专利名称：利用不同轨道倾角卫星联合反演地球重力场的方法
技术领域：
本发明涉及卫星大地測量学、卫星重力学、空间科学等交叉技术领域，特别是涉及ー种基于扰动星间加速度法，利用GRACE卫星K波段测距仪的星间距离、星间速度和星间加速度測量数据、GPS接收机的卫星轨道位置測量数据和卫星轨道速度測量数据、以及加速度计的卫星非保守力測量数据，通过不同轨道倾角卫星最优组合，进而精确和快速反演地球重力场的方法。
背景技术：
自伽利略于16世纪末第一次进行地球重力场测量以来，国内外的许多科研机构在全球范围内的陆地、海洋和空间采用多种技术和方法进行了大量的地球重力场测量。目前卫星重力測量技术的实现是继美国全球定位系统(GPS)星座成功构建之后在大地测量领域的又一项创新和突破。它不仅促进了大地測量学本身的发展，同时带动了地球物理学、大气研究、海洋探測、空间技术等领域的发展。卫星重力測量技术之所以被国际大地測量学界公认为是当前地球重力场探测研究中最高效、最经济和最有发展潜力的方法之一，是因为它既不同于传统的车载、船载和机载测量，也不同于轨道摄动分析和卫星测高技术，而是通过卫ー卫跟踪技术(SST)和卫星重力梯度技术(SGG)反演高精度和高空间分辨率地球重力场。如图1所示，美国宇航局(NASA)和德国波兹坦地学研究中心(GFZ)合作研制并于2002年3月17日成功发射的GRACE双星是继2000年7月15日升空的CHAMP单星之后的又ー项专用于地球重力场中长波精密测量的卫星计划。GRACE编队飞行计划是卫星重力測量中卫ー卫跟踪技术(SST)的再次成功实现，在10年的飞行任务中采用变轨技术(500knT300km)感测不同波段的地球重力场。为了满足GRACE整体卫星系统测量地球重力场的要求，双星轨道设计为近极轨模式(轨道倾角89° )。对于反演120阶GRACE地球重力场而言，由于89°轨道倾角在地球南北极形成的极沟区(未覆盖区)2X|90° -111 =2°小于对应的空间分辨率360° /Lfflax = 3°，因此，该模式的优点是不仅可达到卫星近似全球覆盖的目的，同时可忽略极沟区对地球重力场反演精度的影响。由于适当增大卫星的轨道倾角有利于提高地球引力位带谐项系数反演的精度，适当降低卫星的轨道倾角有利于提高地球引力位田谐项系数反演的精度，因此，采用多颗不同轨道倾角卫星联合測量可互相取长补短，进而共同反演高精度和高空间分辨率的地球重カ场。至目前为止，国内外众多学者在卫星不同轨道倾角如何影响地球引力位系数反演精度的方面开展了卓有成效的研究工作。GRACE卫星采用高轨道倾角89°的设计可有效提高地球引力位带谐项系数的精度，但对地球引力位田谐项系数的敏感度较低，因此可采用第ニ组较低轨道倾角的卫星高精度測量地球引力位田谐项系数。数值模拟结果表明:第二组GRACE卫星采用轨道倾角82° 14°是较优选择，该设计可有效弥补单组89°轨道倾角卫星对地球引力位田谐项系数敏感度较低的不足。综上所述，不同轨道倾角卫星的联合测量是反演高精度和高空间分辨率地球重力场的有效途径。
本发明基于扰动星间加速度法利用不同轨道倾角卫星的组合反演了 120阶GRACE地球重力场，阐述了卫星不同轨道倾角和地球引力位带谐项、扇谐项和田谐项系数反演精度的关系，得到了两组GRACE双星分别采用89°和83°轨道倾角联合反演累计大地水准面的精度较单组89°轨道倾角的精度平均提高约2倍的结论，分析了两组GRACE双星分别采用89°和82° 14°轨道倾角反演地球重力场是较优组合的原因。
发明内容
本发明的目的是:基于扰动星间加速度法，通过不同轨道倾角卫星联合进ー步提高地球重力场反演精度。为达到上述目的，本发明采用了如下技术方案:ー种利用不同轨道倾角卫星联合反演地球重力场的方法，包括如下步骤:步骤1:采集GRACE双星的关键载荷数据从而获得双星測量数据，通过GRACE双星的星载K波段测距仪采集星间距离P 12、星间速度/^和星间加速度A2，通过星载GPS接收机采集双星轨道位置(^，r2)和双星轨道速度(T1J2 )，通过星载加速度计获取作用于双星的非保守力(も，f2);步骤2:通过残余地心引力差、残余地球扰动引力差、残余保守力差和残余非保守力差对扰动轨道加速度差的影响，建立扰动星间加速度的观测方程，将步骤I中所获得的双星測量数据代入扰动星间加速度观测方程，使用最小二乗法反演获得地球引力位系数
