GRACE/GOCE扩展重力场模型确定我国1985高程基准重力位的精度分析

高精度高程基准重力位的确定往往依赖于高精度全球重力场模型,其对全球和区域高程基准的高精度统一非常关键,GRACE、GOCE卫星重力计划极大地提高了全球重力场模型中长波的精度.本文首先对GRACE/GOCE卫星重力场模型的内符合和外符合精度进行讨论分析,结果说明卫星重力模型的截断误差影响可达到分米级水平,在确定高程基准重力位时该影响不可忽略.利用EGM2008模型扩展GRACE/GOCE卫星重力场模型至2190阶,可有效减弱卫星重力模型的截断误差影响,但不同模型扩展时的最优拼接阶次不同,其中DIR-1、DIR-5模型对应的最优拼接阶次分别为180阶和220阶,以GPS水准数据检验,扩展模型在中国区域的精度均优于18cm.最后,基于最优拼接阶次获得的扩展重力场模型对我国1985高程基准重力位进行了估计,DIR-5和TIM-5模型对应数值分别为62636853.47m^2·s^-2和62636853.49m^2·s^-2,精度均为1.51m^2·s^-2;发现在中国区域模型大地水准面与GPS/水准数据的差值存在微弱的系统性倾斜,东西向倾斜约为9cm,南北向倾斜约为1.4cm,考虑倾斜改正后基于DIR-5和TIM-5模型估计我国1985高程基准重力位的精度提高了0.16m^2·s^-2.

联合GOCE和GRACE重力场模型位系数的谱组合法

针对GOCE和GRACE在地球重力场反演中的频谱互补性,研究联合GOCE和GRACE重力场模型位系数的谱组合法,给出了基于位系数误差阶方差定权、误差方差定权和块对角误差协方差定权的谱组合计算公式。以GRACE重力场模型ITG-GRACE2010s和GOCE重力场模型GO_CONS_GCF_2_DIR_R1为例进行谱组合法计算。结果表明,三种谱组合方法建立的联合重力场模型精度均优于GRACE或GOCE单独求解的模型的精度,并且它们的整体精度均优于由GOCE和GRACE联合求解的GOCO01S模型的精度;基于块对角误差协方差定权的谱组合法相对最优,它考虑了同次m位系数之间的相关性。

基于谱组合的GRACE／GOCE重力场模型融合处理

本文讨论了谱组合的基本原理，给出了多种类型重力测量数据融合处理的谱权及谱组合的通用表达式；根据位系数的误差阶方差，推导了由GRACE和GOCE数据构建地球重力场模型的谱组合公式及对应谱权的具体形式；采用谱组合法，由tongji—grace01和go—cons—gcf-2-tim—r5模型构建了谱组合模型grace＋goce，并与go—cons—gcf-2-dir—r5模型的精度进行比较。试验结果表明，GRACE数据可以显著改善GOCE数据模型在中长波部分的精度，从而提高谱组合模型的整体精度；与单一卫星数据解算的重力场模型相比，谱组合模型精度明显提升。

融合GOCE和GRACE卫星数据的无约束重力场模型Tongji-GOGR2019S

本文在法方程层面融合GOCE卫星的V xx、V yy、V zz和V xz重力梯度分量观测数据和GRACE卫星观测数据,采用直接法解算了220阶次的重力场模型Tongji-GOGR2019S.首先利用IIR带通滤波器在5~41 mHz的重力梯度带宽范围内对约24个月的GOCE重力梯度观测方程进行无相移滤波处理,并组成解算220阶次重力场模型的法方程,各梯度分量根据相对于参考模型统计精度进行定权;然后与13.5 a GRACE数据建立的180阶次Tongji-Grace02s重力场模型的法方程进行叠加,解算了220阶次的无约束纯卫星重力场模型Tongji-GOGR2019S.利用EIGEN-6C4重力场模型、GNSS/水准数据、DTU15重力异常数据以及欧洲区域似大地水准面模型EGG2015等数据对Tongji-GOGR2019S模型精度进行全面的检核评定,结果表明:引入GOCE卫星梯度数据后,高于72阶的位系数精度优于Tongji-Grace02s模型,Tongji-GOGR2019S模型的整体精度接近同阶次的DIR-R6等GOCE卫星第6代模型.

