利用地球重力场模型计算CHAMP卫星参考轨道

结合CHAMP卫星观测数据的动力法反演，研究了CHAMP卫星参考轨道的数值方法。分别通过利用40～50阶重力位系数模型计算轨道，并与业已公布的卫星轨道数据进行比较，结果表明，CHAMP(低轨)卫星轨道对重力场低频部分的敏感度较大，考虑低阶(40阶左右)重力场模型计算的卫星参考轨道精度较高。     

高低卫卫跟踪模式恢复地球重力场的误差分析

基于高低卫卫跟踪的模式用积分方法分别研究轨道误差和加速度计误差对于重力场模型位系数的影响,模拟结果表明,轨道误差对于重力位系数的影响很大,5 cm精度的轨道数据至多能恢复40阶的重力位模型;加速度计的随机误差对于重力位系数的影响相对轨道误差要小得多,即使是10-7m/s2的加速度计误差引起的位系数误差比3 cm的轨道误差引起的位系数误差要小得多,加速度计的系统误差对于重力位系数的影响很大,但是采用估计的方法可以很好地削弱该项的影响。     

动力法校准GRACE星载加速度计

研究了GRACE星载加速度计的动力法校准。联合精密轨道、星间距离变率同时估计重力场模型参数和加速度计校准参数,获得了SRF(satellite reference frame)下的比例系数和偏差参数时间序列,100阶重力场模型的大地水准面累积误差为4cm,在相应波段上优于CSR(center for space research)同时段的月重力场模型精度。以上述整体解算的结果为参照,对固定重力场模型参数的校准方案进行了检验,发现SRF框架下的非保守力差值最高可达10-8 m·s-2量级,认为固定重力场模型的方法难以充分发挥GRACE加速度计的测量能力。本文研究结果可为后续的大规模卫星重力测量数据处理提供科学的依据,也能为开展相关科学应用提供可靠的非保守力数据。     

利用地球重力场模型计算CHAMP卫星参考轨道

结合CHAMP卫星观测数据的动力法反演,研究了CHAMP卫星参考轨道的数值方法.分别通过利用40～50阶重力位系数模型计算轨道,并与业已公布的卫星轨道数据进行比较,结果表明, CHAMP(低轨)卫星轨道对重力场低频部分的敏感度较大,考虑低阶(40阶左右)重力场模型计算的卫星参考轨道精度较高.     

国际重力卫星研究进展和我国将来卫星重力测量计划

本文首先分别介绍了国际已经成功发射的专用地球重力测量卫星CHAMP、GRACE以及即将发射的GOCE、GRACE Follow-On和专用月球重力探测卫星GRAIL的研制机构、轨道参数、关键载荷、跟踪模式、测量原理、科学目标和技术特征;其次,阐述了当前相关学科对地球重力场测量精度的需求;最后,建议我国在将来实施的卫星重力测量计划中首选卫星跟踪卫星高低\低低模式,尽快开展轨道参数优化选取的定量系统研究论证和重力卫星系统的误差分析,依据匹配精度指标先期开展重力卫星各关键载荷的研制以及尽早启动卫星重力测量系统的虚拟仿真研究。     

星载原子干涉技术用于地球重力场测量及其精度评估

重力梯度卫星GOCE通过搭载静电式重力梯度仪,将全球静态重力场恢复至200阶以上。目前GOCE卫星已结束寿命,亟须发展下一代更高分辨率的卫星重力梯度测量来完善200~360阶的全球静态重力场模型。原子干涉型的重力梯度测量在空间微重力环境下可获得较长的干涉时间,因此具有很高的星载测量精度,是下一代卫星重力梯度测量的候选技术之一。本文针对未来更高分辨率全球重力场测量的科学需求,提出了一种适用于空间微重力环境下的原子干涉重力梯度测量方案,其梯度测量噪声可低至0.85mE/Hz1/2。文中对不同类型的卫星重力梯度测量方案进行了重力场反演精度的对比评估,仿真结果表明,相比于现有静电式卫星重力梯度测量,原子干涉型的卫星重力梯度测量有望将重力场的恢复阶数提升至252~290阶,对应的累积大地水准面误差7~8cm,累积重力异常误差3×10-5 m/s2。     