乙和4;步骤3:基于扰动星间加速度观测方程，利用不同轨道倾角卫星的測量数据进行地球重力场反演，将反演得到的地球引力位系数精度进行对比，进而分析不同轨道倾角的GRACE双星观测数据分别对地 球引力位带谐项、扇谐项、田谐项系数精度的影响；步骤4:基于不同轨道倾角的双星測量数据联合反演大地水准面精度，其中不同轨道倾角的双星測量数据至少包括ー组89°高轨道倾角的GRACE双星測量数据和另ー组82° 84°低轨道倾角的GRACE双星测量数据。本发明是利用不同轨道倾角卫星联合有利于精确反演地球重力场的特点而设计的，优点是:I)卫星重力反演精度高；2)同时敏感于引力位带谐项和田谐项系数精度；3)地球重力场解算速度快；4)卫星观测方程物理含义明确；5)计算机性能要求低。
图1为GRACE双星测量原理图。图2a_2d表示基于不同轨道倾角卫星反演地球引力位系数精度对比；图2a为基于不同轨道倾角卫星反演地球引力位带谐项系数精度对比；图2b为基于不同轨道倾角卫星反演地球引力位扇谐项系数精度对比；
图2c为基于不同轨道倾角卫星反演地球引力位田谐项系数精度对比图2d为基于不同轨道倾角卫星反演地球综合引力位系数精度対比。图3表示基于89°轨道倾角和不同轨道倾角组合反演引力位系数阶误差之比的平均值。图4表示基于两组不同轨道倾角卫星联合反演累计大地水准面精度。
具体实施例方式以下结合附图，对本发明的具体实施方式
作进ー步的说明。利用不同轨道倾角卫星联合反演地球重力场方法的应用:步骤1:卫星关键载荷数据采集(I)通过星载K波段测距仪采集ー组GRACE-A/B双星的星间距离P 12、星间速度点2和星间加速度/^，通过星载GPS接收机采集双星轨道位置(a，r2)和双星轨道速度(TtlJ2 )，通过星载加速度计获取作用于双星的非保守力(も，f2)。(2)利用9阶Runge-Kutta线性单步法和12阶Adams-Cowell线性多步法数值模拟公式获取双星參考轨道位置(KX)和双星參考轨道速度(n°,r2° )0(3)參考星间距离、參考星间速度/ 和參考星间加速度為°2通过參考轨道位置(rx\r^ )和參考轨道速度(r^,r2° )计算获得。(4)參考非保守力()通过DTM2000阻力温度模型计算获得。(5)通过国际公布模型DE-405、IERS96和CSR4.0联合计算获取作用于双星的保守力(F1, F2)和參考保守力(Fj03F20 )o其中步骤(4)、(5)的计算方法已在郑伟，许厚泽，钟敏，员美娟，周旭华，彭碧波.卫星跟踪卫星测量模式中星载加速度计高低灵敏轴分辨率指标优化设计论证 地球物理学报，2009，52(11):2712-2720.和Tapley B，Ries J, BettadpurS，Chambers D，Cheng M，Condi F，Gunter B，Kang Z，Nagel P，Pastor R，Pekker T，Poole
S,Wang F.GGM02~An improved Earth gravity field model from GRACE.Journal ofGeodesy, 2005，79 (8):467 - 478.中公开。步骤2:扰动星间加速度观测方程建立在地心惯性系中，GRACE-A/B的星间距离P 12表示如下p 12=r12 e12(I)其中，T12=T2-T1 表示 GRACE-A/B 的相对轨道位置矢量，r:和r2分别表示双星的绝对轨道位置矢量；e12=r12/|r12|表示由GRACE-A指向GRACE-B的単位矢量。GRACE-A/B的參考星间距离Pi"表示如下
权利要求
1.一种利用不同轨道倾角卫星联合反演地球重力场的方法，其特征在于包括如下步骤: 步骤1:采集GRACE双星的关键载荷数据从而获得双星測量数据，通过GRACE双星的星载K波段测距仪采集星间距离P 12、星间速度A2和星间加速度A2，通过星载GPS接收机采集双星轨道位置(h r2)和双星轨道速度(r1 r2 )，通过星载加速度计获取作用于双星的非保守力(fi,f2); 步骤2:通过残余地心引力差、残余地球扰动引力差、残余保守力差和残余非保守力差对扰动轨道加速度差的影响，建立扰动星间加速度观测方程，将步骤I中所获得的双星测量数据代入扰动星间加速度观测方程，使用最小二乗法反演获得地球引力位系数SJM和SIM；步骤3:基于扰动星间加速度观测方程，利用不同轨道倾角卫星的測量数据进行地球重力场反演，将反演得到的地球引力位系数精度进行对比，进而分析不同轨道倾角的GRACE双星測量数据分别对地球引力位带谐项、扇谐项、田谐项系数精度的影响； 步骤4:基于不同轨道倾角的双星測量数据联合反演地球重力场，其中不同轨道倾角的双星測量数据至少包括ー组89°高轨道倾角的GRACE双星測量数据和另ー组82° 84°低轨道倾角的GRACE双星測量数据。