基于GRACE卫星重力数据确定地球重力场模型WHU-GM-05

基于卫星轨道运动的能量积分方程,可导出利用卫星跟踪卫星数据求解地球重力场的实用公式.本文在Jekeli给出的公式基础上导出了基于能量守恒方程利用两颗低-低卫星跟踪的扰动位差求解重力位系数的严密关系式.基于两颗GRACE卫星的观测数据,采用本文导出的严密能量积分方法求解得到120阶的GRACE地球重力场模型,命名为WHU-GM-05;将WHU-GM-05模型与国际上同类重力场模型EIGEN-GRACE系列和GGM02S分别在阶方差和大地水准面高等方面作了比较,并与美国和中国的部分地区GPS水准观测值进行了精度分析.结果表明基于本文推导的严密双星能量守恒方程得到的WHU-GM-05重力场模型精度与国际上同类重力场模型的精度相当.

基于GRACEKBRR数据的动力积分法反演时变重力场模型

基于动力积分法恢复了一组60阶的时变重力场模型WHU-Grace01s,且在位系数解算过程中仅使用KBRR数据.通过与CSR、GFZ和JPL发布的Release 05模型的阶方差和位系数误差谱对比可知,WHU-Grace01s模型在高阶次部分的阶方差较小,且对轨道共振现象不敏感.将WHU-Grace01s时变重力场模型与CSR、GFZ、JPL、DEOS、Tongji、ITG、AIUB和GRGS等8家机构发布模型通过相同的滤波处理,获得了全球地表质量变化的时空分布,从结果可以看出:各个模型计算的时变信号在空域上分布十分接近,且WHU-Grace01s模型计算的太平洋中心和撒哈拉沙漠区域的质量变化较小;对比几个典型质量变化区域,WHU-Grace01s模型和JPL模型计算的长江流域和珠江流域时变信号呈强相关,其相关系数分别为0.948和0.976,且与上述8个模型计算的两个流域时变信号的相关系数均达到0.9以上;在南极区域和格陵兰岛,WHU-Grace01s模型和其他各个模型均能反映区域冰川质量的积累或消融,且各模型计算获得的长期趋势变化结果相当.研究结果表明,WHU-Grace01s模型和国内外已发布机构模型具有很好的一致性,且受到轨道共振影响较小.

利用先验重力场模型对GOCE卫星重力梯度观测值进行校准分析

GOCE卫星任务搭载了高灵敏度的重力梯度仪,其观测值用于恢复高精度高分辨率的地球重力场。本文利用EIGEN-5C、EGM2008、GOTIM3、GGM03S高精度全球重力场模型,确定了GOCE引力梯度张量的对角分量观测值(Vxx、Vyy、Vzz)的校准参数,分析了比例因子的稳定性,并讨论了相同模型不同阶次、同阶次不同模型以及是否估计漂移参数对比例因子、偏差参数及校准观测值的影响。研究表明比例因子的稳定性在10-4的量级,利用250阶的EIGEN-5C模型和EGM2008模型校准得到观测值的差异小于10-4 E,远远小于观测误差,以1d为周期估计校准参数时,是否估计漂移对校准结果的影响达到0.4E。同时,校准前后观测值差异的频谱说明校准过程主要影响Vxx、Vyy、Vzz观测值的低频部分,即来自先验重力场模型的中低(<150)阶次,考虑到GOCE引力梯度的观测频带,校准后的观测值可用于恢复中高频的重力场信号。

根据人卫激光测距、GRACE和地球物理模型求解地球低阶重力场季节变化

利用2002年4月至2010年10月的Lageos1和Lageos2激光卫星观测数据、GRACE以及地球物理模型3种独立的方法计算地球低阶重力场系数J2的变化ΔJ2,其中大气变化的贡献分别按反变气压计(IB)和非反变气压计(NIB)两种假设进行计算。通过分析ΔJ2的季节特性可得:①在NIB假设下大气质量变化引起的J2变化的周年振幅比其在IB假设下引起的ΔJ2变化的周年振幅大3倍左右,相位相差47°;②大气和陆地水的质量变化对ΔJ2周年变化的贡献占主导地位,海洋的影响较小;③大气、海洋和陆地水质量变化引起ΔJ2半年振幅和相位值与SLR得到的振幅和相位值吻合较差,尤其是在IB假设下大气得到的结果与SLR结果相差更大;④SLR、GRACE和地球物理模型3种独立方法得到的ΔJ2周年项之间吻合相对较好。GRACE得到的周年振幅比SLR得到的周年振幅大50%左右,SLR观测得到的ΔJ2周年振幅介于在NIB和IB两种假设下地球物理模型得到的结果之间,GRACE与SLR得到的ΔJ2半年的振幅相同。