利用GOCE模拟观测反演重力场的Torus法

在介绍Torus方法反演地球重力场模型的基本原理和方法的基础上,基于圆环面上均匀分布的卫星引力梯度模拟观测值解算了200阶次的地球重力场模型,在无误差情况下,Torus方法解算模型的阶误差RMS小于10-16,验证了该方法的严密性。利用61dGOCE卫星轨道上无误差的模拟引力梯度观测值解算了200阶次的地球重力场模型,分析了格网化误差、极空白对解算精度的影响,迭代3次后,在不考虑低次系数情况下,模型的大地水准面阶误差和累积误差均较小,最大值仅为0.022mm和0.099mm。在沿轨卫星引力梯度模拟数据中加入5mE/Hz1/2的白噪声,基于Torus方法和空域最小二乘法解算了200阶次的地球重力场模型,Torus方法的精度略低于空域最小二乘法的精度,在不考虑低次项的情况下,两种方法解算模型的大地水准面阶误差最大值分别为1.58cm和1.45cm,累积误差最大值分别为6.37cm和5.55cm。但由于采用了二维快速傅里叶技术和块对角最小二乘法,极大地提高了计算效率。本文数值结果说明Torus方法是一种独立有效的方法,可用于GOCE任务海量卫星引力梯度观测值反演重力场的快速解算。     

利用谱分析法估计GRACE Follow-On地球重力场的空间分辨率

利用轨道扰动引力谱和大地水准面累计误差谱分析的方法估计未来GRACE(gravity recovery and climateexperiment)Follow-On卫星反演地球重力场的空间分辨率。基于GRACE Follow-On卫星的轨道特性,计算其在高空所受到的径向扰动引力,并根据谱特性及星载加速度计的测量噪声水平分析该卫星能反演重力场的阶数。利用EGM96重力场模型分别计算200 km和250 km轨道高度处的扰动引力谱。分析其特性表明:在两个轨道高度处分别能反演281阶和242阶的地球重力场模型。给出大地水准面累计误差谱模型,并计算200 km和250 km轨道高度处大地水准面累计误差谱。分析其谱特性表明:在两个轨道高度处分别能反演至286阶和228阶的地球重力场模型。     

Estimation of the Resolution of Earth＇s Gravity Field for GRACE Follow-On Using the Spectrum Method

利用轨道扰动引力谱和大地水准面累计误差谱分析的方法估计未来GRACE（gravity recovery and climate experimenl）Follow—On卫星反演地球重力场的空间分辨率。基于GRACEFollow—On卫星的轨道特性,计算其在高空所受到的径向扰动引力,并根据谱特性及星载加速度计的测量噪声水平分析该卫星能反演重力场的阶数。利用EGM96重力场模型分别计算200km和250km轨道高度处的扰动引力谱。分析其特性表明：在两个轨道高度处分别能反演281阶和242阶的地球重力场模型。给出大地水准面累计误差谱模型,并计算200km和250km轨道高度处大地水准面累计误差谱。分析其谱特性表明：在两个轨道高度处分别能反演至286阶和228阶的地球重力场模型。     

卫星重力梯度数据重力异常的精度分析

针对GOCE卫星确定的地球重力场模型精度的不确定性,对比分析GOCE位模型与多个不同重力场模型确定的重力异常,并将其分别与船测重力数据、南极航空重力数据、北极重力数据以及美国和中国台湾地面重力数据比较研究。结果表明:GOCE位模型的内符合精度最高,与地面重力观测数据符合最优;与船测以及航空重力测量符合相对较差、精度较低。研究表明,在一定精度前提下,GOCE卫星确定的重力数据可用于无人区,从而提高重力观测数据的覆盖率。     

