專利名稱：基于星間距離誤差模型的地球重力場恢復(fù)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及衛(wèi)星重力學(xué)、大地測量學(xué)、空間科學(xué)等交叉技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一 種基于星載激光干涉測距儀的星間距離誤差影響累計大地水準(zhǔn)面精度的關(guān)系來建立激光 干涉測距儀星間距離誤差模型，進(jìn)而使用這種星間距離誤差模型來精確和快速恢復(fù)當(dāng)前 GRACE和下一代GRACE-1I地球重力場的方法。
背景技術(shù)：
地球重力場及其時變反映地球表層及內(nèi)部物質(zhì)的空間分布、運動和變化，同時決 定著大地水準(zhǔn)面的起伏和變化。因此，確定地球重力場的精細(xì)結(jié)構(gòu)及其時變不僅是大地測 量學(xué)、海洋學(xué)、空間科學(xué)等的需求，同時也將為尋求資源、保護(hù)環(huán)境和預(yù)測災(zāi)害提供重要的 信息資源。重力恢復(fù)和氣候?qū)嶒炐l(wèi)星(GRACE)的成功發(fā)射以及下一代GRACE-1I衛(wèi)星的即 將發(fā)射昭示著人類將迎來一個前所未有的衛(wèi)星重力探測新時代?；贕RACE雙星高精度感 測中長波地球重力場的優(yōu)秀表現(xiàn)，美國宇航局(NASA)提出了又一項專用于中短波地球重力 場精密探測的GRACE-1I未來衛(wèi)星計劃。如圖1所示，GRACE-1I雙星預(yù)期采用近圓、近極地 和低軌道設(shè)計，利用激光干涉測距儀高精度感測星間距離(測量精度10_8m)。因此，下一代 GRACE-1I得到的靜態(tài)和時變地球重力場精度比目前GRACE至少高一個數(shù)量級。
在衛(wèi)星重力恢復(fù)的眾多方法中，按引力位系數(shù)解算方法的差異可分為空域法和時 域法?？沼蚍ㄊ侵覆恢苯犹幚砜臻g位置相對不規(guī)則的衛(wèi)星軌道采樣點的觀測值，而將這些 觀測值歸算到以衛(wèi)星平均軌道高度為半徑的球面上利用快速傅立葉變換(FFT)進(jìn)行網(wǎng)格化 處理，將問題轉(zhuǎn)化為某類型邊值問題的解，如準(zhǔn)解析法、最小二乘配置法等屬于空域法的范 疇。優(yōu)點是因網(wǎng)格點數(shù)固定從而方程維數(shù)一定，且可以利用FFT方法進(jìn)行快速批量處理，因 此極大地降低了計算量；缺點是在進(jìn)行網(wǎng)格化處理中作了不同程度的近似計算，且不能對 色噪聲進(jìn)行處理。時域法是指將衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)按時間序列處理，衛(wèi)星星歷值直接表示成地 球引力位系數(shù)的函數(shù)，由最小二乘等方法直接反求引力位系數(shù)。優(yōu)點是直接對衛(wèi)星觀測數(shù) 據(jù)進(jìn)行處理，不需作任何近似，求解精度較高且能有效處理色噪聲；缺點是隨著衛(wèi)星觀測數(shù) 據(jù)的增多，觀測方程數(shù)量劇增，極大地增加了計算量。過去由于地球重力場恢復(fù)方法的歷 史局限性和當(dāng)時計算機(jī)技術(shù)發(fā)展的限制，為了減少計算量，因此空域法較為盛行，Colombo (1989)、Sanso (1995)、Reguzzoni (2003)、Sharifi (2006)等在此方面開展了廣泛研究。 然而，由于空域法做了許多人為性的假設(shè)，存在許多潛在的弊端且隨著近年來計算機(jī)技術(shù) 的飛速發(fā)展及各種快速算法的廣泛應(yīng)用，計算量的大小不再是制約地球重力場恢復(fù)精度的 重要因素，時域法的優(yōu)點正逐漸體現(xiàn)于衛(wèi)星重力反演之中，Han et al. (2002)、Reigber (2002)、Schwintzer and Reigber (2002)等學(xué)者直接利用時域法反演了高精度的地球重 力場。