GRACE RL06与RL05时变重力场模型数据初步比较分析

简要介绍CSR、GFZ和JPL机构的GRACE RL06时变重力场模型数据,并对比分析RL06和RL05数据的解算模型。从全球陆地水储量变化反演结果、时变重力场模型阶方差和C 20项时间序列3个方面,对2004-01~2014-11期间RL06和RL05时变重力场模型数据进行对比分析。结果表明,GRACE RL06时变重力场模型数据质量的和精度较RL05有明显提高,其全球陆地水储量变化反演结果去条带噪声效果更好、信噪比更高;在高阶项部分,RL06模型数据的阶方差小于RL05;RL06模型数据的C 20项时间序列幅值变化小于RL05,与SLR所得C 20项数据也更接近。相同条件下,采用CSR RL06模型阶方差最小,利用RL06模型所得全球陆地水储量变化反演结果信噪比值最大。

基于新型能量插值法精确建立GRACE-only地球重力场模型

本文基于新型能量插值法,利用美国喷气推进实验室(JPL)公布的2008年的GRACE-Level-1B实测数据,反演了120阶GRACE地球重力场.首先,由于GPS轨道测量精度相对较低,通过将K波段测距仪高精度的星间距离观测量插值引入双星动能差中,进而建立了新型能量插值卫星观测方程.其次,详细对比分析了2点、4点、6点和8点能量插值观测方程对地球重力场反演精度的影响.研究结果表明:基于最优的信噪比,6点能量插值公式有利于提高120阶GRACE地球重力场的反演精度.最后,基于美国、欧洲和澳大利亚的GPS/水准观测数据检验了本文新建立的WHIGG-GEGM03S地球重力场模型的正确性和有效性.

基于SLR的GRACE卫星定轨中重力场模型对轨道精度的影响

以GRACE卫星为例,分析比较利用SLR观测资料进行卫星定轨时,采用不同重力场模型对GRACE卫星定轨精度的影响;以及重力场截断阶引起的积分轨道差异;同时,将定轨结果与采用GPS确定的定轨结果进行比较,分析与GPS定轨结果的差异。实验证明,重力场模型选择GGM02C的定轨结果优于选择JGM-3的定轨结果,基于SLR的定轨结果与采用GPS确定的定轨结果差异量级为米级。

GOCE卫星测量恢复地球重力场模型的理论与方法

研究GOCE卫星测量恢复地球重力场模型的理论与方法。论文的主要工作和创新点有： （1）建立扰动重力梯度张量各分量没有奇异性的详细计算模型,解决重力梯度张量Txx分量在两极地区计算的奇异性难题。

利用GOCE卫星轨道数据恢复地球重力场模型的方法

欧空局早期公布的时域法和空域法解算的GOCE模型均采用能量守恒法处理轨道数据,但恢复的长波重力场信号精度较低,而且GOCE卫星在两极存在数据空白,利用其观测数据恢复重力场模型是一个不适定问题,导致解算的模型带谐项精度较低,需进行正则化处理。本文分析了基于轨道数据恢复重力场模型的方法用于处理GOCE数据的精度,对最优正则化方法和参数的选择进行了研究。利用GOCE卫星2009-11-01—2010-01-31共92d的精密轨道数据,采用不依赖先验信息的能量守恒法、短弧积分法和平均加速度法恢复GOCE重力场模型,利用Tikhonov正则化技术处理病态问题。结果表明,平均加速度法恢复模型的精度最高,能量守恒法的精度最低,短弧积分法的精度稍差于平均加速度法。未来联合处理轨道和梯度数据时,建议采用平均加速度法或短弧积分法处理轨道数据,并且轨道数据可有效恢复120阶次左右的模型。Kaula正则化和SOT处理GOCE病态问题的效果最好,并且两者对应的最优正则化参数基本一致,但利用正则化技术不能完全抑制极空白问题的影响,需要联合GRACE等其他数据才能获得理想的结果。

应用GRACE卫星星历数据反演地球重力场模型

讨论了基于GRACE卫星星历数据反演地球重力场模型的动力学法,给出了综合考虑估计加速度计尺度、偏差和卫星初始位置的算法。利用26天GRACE卫星精密轨道数据和加速度计数据解算出直到36阶次的地球重力场模型GRACE01S_OR。采用不同模型位系数差的阶方差和不同模型所表示的大地水准面的差值的方法对该模型进行了外部检核。结果表明:该模型的精度优于相同阶次的EGM96模型和EIGEN2模型,而与同阶次的CHAMP03S和CG01C模型的精度非常接近。

