應(yīng)用低軌衛(wèi)星跟蹤數(shù)據(jù)反演地球重力場模型

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1、摘要低軌衛(wèi)星跟蹤測量技術(shù)(cHAIIP衛(wèi)星和GRACE衛(wèi)星)可提供覆蓋全球的、高精度的空間重力觀測資料：精密軌道數(shù)據(jù)、GRACE衛(wèi)星的K波段觀測數(shù)據(jù)等，這些觀測數(shù)據(jù)包含了豐富的地球重力場信息，尤其是GRACE衛(wèi)星的K波段觀測數(shù)據(jù)。在當代低軌衛(wèi)星的定軌精度達到比較高的程度(約2cm)，K波段觀測數(shù)據(jù)將是地球重力場信息提取的主要載體，如何充分利用此類信息進行反演地球重力場模型的研究是當代大地測量研究的前沿和熱點之一。其研究成果將對現(xiàn)代大地測量、地球物理、海洋科學以及地球動力學等學科的發(fā)展起到巨大的推動作用。本文圍

2、繞應(yīng)用低軌衛(wèi)星跟蹤數(shù)據(jù)反演地球重力場模型這一主題展開討論，主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點如下：(1)在查閱大量國內(nèi)外相關(guān)文獻的基礎(chǔ)上，對衛(wèi)星重力探測技術(shù)的發(fā)展歷程、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及研究意義進行了闡述。討論了目前常用的幾種地球重力場模型反演算法，并分析了它們的優(yōu)缺點。(2)詳細研究了衛(wèi)星跟蹤衛(wèi)星重力測量所涉及到的時間系統(tǒng)、坐標系統(tǒng)以及空間運行衛(wèi)星所受到的各類攝動力模型，給出了衛(wèi)星重力測量的基本原理、常用的算法以及各類偏導數(shù)的計算。定性分析了衛(wèi)星初始位置誤差對應(yīng)用衛(wèi)星精密軌道數(shù)據(jù)反演地球重力場模型的影響，若不顧及其它測量

3、誤差(如加速度計測量誤差)的影響，以2小時反演弧長為宜。(3)詳細討論了CHAMP衛(wèi)星和GRACE衛(wèi)星相關(guān)觀測數(shù)據(jù)的預(yù)處理方法，分析了姿態(tài)數(shù)據(jù)間斷的三種情況，給出了利用二次插值法對間斷的姿態(tài)數(shù)據(jù)進行填補，算例表明：在姿態(tài)數(shù)據(jù)間斷40歷元的情況下，二次插值法完全能滿足精度要求。(4)利用動力學法對CHAMP衛(wèi)星的加速度計觀測數(shù)據(jù)進行了重新標定，結(jié)果表明：加速度計的標定參數(shù)并不是一成不變的，一天標定結(jié)果的變化范圍比1小時的要小，更接近GFZ給出的結(jié)果。加速度計重新標定后的重力場模型的精度要高于未標定的結(jié)果，因此對

4、加速度計觀測數(shù)據(jù)進行重新標定是十分必要的。(5)詳細介紹了筆者獨立自主開發(fā)的衛(wèi)星重力數(shù)據(jù)處理軟件—GRASTAR，該軟件是利用Visualc++語言平臺開發(fā)完成的，可對CHAMP衛(wèi)星和GRACE衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)進行處理，具有很好的可移植性和可拓展性。(6)基于應(yīng)用低軌衛(wèi)星精密軌道數(shù)據(jù)反演地球重力場模型的動力學法，推導了將加速度計觀測數(shù)據(jù)的尺度和偏差以及衛(wèi)星初始狀態(tài)向量與地球重力場位系數(shù)一起求解的數(shù)學模型，利用120天CHAMP衛(wèi)星精密軌道和加速度計觀測數(shù)據(jù)解算出50階次的地球重力場模型TJCHAMP01S，檢核結(jié)

5、果表明：TJCHAMP01S模型精度優(yōu)于相同階次的EGM96和EIGEN-1S模型，并且更接近EIGEN-2模型。在我國區(qū)域，TJCHAMP01S和EIGEN-2模型與EIGEN—cG0lC模型前30階所表示的大地水準面差值的中誤差分別為4．4cm和3．3cm。(7)基于動力學法，利用26天GRACE衛(wèi)星精密軌道和加速度計觀測數(shù)據(jù)解算出36階次的地球重力場模型TJGRACE01S-oR，檢核結(jié)果表明：該模型的精度要優(yōu)于相同階次的EGW96和EIGEN-2模型，前20階模型位系數(shù)與EIGEN弋HA咿03S精度相

6、當。(8)基于應(yīng)用GRACE衛(wèi)星星間距離變率數(shù)據(jù)反演地球重力場模型的動力學法，推導了將加速度計觀測數(shù)據(jù)的尺度和偏差以及衛(wèi)星初始相對速度向量與地球重力場位系數(shù)一起求解的數(shù)學模型，利用31天GRACE衛(wèi)星星間距離變率和加速度計觀測數(shù)據(jù)解算出60階次的地球重力場模型TJGRACE01S，檢核結(jié)果表明：TJGRACE01S模型的精度要明顯優(yōu)于相同階次的EIGEN_cHAMP03S模型，但要稍遜于EIGEN—GRACE01S。利用EG～196、EIGEN-CHAMP03S、TJGRACE01S和EIGEN-GRACE0

7、1S模型的前60階分別計算全球l‘×1。格網(wǎng)點的大地水準面高度，并與EIGEN-GL04C模型的大地水準面高度做比較，相應(yīng)差值的中誤差分別為：0．446m、0．144m、0．027111和0．008m。(9)利用67天GRACE衛(wèi)星星間距離變率和加速度計觀測數(shù)據(jù)解算出80階次的地球重力場模型TJGRACE02S，檢核結(jié)果表明：TJGRACE02s模型的精度要明顯優(yōu)于相同階次的EIGEN-C

8、IAMP03S模型，但要稍遜于GGMOIS。利用EGM96、EIGEN_cHAMP03S、GGM01S和TJGRACE0

9、2S模型的前72階分別計算全球2．5?！?．5。格網(wǎng)點的大地水準面高度和重力異常，并與EIGEN-GL04C模型的計算結(jié)果進行比較，大地水準面高度差值的中誤差分別為：0．524m、0．305m、0．021m和0．052m，而重力異常差值的中誤差分別為：4．OOm6al、3．07m6al、0．21m(；al和0．50mGal。(10)對本文的工作進行總結(jié)，對未來的工作進行展望和規(guī)劃。關(guān)鍵詞：CHAMP