2.按权利要求1所述的利用不同轨道倾角卫星联合反演地球重力场的方法，其特征在于:所述步骤I还包括如下步骤: 利用9阶Runge-Kutta线性单步法和12阶Adams-Cowell线性多步法数值模拟公式获取双星參考轨道位置(r10.r20)和双星參考轨道速度(r10.r20 ); 通过參考轨道位置()和參考轨道速度(r10,r20 )计算获得參考星间距离p120、参考星间速度/^和參考星间加速度p120; 通过DTM2000阻力温度模型计算获得參考非保守力(Z10,/,0 ); 通过国际公布模型DE-405、IERS96和CSR4.0联合计算获取作用于双星的保守力(F1, F2)和參考保守力(F10,)。
3.按权利要求2所述的利用不同轨道倾角卫星联合反演地球重力场的方法，其特征在于:所述步骤2具体包括如下步骤: 在地心惯性系中，将GRACE双星的星间距离P 12表示为 P I2=r12 * e12(I) 其中，T12=T2-T1表示GRACE双星的相对轨道位置矢量，rj和r2分别表示双星的绝对轨道位置矢量；e12=r12/ IT121表示GRACE双星中由GRACE-A指向GRACE-B的单位矢量； 将GRACE双星的參考星间距离表示为P120=r120.r12⑵ 其中
4.按权利要求3所述的利用不同轨道倾角卫星联合反演地球重力场的方法，其特征在于:所述步骤3具体包括如下步骤:基于扰动星间加速度观测方程，采用GRACE卫星公布的关键载荷精度指标:星间速度IX 10_6m/S、轨道位置3X 10_2m、轨道速度3X 10_5m/S、非保守力3X l0.m/s2，利用不同轨道倾角85°、87°和89°卫星的測量数据反演地球引力位系数，并将其结果与德国地学研究中心公布的120阶EIGEN-GRACE02S地球重力场模型的引力位系数的实测精度进行对比；分析不同轨道倾角的GRACE双星測量数据对地球引力位带谐项系数精度的影响； 分析不同轨道倾角的GRACE双星測量数据对地球引力位扇谐项系数精度的影响； 分析不同轨道倾角的GRACE双星測量数据对地球引力位田谐项系数精度的影响； 分析不同轨道倾角的GRACE双星測量数据对地球引力位带谐项、扇谐项、田谐项系数精度的整体影响。
5.按权利要求4所述的利用 不同轨道倾角卫星联合反演地球重力场的方法，其特征在于:所述步骤4中的基于不同轨道倾角的双星測量数据联合反演大地水准面精度包括如下步骤: 采用两组GRACE双星对地球重力场进行测量，两组GRACE双星分别采用89 °和O。 89°轨道倾角，两组GRACE双星的测量数据联合反演120阶GRACE地球重力场的引力位系数表示为
6.按权利要求1-5中任一项所述的利用不同轨道倾角卫星联合反演地球重力场的方法，其特征在于:所述低轨道倾角的GRACE双星优选采用83°轨道倾角。
7.按权利要求1-6中任一项所述的利用不同轨道倾角卫星联合反演地球重力场的方法，其特征在于:所述GRACE双星为两组；其中ー组沿高轨道倾角运行，获得高轨道倾角的双星測量数据；同时另ー组沿低轨道倾角运 行，获得低轨道倾角的双星測量数据。
全文摘要
本发明涉及一种地球重力场精密测量方法，特别是一种利用不同轨道倾角卫星联合反演地球重力场的方法；基于扰动星间加速度法，利用GRACE卫星K波段测距仪的星间距离、星间速度和星间加速度测量数据、GPS接收机的卫星轨道位置测量数据和卫星轨道速度测量数据、以及加速度计的非保守力测量数据，通过不同轨道倾角卫星最优组合，进而精确和快速反演地球重力场；该方法卫星重力反演精度高，同时敏感于引力位带谐项和田谐项系数精度，地球重力场解算速度快，卫星观测方程物理含义明确，计算机性能要求低；因此，不同轨道倾角卫星联合法是反演高精度和高空间分辨率地球重力场的优选方法。
文档编号G01V7/00GK103091721SQ20131001000
公开日2013年5月8日 申请日期2013年1月10日 优先权日2013年1月10日
发明者不公告发明人 申请人:中国科学院测量与地球物理研究所