精度的较优选择.第三,相关系数对地球重力场精度的影响在不同频段表现为不同特性.随着相关系数的逐渐增大,地球长波重力场精度逐渐降低,而地球中长波重力场精度逐渐升高.第四,基于6点RIRM公式,通过30天观测数据和采样间隔5s,分别利用星间速度和残余星间速度观测值,在120阶次处反演下一代GRACE Follow-On累计大地水准面精度为1.638×10-3 m和1.396×10-3 m.研究结果表明:(1)残余星间速度观测量较星间速度对地球重力场反演精度更敏感;(2)GRACE FollowOn地球重力场精度较GRACE至少高10倍.

我国将来更高精度CSGM卫星重力测量计划研究

基于卫星跟踪模式的优化选取、关键载荷的优化组合、轨道参数的优化设计、仿真模拟的先期启动和反演方法的优化改进，开展了我国将来CSGM（China’SSatellite Gravity Mission）卫星重力测量计划实施的研究论证。由于卫星跟踪卫星高低／低低（SST-HL／LL）模式对地球中长波重力场的探测精度较高、技术要求相对较低，而且可借鉴当前GRACE卫星的成功经验，因此建议将来CSGM卫星重力测量计划采用SST-HL／LL模式；建议开展激光干涉星问测距仪、复合GPS接收机、非保守力补偿系统、卫星体和加速度计质心调节装置等关键载荷的先期研制；建议将来CSGM卫星的轨道高度（300～400km）和星间距离（100±50km）选择在已有重力卫星的测量盲区；建议将仿真技术应用于CSGM卫星的方案论证、系统设计、部件研制、产品检验、空中使用、故障分析等研发和运行的全过程；对比分析了卫星轨道摄动法、动力学法、能量守恒法和加速度法的优缺点，建议寻求新型、高精度、高效率和全频段的卫星重力反演方法；提出将来CSGM卫星重力测量计划的预期科学目标：在300阶处，累计大地水准面精度和累计重力异常精度分别为1～5cm和1～5mGal。

联合串行式和钟摆式卫星编队精确建立下一代HIP-3S地球重力场模型

第一,基于扰动星间距离观测量对地球重力场反演精度的敏感性优于星间距离观测值的特性,本文构建了新型扰动星间距离法(DIRM).第二,有效检验了下一代HIP-3S编队的轨道稳定性,结果表明:HIP-3S编队较稳定,有利于提高地球重力场反演精度.第三,基于扰动星间距离法,分别利用当前GRACE-2S串行式双星编队和下一代HIP-3S复合式三星编队精确反演了120阶地球重力场,在120阶处累计大地水准面精度为2.271×10^(-1)m和1.923×10^(-3)m,结果表明:HIP-3S复合式三星编队有利于建立下一代高精度和高空间分辨率的地球重力场模型.

地球卫星重力场模型及其应用研究进展

在简述地球重力场模型发展历程的基础上,对地球卫星重力场模型及其应用的研究进展进行综述。回顾了卫星重力测量技术的发展历程,并对CHAMP、GRACE、GOCE和GRACE-FO任务进行了详细介绍;阐述了目前主要的卫星重力反演方法及其改进现状;介绍了目前国际上主要机构反演的地球卫星重力模型,并分别对CHAMP-Only、GRACE-Only和GOCE-Only的系列模型进行对比分析;综述了地球卫星时变重力场模型的应用研究进展;对钱学森空间技术实验室天空海一体化导航与探测团队在地球卫星重力场模型及其应用的研究进展进行了概述;最后,对未来地球卫星重力场模型研究进行了展望,提出了研究建议。

青藏高原大尺度地表流体的重力效应特征分析

基于2002~2017年三维大气再分析模型、水文模式及GRACE卫星重力数据,采用负荷格林函数和卫星重力反演方法分析青藏高原大尺度地表流体的重力效应特征。结果表明,青藏高原地区大气扣除季节项前后的重力效应峰对峰变化介于1.9~10.7μGal和1.1~4.6μGal,其负荷效应呈现出显著的季节性特征;土壤水和积雪扣除季节项前后的重力效应峰对峰变化介于0.9~9.9μGal和0.7~8.3μGal,其负荷效应呈现出显著的季节性和年际变化特征;GRACE时变重力场扣除季节项前后的重力变化峰对峰变化介于4.4~24.1μGal和3.4~18.3μGal,考虑观测误差、构造运动和信号泄漏误差的影响,其显著的季节性和年际变化反映了多种地表流体的综合影响。

利用GRACE反演昆士兰州地下水储量变化

昆士兰州作为澳大利亚的第二大州,开展针对该地区地下水储量变化的监测与分析对当地生态环境与用水管理政策制定具有重要现实意义.利用德克萨斯大学空间研究中心(CSR)发布的重力反演与气候实验卫星(GRACE)时变重力场模型与全球陆地数据同化系统(GL-DAS)地表同化模型,对昆士兰州地下水储量时空变化进行监测分析,并与实测水井数据和全球降水气候学项目(GPCP)降雨资料进行验证分析.研究结果表明:时间上昆士兰州地下水在2003—2015年约以1.3±0.09cm/a的速率递增,空间上呈现东增西减的显著空间差异;与GPCP降雨资料对比发现,降雨是影响地下水储量变化的主要因素;与水井实测数据对比发现地下反演结果与水井水位变化趋势基本一致.