時域法主要包括=Kaula線性攝動法、數(shù)值微分法、動力學(xué)法、能量守恒法、衛(wèi)星加速 度法等。國內(nèi)外研究表明，Kaula線性攝動法和數(shù)值微分法只適合于求解低階地球重力場 且計算精度較低，因此目前基本上已無人問津，現(xiàn)在最為盛行的是動力學(xué)法和能量守恒法。 動力學(xué)法的優(yōu)點是求解精度較高；缺點是觀測數(shù)據(jù)運算量較大、求解過程復(fù)雜程度較高且反演較高階重力場(L>100階)時需要高性能的并行計算機(jī)支持；能量守恒法的優(yōu)點是觀測方程物理含義明確且易于地球重力場的敏感度分析，在保證求解精度的前提下計算量大大降低，通常采用PC計算機(jī)可完成高階地球重力場的快速求解；缺點是對衛(wèi)星速度的測量精度要求較高。
為了有效綜合已有衛(wèi)星重力恢復(fù)方法的優(yōu)點，本發(fā)明提出了基于星間距離誤差模型精確和快速恢復(fù)當(dāng)前GRACE和下一代GRACE-1I地球重力場的新技術(shù)，并精確和快速地恢復(fù)了 120階GRACE和360階GRACE-1I全球重力場。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是基于星間距離誤差模型法較大程度加快計算速度，而且進(jìn)一步提高當(dāng)前GRACE和下一代GRACE-1I地球重力場恢復(fù)的精度。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種星間距離誤差模型的地球重力場恢復(fù)方法， 包括如下步驟
步驟1:采集重力恢復(fù)和氣候?qū)嶒炐l(wèi)星的關(guān)鍵載荷數(shù)據(jù)通過星載測距儀獲取星間距離誤差數(shù)據(jù)δ P 12，通過星載GPS接收機(jī)獲取軌道位置數(shù)據(jù)r ；
步驟2 :通過星間距離誤差數(shù)據(jù)δ P 12與累計大地水準(zhǔn)面精度6 \i2的關(guān)系，建立星間距離誤差模型；
步驟3 :基于所述星間距離誤差模型，通過所采集的衛(wèi)星關(guān)鍵載荷數(shù)據(jù)，對地球重力場進(jìn)行恢復(fù)；其中，所述步驟3包括
步驟3.1 :利用9階Runge-Kutta線性單步法結(jié)合12階Adams-Cowell線性多步法數(shù)值積分公式模擬衛(wèi)星的星歷；
步驟3. 2 :確定參考球面網(wǎng)格分辨率，在地球表面的經(jīng)度λ和緯度φ范圍內(nèi)按所確定的參考球面網(wǎng)格分辨率繪制網(wǎng)格，按照衛(wèi)星軌道在地球表面的軌跡點位置依次加入星間距離誤差δ ρ12(φ，λ);
步驟3. 3 :基于所述星間距離誤差模型和星間距離誤差數(shù)據(jù)δ P 12恢復(fù)地球重力場。
本發(fā)明是基于激光干涉測距儀星間距離誤差模型法有利于精確和快速恢復(fù)下一代GRACE-1I地球重力場的特點而設(shè)計的，優(yōu)點是
I)地球重力場恢復(fù)精度高；
2 )較大程度提高解算速度；
3)易于開展高階重力場誤差分析；
4)衛(wèi)星觀測方程物理含義明確；
5)計算機(jī)性能要求低。


圖1為下一代GRACE-1I衛(wèi)星重力計劃的測量原理圖。
圖2 表示
權(quán)利要求
