星载加速度计频域噪声对时变重力场反演的影响研究

星载加速度计是低低卫星跟踪卫星测量的核心载荷之一,其观测噪声受仪器本身和观测环境的综合影响.本文综合考虑加速度计仪器的研制能力和观测环境,系统分析了不同频率特性的加速度计噪声对时变重力场反演精度的影响.首先,下一代重力卫星推行的加速度计频域噪声明显小于GRACE卫星搭载的加速度计,但受限于背景力模型误差的影响,其反演重力场模型精度的提升幅度小于2%.其次,受卫星飞行过程中温度和磁场等周期性变化的影响,加速度计观测数据中存在固定频率的音调误差,在同类型、大小的音调误差下,径向和沿轨方向的音调误差对重力场精度的影响显著,而法向方向影响较小;以能否提取空域内的时变信号为限制条件,径向和沿轨方向的音调误差应小于10-8m·s^(-2),而法向方向可放宽至10-7m·s^(-2);为了削弱时变重力场模型南北条带误差的影响,应该约束加速度计高频音调误差的影响.最后,探讨了三轴敏感加速度计对重力场反演精度的潜在贡献,由于重力场反演精度与加速度计法方向观测精度的响应关系相对较弱,三轴敏感加速度计仅能提升约2%的重力场反演精度.研究结果表明,由于加速度计频域噪声与重力场反演精度存在复杂的响应关系,在重力卫星研制或观测数据处理过程中,不能仅仅考虑加速度计的噪声水平,还应该充分考虑加速度计在频域内各类噪声特性的影响.

基于航空重力梯度数据重建高分辨率局部重力场的径向基函数方法

基于径向基函数技术,研究了利用航空重力梯度数据重建局部重力场模型的方法,建立了泊松小波径向基函数和航空重力梯度张量之间的解析关系.以频率域变换和等效源方法为例讨论了不同梯度分量转换方法对重力场建模的影响,分析了基函数埋深深度对建模的影响.以澳大利亚珀斯Kauring试验场为例,采用实测航空重力梯度垂直分量构建了高分辨率重力场模型.结果表明,局部地形扰动对建模的影响较大,即使在平原或丘陵区域,也要考虑其影响.此外,不同梯度分量转换方法对于区域重力异常恢复的影响较小.再者,基函数埋深深度对建模影响较大;相比于采用重力数据建模而言,基于航空重力梯度数据求解时,基函数的适宜埋深深度更浅.联合航空重力梯度数据求解能显著提高重力场模型在高频和甚高频波段的分辨率和精度.与实测航空重力数据对比表明,利用航空重力梯度数据可构建分辨率约为0.15 km、精度优于1 mGal的重力场模型.

极地冰盖粒雪密实化过程的研究进展

粒雪密实化过程在冰川物质平衡监测和冰芯古气候记录分析等冰川学研究中具有重要作用,近年来国内外学者在极地冰盖开展了大量工作并建立出一系列粒雪密实化模型。本文将典型的极地冰盖粒雪密实化模型分为经验模型(包括半经验模型)和物理模型两大类,综合分析和讨论了两类模型的建模机理、发展现状及不足之处。经验模型关注粒雪柱在密实化过程中的宏观演变,利用实测的粒雪深度-密度数据建立密实化速率方程。目前,该类模型主要研究了温度、积累率、融水渗透和再冻结过程对密实化速率的影响。物理模型聚焦于粒雪晶粒在密实化过程中的微观结构变化,利用晶界滑移、幂律蠕变和晶格扩散等物理机制解释晶粒的生长变形过程。目前,新雪-粒雪转化过程的研究主要基于晶界滑移理论,粒雪-冰川冰转化过程的研究主要基于球形粉末的压力烧结理论。总体而言,极地冰盖粒雪密实化过程的研究在过去几十年取得了长足的发展,但由于粒雪微观结构及其与宏观演变联系的认知匮乏,经验模型缺乏完善的湿粒雪密实化理论,且将稳态假设直接推广到瞬态情景存在一定问题;物理模型由于粒雪密实化的物理机制尚不明确,难以精确刻画粒雪演变的整个物理过程。

利用卫星跟踪卫星观测数据确定时变重力场球谐解的发展趋势

时变重力场综合反映了地球内部及表层物质的迁移特性,在地球科学领域应用广泛. 21世纪以来,多个重力卫星相继成功发射,为实现全球时变重力场连续监测提供了数据支撑.利用重力卫星观测数据建立高精度时变重力场模型,是开展时变重力场相关科学应用的重要前提.自重力卫星计划提出以来,国内外学者致力于卫星时变重力场建模理论及方法的研究,随着观测数据的精化和解算方法的改进,时变重力场模型的精度水平得以显著提升.本文总结了近几十年来利用卫星跟踪卫星数据建立时变重力场球谐解的研究进展,重点围绕低低卫星跟踪卫星进行展开,包括建模基本原理和模型解算方法、观测数据的优化、背景摄动力模型的精化、解算方法的改进等,并给出了近年来尝试利用高低卫星跟踪卫星确定时变重力场的研究进展,最后探讨了下一代重力卫星计划的发展趋势,可为我国自主重力卫星数据处理和模型构建提供参考.

