專利名稱：基于雙星相鄰能量差分原理的星載加速度計(jì)數(shù)據(jù)標(biāo)校方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及衛(wèi)星大地測(cè)量學(xué)、地球物理學(xué)、空間科學(xué)等交叉技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種利用全球重力場(chǎng)模型的先驗(yàn)信息，基于新型雙星相鄰能量差分原理對(duì)星載加速度計(jì)非保守力數(shù)據(jù)進(jìn)行精確標(biāo)校的方法。
背景技術(shù)：
21世紀(jì)是人類利用衛(wèi)星跟蹤衛(wèi)星(SST)和衛(wèi)星重力梯度(SGG)技術(shù)提升對(duì)“數(shù)字地球”認(rèn)知能力的新紀(jì)元。如

圖1所示，重力衛(wèi)星CHAMP (Challenging Minisatellite Pay load) > GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment)禾口 GOCE (Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer)的相繼成功發(fā)射昭示著人類將迎來(lái)一個(gè)前所未有的高精度衛(wèi)星重力探測(cè)技術(shù)時(shí)代。地球重力場(chǎng)及其隨時(shí)間的變化反映地球表層及內(nèi)部物質(zhì)的空間分布、運(yùn)動(dòng)和變化，同時(shí)決定著大地水準(zhǔn)面的起伏和變化，因此確定地球重力場(chǎng)的精細(xì)結(jié)構(gòu)及其時(shí)變不僅是大地測(cè)量學(xué)、地球物理學(xué)、海洋學(xué)、地震學(xué)、空間科學(xué)等的需求，同時(shí)也將為全人類尋求資源、保護(hù)環(huán)境和預(yù)測(cè)災(zāi)害提供重要的信息資源。無(wú)論是由衛(wèi)星軌道攝動(dòng)技術(shù)反演地球重力場(chǎng)，還是基于地球重力場(chǎng)反演技術(shù)精化衛(wèi)星軌道，非保守?cái)z動(dòng)力(如大氣阻力、太陽(yáng)光壓、地球輻射壓、軌道高度和姿態(tài)控制力等) 從衛(wèi)星合外力中的精確扣除歷來(lái)是大地測(cè)量學(xué)、地球物理學(xué)、空間科學(xué)等交叉研究領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題和關(guān)鍵技術(shù)。過(guò)去，通過(guò)建立非保守?cái)z動(dòng)加速度模型，測(cè)量分辨率僅為10_7m/ s2，但隨著本世紀(jì)相關(guān)學(xué)科的快速發(fā)展以及對(duì)反演高精度和高空間分辨率地球重力場(chǎng)的迫切要求，低精度的非保守?cái)z動(dòng)加速度模型已無(wú)法滿足現(xiàn)階段科學(xué)應(yīng)用、工業(yè)技術(shù)、國(guó)民經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域的需求；當(dāng)前，新一代重力衛(wèi)星攜帶的高精度星載加速度計(jì)可精確扣除作用于衛(wèi)星的非保守?cái)z動(dòng)加速度的影響(如圖2所示)。星載加速度計(jì)非保守力數(shù)據(jù)僅在特定頻帶寬度內(nèi)測(cè)量精度較高，而測(cè)量頻帶寬度外系統(tǒng)誤差較大。由于衛(wèi)星觀測(cè)方程中的耗散能差分表現(xiàn)為積分形式，因此導(dǎo)致了觀測(cè)方程存在能量差漂移。雖然可使用統(tǒng)一的尺度因子標(biāo)校參數(shù)和以簡(jiǎn)化儒略日為變量的偏差因子計(jì)算公式，但由于加速度計(jì)的尺度、偏差等系統(tǒng)誤差是隨時(shí)間變化的，因此統(tǒng)一標(biāo)校參數(shù)僅是總體非保守力數(shù)據(jù)標(biāo)校的平均值，不能正確反映每天加速度計(jì)系統(tǒng)偏差的實(shí)際變化。由于地球重力場(chǎng)反演精度敏感于加速度計(jì)的系統(tǒng)誤差，因此反演高精度和高空間分辨率地球重力場(chǎng)的關(guān)鍵是解決星載加速度計(jì)非保守力數(shù)據(jù)帶來(lái)的系統(tǒng)誤差問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)對(duì)星載加速度計(jì)非保守力數(shù)據(jù)系統(tǒng)誤差的標(biāo)校主要包括2 種方法。