利用平均加速度法恢复GOCE地球重力场模型

将非保守力残余加速度参数作为未知参数与位系数整体求解，利用GOCE卫星2009—11-01--2010-01—31日的精密轨道数据，基于平均加速度法恢复了120阶次的重力场模型GOCE—AAA01S。结果表明：利用12阶多项式解算的模型精度最高，并且阶数的增加或减少均会降低恢复的重力场模型的精度；在120阶次的大地水准面误差约为±6．8em，在6～120阶次内GOCE—AAA01S的精度优于EIGEN．CHAMP03S，在102阶次以后GOCE—AAA01S的精度低于EGM96。文中未考虑极空白的影响，所恢复的重力场模型位系数的带谐项精度偏低。

基于GOCE卫星数据的重力场模型比较研究

从重力场模型的大地水准面起伏误差阶方差以及位系数差阶方差角度,对近几年已经公布的基于GOCE卫星数据建立的重力场模型的精度进行分析。结果显示：1）GO_CONS_GCF_2_TIM_R3、GO_CONS_GCF_2_DIR_R2、GO_CONS_GCF_2_SPW_R2等GOCE-only模型在150~180阶之间每阶的精度较ITG-GRACE2010S等GRACE-only模型提高了一个数量级;2）基于直接法解算的重力场模型精度最高,时域法次之,空域法最低;3）目前,GOCE卫星恢复地球重力场模型的最大能力为250阶次,在250阶处的累计大地水准面精度约为14.7 cm。

GRACE离散时变重力场的大尺度动态变化模型构建分析

针对GRACE月时变重力场的离散球谐系数,提出联合经验正交函数分解和多通道奇异谱分析的方法,在有效实现空间维数压缩和条带噪声去除的同时,提取、分析其动态变化特征并构建相应的变化模型。结果表明,GRACE离散球谐系数存在显著的周年项和长期趋势项变化成分,其中,周年项模态的方差贡献达到50.6%,扣除周年项成分后长期趋势项的累积方差贡献达到77.4%。以长期趋势项和周年项成分构建的非线性模型能较好地反映离散球谐系数及其反演结果的动态变化特征,其对全球陆表等效水柱高的拟合标准差介于0.3～14.0cm,平均标准差为1.8cm。研究结果可为分析地球重力场各参量变化特征及地球动力学变化提供重要参考。

利用GOCE卫星观测数据反演地球重力场模型

利用GOCE卫星约6个月的重力梯度数据和约1a的几何轨道数据,联合解算250阶次的地球重力场模型TJGOCE01。GOCE重力梯度数据的低频误差采用ⅡR数字滤波器处理,粗差采用阀值法和移动窗口阀值法组合探测与剔除。直接在梯度仪坐标系中建立GOCE卫星的重力梯度观测方程,采用改进的短弧边值法建立几何轨道观测方程。两类观测值的权根据其先验精度确定,采用Kaula规则约束的正则化方法解算法方程。解算的TJGOCE01模型相对于EIGEN6C2模型在250阶次的大地水准面误差和大地水准面累积误差分别为19.4mm和177.9mm。北美地区GPS水准观测数据的检验结果表明,TJGOCE01模型的中误差为0.544m,略优于欧空局公布的同阶次的第二代时域法和空域法解算的GOCE重力场模型。

GOCE重力场模型的精度评估

从累积大地水准面误差、几何水准面与重力水准面之差、不同频段重力场模型的组合3个方面,评估了欧空局发布的时域法、空域法、直接法3个模型的精度。频谱分析和北美实测GPS/水准结果表明,第4代直接法模型精度达到"空间分辨率100km情况下,大地水准面精度±1cm"的设计要求;直接法模型精度高于时域法模型和空域法模型;GOCE数据能有效地提高重力场中频、甚至高频信号的精度。

利用Wenzel加权谱组合法拓展GOCE重力场模型

根据GOCE和EGM08重力场模型的频谱互补性,利用Wenzel加权谱组合法构建了GOCE和EGM08的组合重力场模型。累积大地水准面误差表明,组合重力场模型具有明显的优势。美国实测GPS/水准检验结果表明,Dir4+EGM08的组合模型精度最高,比EGM08模型精度提高了8%。