利用GRACE轨道和加速度数据恢复地球重力场

本文基于高低卫卫跟踪的模式，用积分方法研究了不同重力场模型对于轨道的影响，并用3个月的GRACE轨道数据计算了新的60阶地球重力场模型，为了分析其精度，与EGM96和EIGENIS作了比较．结果表明新模型在40阶前更接近GGM02C模型。     

低低卫-卫跟踪模式中星载KBR系统和GPS接收机指标设计论证

推导了星载KBR系统的星间距离、星间距离变化率以及星载GPS接收机的卫星轨道位置误差分别影响累计大地水准面精度的误差模型,确定了星载KBR系统和星载GPS接收机的精度指标,建立了星间测速和轨道位置误差联合影响累计大地水准面的误差模型。结果表明,星载KBR系统的星间距离精度指标约为0.64×10-6m,星间距离变化率的精度指标约为0.8×10-6m/s,星载GPS接收机的卫星轨道位置精度指标约为2.1cm。在上述精度指标下,联合误差模型恢复120阶地球重力场对应的累计大地水准面精度约为26cm。     

GOCE实测数据反演高阶重力场模型的Torus方法

不同于当前广泛使用的空域法、时域法、直接解法,本文尝试采用Torus方法处理GOCE实测数据,利用71 d的GOCE卫星引力梯度数据反演了200阶次GOCE地球重力场模型,实现了对参考模型的精化。首先,采用Butterworth零相移滤波方法加移去—恢复技术,处理引力梯度观测值中的有色噪声,并利用泰勒级数展开和Kriging方法对GOCE卫星引力梯度数据进行归算和格网化,计算得到了名义轨道上格网点处的引力梯度数据。然后,利用2D-FFT技术和块对角最小二乘方法处理名义轨道上数据,获得了200阶次的GOCE地球重力场模型GOCE_Torus。利用中国和美国的GPS/水准数据进行外部检核结果说明,GOCE_Torus与ESA发布的同期模型的精度相当;GOCE_Torus模型与200阶次的EGM2008模型相比,在美国区域精度相当,但在中国区域精度提高了4.6 cm,这充分体现了GOCE卫星观测数据对地面重力稀疏区的贡献。Torus方法拥有快速高精度反演卫星重力场模型的优势,可以在重力梯度卫星的设计、误差分析及在轨快速评估等方面得到充分应用。     

空中重力异常代表误差在空域和频域的比较分析

在空域,利用严密的向上延拓公式将地面重力数据上延至空中不同高度,而后与相应的地面重力数据比较从而得到不同高度的代表误差.在频域,构建了新的代表误差模型,计算了不同高度、不同分辨率下的代表误差.实际算例表明,在空域,对于地形平坦区域,在1 km高度以下,5'空中重力数据直接代表地面重力数据的误差小于1×10-5 m/s2...     

Evaluation of the third- and fourth-generation GOCE Earth gravity field models with Australian terrestrial gravity data in spherical harmonics