(1)動(dòng)力學(xué)標(biāo)校法優(yōu)點(diǎn)是星載加速度計(jì)數(shù)據(jù)標(biāo)校精度較高；缺點(diǎn)是觀測(cè)數(shù)據(jù)運(yùn)算量較大，求解過(guò)程復(fù)雜程度較高，且需高性能并行計(jì)算機(jī)支持。( 單星能量守恒標(biāo)校法 優(yōu)點(diǎn)是觀測(cè)方程物理含義明確；缺點(diǎn)是僅適用于標(biāo)校CHAMP等單顆重力衛(wèi)星的加速度計(jì)數(shù)據(jù)，而且標(biāo)校精度相對(duì)較低。基于已有星載加速度計(jì)數(shù)據(jù)標(biāo)校方法的不足之處，本發(fā)明首次利用全球重力場(chǎng)模型的先驗(yàn)信息，基于新型雙星相鄰能量差分原理對(duì)星載加速度計(jì)非保守力數(shù)據(jù)進(jìn)行精確標(biāo)校。優(yōu)點(diǎn)是星載加速度計(jì)數(shù)據(jù)標(biāo)校精度較高(標(biāo)校精度等同于動(dòng)力學(xué)標(biāo)校法，但高于單星能量守恒標(biāo)校法)，同時(shí)適用于單星(如CHAMP)和雙星(如GRACE)加速度計(jì)數(shù)據(jù)的標(biāo)校(適用范圍優(yōu)于單星能量守恒標(biāo)校法)，觀測(cè)方程簡(jiǎn)單且計(jì)算速度快(計(jì)算速度優(yōu)于動(dòng)力學(xué)標(biāo)校法和單星能量守恒標(biāo)校法)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是扣除星載加速度計(jì)非保守力數(shù)據(jù)的系統(tǒng)誤差，進(jìn)而實(shí)質(zhì)性提高地球重力場(chǎng)的反演精度。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案基于雙星相鄰能量差分原理的星載加速度計(jì)非保守力數(shù)據(jù)的標(biāo)校方法，包含下列步驟步驟一對(duì)衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，具體包括1. 1)采集雙頻GPS接收機(jī)得到的軌道數(shù)據(jù)為了保證軌道數(shù)據(jù)的精度和連續(xù)性， 去除衛(wèi)星軌道存在的重疊期，進(jìn)行軌道數(shù)據(jù)的拼接；截掉由于定軌弱約束造成的衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)的開(kāi)始和結(jié)束時(shí)段處精度較低的數(shù)據(jù)；基于3 ο準(zhǔn)則即萊以特準(zhǔn)則，剔除軌道數(shù)據(jù)中存在的粗大誤差；1. 2)采集K波段測(cè)量?jī)x得到的星間速度數(shù)據(jù)基于t檢驗(yàn)準(zhǔn)則即羅曼諾夫斯基準(zhǔn)則，剔除星間速度數(shù)據(jù)中存在的粗大誤差；基于9階Lagrange多項(xiàng)式，插值獲得間斷的星間速度數(shù)據(jù)；1. 3)采集恒星敏感器得到的四元數(shù)姿態(tài)數(shù)據(jù)基于t檢驗(yàn)準(zhǔn)則即羅曼諾夫斯基準(zhǔn)則，剔除四元數(shù)姿態(tài)數(shù)據(jù)中存在的粗大誤差；基于9階Lagrange多項(xiàng)式，插值獲得間斷的四元數(shù)姿態(tài)數(shù)據(jù)；1. 4)采集星載加速度計(jì)得到的非保守力數(shù)據(jù)基于t檢驗(yàn)準(zhǔn)則即羅曼諾夫斯基準(zhǔn)則，剔除非保守力數(shù)據(jù)中存在的粗大誤差；基于9階Lagrange多項(xiàng)式，插值獲得間斷的非保守力數(shù)據(jù)；步驟二 對(duì)星載加速度計(jì)非保守力數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)校，具體包括根據(jù)步驟一中預(yù)處理后的恒星敏感器四元數(shù)姿態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)施星載加速度計(jì)的非保守力數(shù)據(jù)在地心慣性坐標(biāo)系和加速度計(jì)坐標(biāo)系之間的相互轉(zhuǎn)換，其中將步驟一中預(yù)處理后的星載加速度計(jì)非保守力數(shù)據(jù)由衛(wèi)星坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到加速度計(jì)坐標(biāo)系