精密重力测量研究设施建设进展

精密重力测量研究设施(PGMF)是“十二五”期间国家优先支持的16项重大科技基础设施建设项目之一.该设施以具备全球毫伽级、基准微伽级的重力数据获取、评估与应用能力为目标,着力建成国际一流、综合指标国际领先的研究设施,并使之发展成为具有国际影响力的重力测量科学中心.本研究综述了PGMF的总体建设进展,重点介绍了工艺平台建设过程中取得的代表性成果,包括万有引力常数G的精确测量、高精度基准型冷原子重力仪、空间惯性传感器、地球重力场精细建模等.

利用重力梯度估计海底地形

利用重力异常估计海底地形目前是获取全球海底地形的主要方法。论文对利用重力梯度(在短波波段它比重力异常对地形更加敏感)估计海底地形的方法进行了研究。论文设计了频域和空间域两种估计方法,并利用卫星测高推导的垂向重力梯度数据对这两种方法进行了测试。

HUST-Grace2020模型反演中国内地区域水储量变化特征分析

中国水资源呈现人均水量少且水资源分布不平衡等特点,研究中国内地区域水储量及其变化特征,对水资源管理与调控意义重大。本文主要利用华中科技大学最新发布的HUST-Grace2020模型计算2003年1月—2016年7月中国内地区域水储量的变化,并将计算结果与瑞士伯尔尼大学最新发布的COST-G联合解算模型结果、CSR发布的CSR RL06模型结果、ITSG发布的ITSG-Grace2018模型结果和同济大学发布的Tongji-Grace2018模型结果进行对比。结果表明:(1)利用HUST-Grace2020模型得到的中国内地15个子流域的水储量变化与COST-G、ITSG-Grace2018、Tongji-Grace2018模型计算结果的一致性均很好。(2)西南地区边界处的雅鲁藏布江、澜沧江流域水储量变化最大,周年振幅分别为13.75、9.37 cm。长江流域、珠江流域和东南沿海水储量呈明显增长趋势,增加速率分别为0.54、0.78和0.70 cm/a;淮河、海河和雅鲁藏布江水储量呈现减少趋势,减小速率分别为-0.47、-0.88和-1.30 cm/a。(3)中国内地水储量变化具有明显的季节性,整体表现为夏秋水储量富足、冬春水储量匮乏。(4)基于典型流域的水储量变化特征可知,长江流域在2006年与2011年发生极端干旱事件,2010年与2016年发生洪水事件;黄河流域在2003年出现极端干旱事件,2013年出现洪水事件。

利用多元回归分析反演西南印度洋区域海底地形

针对海底地形与重力异常和重力异常垂直梯度在相应频段呈现强线性相关的特点,引入多元回归分析技术,提出并详细推导了联合多元重力数据的海底地形建模方法。然后,在西南印度洋SWIR(Southwest India Ridge)所在部分海域开展了海底地形反演试验及地形地貌分析研究。试验结果表明:6种海深模型中,基于多元回归分析技术构建的海深模型(BDVG模型)检核精度最高,相较于S&S V18.1模型和ETOPO1模型精度分别提高了11.51%和57.81%左右;2000 m以上水深海域,各个海深模型的检核精度较高,相对误差波动较小,反映了深海海域具有良好的反演效果;地形起伏剧烈海域或者浅海海域,BDVG海深模型,相较于以重力异常和重力异常垂直梯度作为单一输入源建立的BDG模型和BVGG模型相对误差及相对误差波动变化较小,反映了BDVG模型拥有更好的稳定性,从而体现了联合反演的必要性和优势。Indomed FZ—Gallieni FZ上唯一轴部缺失裂谷洋脊段(27洋脊段)目前属于岩浆供应充足阶段,构造作用的海底扩张对其影响较小;同时由于对称裂离方式影响,27洋脊段沿轴南北对称分布有地形隆起。

加速度计移植误差来源及对重力场建模影响分析

星载加速度计是低低卫星跟踪卫星技术探测地球重力场的核心载荷,由于加速度计载荷设计复杂且精细度要求高,GRACE和GRACE Follow-On等低低卫星跟踪卫星均存在仅有单加速度计工作的情况,为保障重力卫星任务顺利实施,须要在单加速度计观测条件下完成数据移植工作,现阶段尚无关于加速度计移植算法误差来源的研究.这里详细分析了移植算法的噪声来源,并评估了移植误差对重力场建模精度的影响.结果表明:移植误差主要来源于双星重复飞行的位置差异、姿态差异、时间延迟和卫星自身参数误差;当移植误差小于1×10^(-9)m/s2时,地球重力场的反演精度与双加速度计同时工作时的反演精度差异较小,对应需求为双星重复飞行的位置差异小于1000 m、姿态差异小于1°.