In March 2013, the fourth generation of European Space Agency’s (ESA) global gravity field models, DIR4 (Bruinsma et al. in Proceedings of the ESA living planet symposium, 28 June–2 July, Bergen, ESA, Publication SP-686, 2010b) and TIM4 (Migliaccio et al. in Proceedings of the ESA living planet symposium, 28 June–2 July, Bergen, ESA, Publication SP-686, 2010), generated from the Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer (GOCE) gravity observation satellite was released. We evaluate the models using an independent ground truth data set of gravity anomalies over Australia. Combined with Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) satellite gravity, a new gravity model is obtained that is used to perform comparisons with GOCE models in spherical harmonics. Over Australia, the new gravity model proves to have significantly higher accuracy in the degrees below 120 as compared to EGM2008 and seems to be at least comparable to the accuracy of this model between degree 150 and degree 260. Comparisons in terms of residual quasi-geoid heights, gravity disturbances, and radial gravity gradients evaluated on the ellipsoid and at approximate GOCE mean satellite altitude ( $h=250$  km) show both fourth generation models to improve significantly w.r.t. their predecessors. Relatively, we find a root-mean-square improvement of 39 % for the DIR4 and 23 % for TIM4 over the respective third release models at a spatial scale of 100 km (degree 200). In terms of absolute errors, TIM4 is found to perform slightly better in the bands from degree 120 up to degree 160 and DIR4 is found to perform slightly better than TIM4 from degree 170 up to degree 250. Our analyses cannot confirm the DIR4 formal error of 1 cm geoid height (0.35 mGal in terms of gravity) at degree 200. The formal errors of TIM4, with 3.2 cm geoid height (0.9 mGal in terms of gravity) at degree 200, seem to be realistic. Due to combination with GRACE and SLR data, the DIR models, at satellite altitude, clearly show lower RMS values compared to TIM models in the long wavelength part of the spectrum (below degree and order 120). Our study shows different spectral sensitivity of different functionals at ground level and at GOCE satellite altitude and establishes the link among these findings and the Meissl scheme (Rummel and van Gelderen in Manusrcipta Geodaetica 20:379–385, 1995).     

Global height system unification with GOCE: a simulation study on the indirect bias term in the GBVP approach

One of the main objectives of ESA’s Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation mission GOCE (Gravity field and steady-state ocean circulation mission, 1999) is to allow global unification of height systems by directly providing potential differences between benchmarks in different height datum zones. In other words, GOCE provides a globally consistent and unbiased geoid. If this information is combined with ellipsoidal (derived from geodetic space techniques) and physical heights (derived from leveling/gravimetry) at the same benchmarks, datum offsets between the datum zones can be determined and all zones unified. The expected accuracy of GOCE is around 2–3 cm up to spherical harmonic degree n _max ≈ 200. The omission error above this degree amounts to about 30 cm which cannot be neglected. Therefore, terrestrial residual gravity anomalies are necessary to evaluate the medium and short wavelengths of the geoid, i.e. one has to solve the Geodetic Boundary Value Problem (GBVP). The theory of height unification by the GBVP approach is well developed, see e.g. Colombo (A World Vertical Network. Report 296, Department of Geodetic Science and Surveying, 1980) or Rummel and Teunissen (Bull Geod 62:477–498, 1988). Thereby, it must be considered that terrestrial gravity anomalies referring to different datum zones are biased due to the respective datum offsets. Consequently, the height reference surface of a specific datum zone deviates from the unbiased geoid not only due to its own datum offset (direct bias term) but is also indirectly affected by the integration of biased gravity anomalies. The latter effect is called the indirect bias term and it considerably complicates the adjustment model for global height unification. If no satellite based gravity model is employed, this error amounts to about the same size as the datum offsets, i.e. 1–2 m globally. We show that this value decreases if a satellite-only gravity model is used. Specifically for GOCE with n _max ≈ 200, the error can be expected not to exceed the level of 1 cm, allowing the effect to be neglected in practical height unification. The results are supported by recent findings by Gatti et al. (J Geod, 2012).     

重力异常阶方差模型精度及其截断误差分析

在评估重力场模型计算空间扰动引力精度时,对模型截断误差常采用阶方差方法。文中将6种经典的重力异常阶方差模型与现有超高阶重力场模型的阶方差进行比较,TSD模型与重力场模型的差值最小。根据重力异常阶方差模型TSD,文中分析不同高度、不同阶次利用重力场模型计算空中扰动引力时截断误差的影响。实验结果表明:36阶模型截断误差最大径向和水平方向分别为26.455 1mGal、25.946 3mGal;360阶模型截断误差最大径向和水平方向分别为9.969 0mGal、9.960 9 mGal;2160阶模型截断误差最大径向和水平方向分别为2.538 5 mGal、2.538 1mGal;2160阶模型计算空中扰动引力时,即使在低空附近,截断误差在2.5mGal以内,计算高度超过5km,截断误差可以忽略;超过400km的高度,都可以用36阶模型计算,截断误差在1mGal以内。