權(quán)利要求
1. 一種基于雙星相鄰能量差分原理的星載加速度計(jì)非保守力數(shù)據(jù)的標(biāo)校方法，包含下列步驟步驟一對(duì)衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，具體包括1. 1)采集雙頻GPS接收機(jī)得到的軌道數(shù)據(jù)為了保證軌道數(shù)據(jù)的精度和連續(xù)性，去除衛(wèi)星軌道存在的重疊期，進(jìn)行軌道數(shù)據(jù)的拼接；截掉由于定軌弱約束造成的衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)的開(kāi)始和結(jié)束時(shí)段處精度較低的數(shù)據(jù)；基于3 ο準(zhǔn)則即萊以特準(zhǔn)則，剔除軌道數(shù)據(jù)中存在的粗大誤差；1.2)采集K波段測(cè)量?jī)x得到的星間速度數(shù)據(jù)基于t檢驗(yàn)準(zhǔn)則即羅曼諾夫斯基準(zhǔn)則， 剔除星間速度數(shù)據(jù)中存在的粗大誤差；基于9階Lagrange多項(xiàng)式，插值獲得間斷的星間速度數(shù)據(jù)；1. 3)采集恒星敏感器得到的四元數(shù)姿態(tài)數(shù)據(jù)基于t檢驗(yàn)準(zhǔn)則即羅曼諾夫斯基準(zhǔn)則， 剔除四元數(shù)姿態(tài)數(shù)據(jù)中存在的粗大誤差；基于9階Lagrange多項(xiàng)式，插值獲得間斷的四元數(shù)姿態(tài)數(shù)據(jù)；1. 4)采集星載加速度計(jì)得到的非保守力數(shù)據(jù)基于t檢驗(yàn)準(zhǔn)則即羅曼諾夫斯基準(zhǔn)則， 剔除非保守力數(shù)據(jù)中存在的粗大誤差；基于9階Lagrange多項(xiàng)式，插值獲得間斷的非保守力數(shù)據(jù)；步驟二 對(duì)星載加速度計(jì)非保守力數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)校，具體包括根據(jù)步驟一中預(yù)處理后的恒星敏感器四元數(shù)姿態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)施星載加速度計(jì)的非保守力數(shù)據(jù)在地心慣性坐標(biāo)系和加速度計(jì)坐標(biāo)系之間的相互轉(zhuǎn)換，其中星載加速度計(jì)非保守力數(shù)據(jù)由衛(wèi)星坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到加速度計(jì)坐將步驟一中預(yù)處理后的標(biāo)系aXay二 B<a-_ Z-AF其中，[ ay az]\vWx a)表示位于衛(wèi)速度計(jì)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣XJ 2 C"0 1 0 B=OOl 1 0 01的轉(zhuǎn)換關(guān)系表示如下
全文摘要
本發(fā)明涉及衛(wèi)星大地測(cè)量學(xué)、地球物理學(xué)、空間科學(xué)等交叉技術(shù)領(lǐng)域的一種基于新型雙星相鄰能量差分原理的星載加速度計(jì)非保守力數(shù)據(jù)精確標(biāo)校的方法；在建立無(wú)參考擾動(dòng)位的雙星擾動(dòng)位差觀測(cè)方程的基礎(chǔ)上，利用全球重力場(chǎng)模型的先驗(yàn)信息，并基于相鄰能量差分原理建立了新型相鄰能量差分觀測(cè)方程，擬合出標(biāo)校參數(shù)的尺度因子和偏差因子，實(shí)現(xiàn)對(duì)星載加速度計(jì)非保守力數(shù)據(jù)的精確標(biāo)校；本方法標(biāo)校精度高，同時(shí)適用于單星和雙星加速度計(jì)數(shù)據(jù)的快速標(biāo)校，能有效提高地球重力場(chǎng)反演精度。
文檔編號(hào)G01P21/00GK102323450SQ20111013044
公開(kāi)日2012年1月18日 申請(qǐng)日期2011年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月19日
發(fā)明者劉成恕, 熊熊, 許厚澤, 鄭偉, 鐘敏 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院測(cè)量與地球物理研究所