基于天琴一号观测数据反演地球重力场模型

天琴一号卫星搭载了静电悬浮加速度计、GNSS接收机和星象仪,可实现地球重力场探测的高低卫星跟踪卫星技术.这里利用自主研制的动力法反演软件,采用天琴一号(TQ-1:Tianqin-1)30 h观测数据反演了截断至15阶次的静态地球重力场模型,计算结果表明:TQ-1卫星数据反演的地球重力场模型在15阶次内的信噪比均大于1,说明利用TQ-1数据具备实现15阶次地球重力场的反演能力;通过与包含8 a高低卫星跟踪卫星观测信息的AIUB-CHAMP03S模型对比可知,利用TQ-1卫星数据反演的地球重力场模型位系数误差整体优于10^(-8)量级;通过与包含13 a低低卫星跟踪卫星观测信息的HUST-Grace2016s模型对比可知,利用TQ-1卫星数据反演的地球重力场模型可获取全球格网重力异常和全球格网大地水准面信息,二者空间分布特征较为一致.计算结果为采用我国自主研发的高低卫星跟踪卫星技术获得的首个地球重力场模型,表明我国具备了采用该技术获取地球重力场模型的能力,可为发展我国自主研发的重力卫星提供重要技术参考.

小型化原子重力仪及应用

重力场是地球基本物理场之一,随时间变化,随空间分布。精密重力测量在资源勘探、地质调查、导航制导、地球物理及基础科学研究等领域都具有重要意义。重力仪是高精度测量重力加速度不可或缺的仪器,可分为绝对和相对重力仪两类。基于物质波干涉技术的原子重力仪是一种新型绝对重力仪,经过30多年的发展,目前已进入小型化研究和实用化演示阶段。首先,简要介绍了精密重力测量的意义、高精度重力测量现状、原子干涉重力测量的基本原理以及高精度原子干涉重力测量的研究现状。然后以应用场景分类详细介绍了当前国内外小型化原子重力仪的研制及应用情况,重点介绍了华中科技大学在小型化原子重力仪研制及应用测试方面所做的工作。最后,对小型化原子重力仪的发展及应用前景进行了展望。

GPS相位模糊度固定对钟差解算的影响研究

分析了全球定位系统(GPS)载波相位模糊度固定对接收机钟差解算的影响,并利用GRACE-FO实测数据基于不固定模糊度、固定单差模糊度和固定双差模糊度三种方法解算了三组钟差,最后通过与官方产品比较和重叠弧段比较两种方法进行了质量评估.结果显示:固定单差模糊度和固定双差模糊度所解算的相对钟差与官方产品差异的标准差(17.2和13.2 ps)比不固定模糊度(32.8 ps)分别减小了48%和60%;重叠弧段差异标准差(2.3和0.7 ps)比不固定模糊度(11.4 ps)分别减小了80%和94%,比官方产品(3.6 ps)分别减小了36%和81%.以上结果表明固定GPS相位模糊度可显著改善相对钟差精度.

基于BDS-3的陆地探测一号星间基线高精度解算方法

陆地探测一号(Lutan-1,LT-1)是中国首个L波段干涉合成孔径雷达(interferometry synthetic aperture radar,InSAR)低轨编队卫星任务,高精度的星间基线是InSAR处理和应用的关键。研究了低轨卫星编队动力学精密基线解算方法和星间双差模糊度固定方法,并分析了LT-1 A/B双星星载北斗卫星导航系统(BeiDou satellite navigation system,BDS)(B1C、B2a)和GPS(L1、L2)在精密基线解算中的贡献。实验结果表明,与GPS相比,BDS-3的B1C和B2a观测值相位和伪距观测值残差明显更小,表明其信号精度更高。基于GPS、BDS和GPS/BDS联合解的基线重叠精度分别为0.8 mm、0.6 mm和0.5 mm,BDS基线精度比GPS提高25%,并且联合GPS/BDS可进一步提高基线精度。利用GPS和BDS解算的基线间互差精度为1 mm,表明单BDS-3系统可以实现1 mm级的低轨卫星编队精密基线确定。