1.一種基于星間距離誤差模型的地球重力場恢復(fù)方法，其特征在于包括如下步驟 步驟1:采集衛(wèi)星關(guān)鍵載荷數(shù)據(jù)，通過星載測距儀獲取星間距離誤差數(shù)據(jù)δ P12，通過星載GPS接收機(jī)獲取軌道位置數(shù)據(jù)r ；步驟2:通過星間距離誤差數(shù)據(jù)δ P12與累計大地水準(zhǔn)面精度的關(guān)系，建立星間距離誤差模型；步驟3 :基于所述星間距離誤差模型，通過所采集的衛(wèi)星關(guān)鍵載荷數(shù)據(jù)，對地球重力場進(jìn)行恢復(fù)；其中，所述步驟3包括步驟3.1 :利用9階Runge-Kutta線性單步法結(jié)合12階Adams-Cowell線性多步法數(shù)值積分公式模擬衛(wèi)星的星歷；步驟3.2 :確定參考球面網(wǎng)格分辨率，在地球表面的經(jīng)度λ和緯度φ范圍內(nèi)按所確定的參考球面網(wǎng)格分辨率繪制網(wǎng)格，按照衛(wèi)星軌道在地球表面的軌跡點位置依次加入星間距離誤差 δ P 12(φ，λ );步驟3. 3 :基于所述星間距離誤差模型和星間距離誤差數(shù)據(jù)δ P12恢復(fù)地球重力場。
2.如權(quán)利要求1所述的基于星間距離誤差模型的地球重力場恢復(fù)方法，其特征在于 所述步驟2為將地球擾動位T (r，Φ，λ)按球諧函數(shù)展開表示為
3.如權(quán)利要求2所述的基于星間距離誤差模型的地球重力場恢復(fù)方法，其特征在于 所述步驟3. 3為基于星間距離誤差模型，通過星間距離誤差數(shù)據(jù)δ P12，恢復(fù)地球重力場的過程如下將星間距離誤差δ ρ12(φ，λ)按球諧函數(shù)展開為
4.如權(quán)利要求3所述的基于星間距離誤差模型的地球重力場恢復(fù)方法，其特征在于所述步驟3. 3中所確定參考球面網(wǎng)格分辨率為O. 1° Χ0.Γ 10° Χ10°，優(yōu)選為0.5。Χ0. 5°。
5.如權(quán)利要求1-4中任一項所述的基于星間距離誤差模型的地球重力場恢復(fù)方法，其特征在于所述衛(wèi)星為GRACE衛(wèi)星或者下一代GRACE-1I衛(wèi)星。
6.如權(quán)利要求5所述的基于星間距離誤差模型的地球重力場恢復(fù)方法，其特征在于 當(dāng)所述衛(wèi)星為GRACE衛(wèi)星時，采用星載K波段測距儀獲取星間距離誤差數(shù)據(jù)δ P12;當(dāng)所述衛(wèi)星為下一代GRACE-1I衛(wèi)星時，采用星載激光干涉測距儀獲取星間距離誤差數(shù)據(jù)δ P120
7.如權(quán)利要求6所述的基于星間距離誤差模型的地球重力場恢復(fù)方法，其特征在于 當(dāng)所述衛(wèi)星為下一代GRACE-1I衛(wèi)星時，所述步驟2還包括使用所述星間距離誤差模型并利用GRACE衛(wèi)星所采集的實測數(shù)據(jù)進(jìn)行地球重力場恢將地球重力場恢復(fù)結(jié)果與EIGEN-GRACE02S地球重力場模型的實測精度進(jìn)行對比； 根據(jù)對比結(jié)果對所述星間距離誤差模型進(jìn)行檢驗。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種地球重力場精密測量方法，特別是一種基于星間距離誤差模型原理的地球重力場恢復(fù)方法；該方法基于星間距離誤差影響累計大地水準(zhǔn)面精度的關(guān)系建立星間距離誤差模型，進(jìn)而使用該星間距離誤差模型來精確和快速恢復(fù)當(dāng)前GRACE和下一代GRACE-II地球重力場。該方法對地球重力場恢復(fù)精度高，較大程度提高解算速度，易于開展高階重力場誤差分析，衛(wèi)星觀測方程物理含義明確，計算機(jī)性能要求低。因此，星間距離誤差模型法是恢復(fù)高精度和高空間分辨率地球重力場的有效方法。
文檔編號G01V7/02GK103064128SQ20131000349
公開日2013年4月24日 申請日期2013年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月6日
發(fā)明者不公告發(fā)明人 申請人:中國科學(xué)院測量與地球物理研究所